Жар холодных числ (статья)
Любая вычислительная операция, произведенная с использованием полупроводникового устройства, вызывает в той или иной мере повышение его температуры, то есть порождает тепло, или "Жар холодных числ", как сказал когда-то Александр Блок, хотя и имел в виду нечто совсем другое. Тепловыделение всегда было одной из наиболее существенных проблем при работе полупроводниковых устройств любой логики и размера, причем с каждым годом эта проблема становится все более актуальной. Как же с ней бороться?
Великий маг и престидижитатор Кристобаль Хозевич Хунта из фантастической повести братьев Стругацких "Понедельник начинается в субботу" принципиально занимался решением только тех задач, которые не имели решения, поскольку все остальные задачи считал недостойными себя. Без сомнения, он с удовольствием занялся бы и решением задачи снижения тепловыделения на современном процессоре.
Подчиняясь неумолимому закону Мура, с каждым годом транзисторы становятся все меньше, а, значит, электронам приходится передвигаться по все более узким переходам, все более "энергично" сталкиваясь с атомами вещества и тем способствуя выделению все большего тепла. Чем больше транзисторов размещается на единице площади, тем больше мощности они потребляют и, соответственно, выделяют энергии. Плотность размещения транзисторов в современных чипах достигает миллионов единиц на квадратный миллиметр. Например, у 90-нанометрового ядра процессора Intel Pentium 4 (Prescott) на площади 112 кв.мм размещено около 125 млн транзисторов!
Еще в относительно благополучном, с точки зрения тепловыделения, 2001 году Патрик Гелсингер, являвшийся в то время главным директором корпорации Intel по технологиям, заметил: "Если мы будем продолжать использовать современные методы разработки процессоров, то к 2010 году процессоры будут вырабатывать больше тепла на квадратный миллиметр, чем ядерный реактор". По его убеждению, решить эту проблему способны лишь совершенно новые, революционные методы.
Мы расскажем о нескольких направлениях исследований, которые ведутся сегодня в корпорации Intel в надежде решить "вечную" проблему.
"Материальный" вопрос
Самая простая и очевидная мысль - попробовать изменить материалы, используемые при производстве микропроцессоров. В исследовательских лабораториях Intel создаются новые материалы, призванные заменить те, что применяются при производстве полупроводниковых компонентов уже более 30 лет. Так, уже анонсированы транзисторы Intel, разработанные с использованием нового диэлектрика затвора с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k диэлектрик) и новых сплавов для производства самих затворов транзисторов (metal gate). Напомним, что в данном случае затвор представляет собой электрод транзистора, управляющий его "включением" и "выключением", а диэлектрик затвора - это тонкая изоляционная пленка под затвором. В совокупности новые материалы позволяют радикально снизить утечки тока, порождающие нежелательное тепловыделение. Не будем забывать, что токи утечки возрастают экспоненциально при переходе с 90-нанометрового на 65-нанометровый технологический процесс по сравнению с переходом от 130- к 90-нм технологиям!
По данным корпорации Intel, новый диэлектрик позволяет снизить токи утечки более чем в 100 раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния. Сочетание нового диэлектрика и нового сплава для изготовления затвора даст возможность продлить действие закона Мура и технологическое лидерство корпорации Intel еще на 5-10 лет. Транзисторы на основе новых материалов рассматриваются в качестве одного из вариантов для изготовления будущих процессоров Intel уже в 2007 году, в рамках производственного процесса Intel с проектной нормой 45 нанометров.
Кроме того, исследователи Intel ведут разработки в области новых материалов непосредственно для транзисторов. Так, в феврале 2005 года инженеры Intel и компании QinetiQ продемонстрировали прототип транзистора на основе нового материала - антимонида индия (InSb), обладающего уникальными электронными свойствами.
Антимонид индия, двухкомпонентный полупроводник, начали исследовать около двух лет назад. Работающий в нем квантовый эффект "потенциальной ямы" позволяет в несколько раз снизить время и напряжение, необходимые для переключения транзистора. В результате, как показали исследования прототипов NMOS-транзисторов из антимонида индия, они обеспечивают трехкратное повышение производительности при сохранении того же уровня тепловыделения, что и у современных транзисторов, или такую же производительность, как у нынешних транзисторов, но при десятикратном снижении выделяемой мощности.
"Точечное" охлаждение
Исследователи из лаборатории изучения цепей корпорации Intel под руководством Рэма Кришнамурти (Ram Krishnamurty) идут немного иным путем - они, как мудрые медики, берутся не лечить болезнь, а устранить ее причину.
Рэм Кришнамурти и его сотрудники решили внимательнее разобраться, какие конкретно участки микропроцессора выделяют больше тепла, а какие - меньше. Для этого они использовали широко известную технологию "тепловидения". В результате специалисты обнаружили, что до пугающих любого пользователя 125 градусов Цельсия нагревается лишь небольшой участок процессора - ALU (Arithmetic and Logic Unit, элемент для логических и арифметических операций), тогда как вся остальная часть, включая кэш-память, нормально функционирует при вполне приемлемой для кристалла температуре не выше 65 градусов.
Если процессор выполняет простую пересылку данных из одного участка памяти в другой, то это не приводит к нагреву. А вот когда производятся сложные математические операции, процессор нагревается. Мало того, современные процессоры корпорации Intel используют не одно, а от четырех до 24 ALU. Поскольку все ALU пересылают данные друг другу, они располагаются поблизости друг от друга, что еще больше увеличивает плотность выделения тепла.
Чтобы снизить тепловыделение, исследователи под руководством Рэма Кришнамурти разработали новую схему ALU, которая позволяет повысить производительность процессора и снизить тепловыделение. "Новая технология позволяет в четыре раза снизить потери мощности на тепловое излучение", - утверждает Стив Павловский (Stephen S. Pawlowski), главный директор по технологиям и генеральный менеджер по архитектуре и планированию подразделения Digital Enterprise Group корпорации Intel. В группе Кришнамурти были достигнуты наивысшие показатели по быстродействию ALU в отрасли: 10 ГГц для 32-разрядного целочисленного ALU, изготовленного по технологии 130 нм, и 7 ГГц для 64-разрядного целочисленного ALU, изготовленного по технологии 90 нм. Эти показатели быстродействия в два-три раза выше, чем у других компаний. Новый элемент ALU решили назвать Nozomi - в честь высокоскоростного японского поезда.
"Мы осознали, что именно ALU являются "горячими точками" микропроцессора: они потребляют львиную долю мощности, и в будущем это будет только усугубляться, - говорит Кришнамурти. - 64-разрядный ALU типа Nozomi, протестированный в нашей лаборатории, потребляет всего-навсего 300 милливатт, что в два с лишним раза меньше, чем аналогичные устройства других производителей".
Каждый элемент
Итак, исследуются новые материалы, новые структуры ALU, но творческая мысль продолжает поиск путей для снижения тепловыделения и находит их буквально во всех элементах процессора.
Великий маг и престидижитатор Кристобаль Хозевич Хунта из фантастической повести братьев Стругацких "Понедельник начинается в субботу" принципиально занимался решением только тех задач, которые не имели решения, поскольку все остальные задачи считал недостойными себя. Без сомнения, он с удовольствием занялся бы и решением задачи снижения тепловыделения на современном процессоре.
Подчиняясь неумолимому закону Мура, с каждым годом транзисторы становятся все меньше, а, значит, электронам приходится передвигаться по все более узким переходам, все более "энергично" сталкиваясь с атомами вещества и тем способствуя выделению все большего тепла. Чем больше транзисторов размещается на единице площади, тем больше мощности они потребляют и, соответственно, выделяют энергии. Плотность размещения транзисторов в современных чипах достигает миллионов единиц на квадратный миллиметр. Например, у 90-нанометрового ядра процессора Intel Pentium 4 (Prescott) на площади 112 кв.мм размещено около 125 млн транзисторов!
Еще в относительно благополучном, с точки зрения тепловыделения, 2001 году Патрик Гелсингер, являвшийся в то время главным директором корпорации Intel по технологиям, заметил: "Если мы будем продолжать использовать современные методы разработки процессоров, то к 2010 году процессоры будут вырабатывать больше тепла на квадратный миллиметр, чем ядерный реактор". По его убеждению, решить эту проблему способны лишь совершенно новые, революционные методы.
Мы расскажем о нескольких направлениях исследований, которые ведутся сегодня в корпорации Intel в надежде решить "вечную" проблему.
"Материальный" вопрос
Самая простая и очевидная мысль - попробовать изменить материалы, используемые при производстве микропроцессоров. В исследовательских лабораториях Intel создаются новые материалы, призванные заменить те, что применяются при производстве полупроводниковых компонентов уже более 30 лет. Так, уже анонсированы транзисторы Intel, разработанные с использованием нового диэлектрика затвора с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k диэлектрик) и новых сплавов для производства самих затворов транзисторов (metal gate). Напомним, что в данном случае затвор представляет собой электрод транзистора, управляющий его "включением" и "выключением", а диэлектрик затвора - это тонкая изоляционная пленка под затвором. В совокупности новые материалы позволяют радикально снизить утечки тока, порождающие нежелательное тепловыделение. Не будем забывать, что токи утечки возрастают экспоненциально при переходе с 90-нанометрового на 65-нанометровый технологический процесс по сравнению с переходом от 130- к 90-нм технологиям!
По данным корпорации Intel, новый диэлектрик позволяет снизить токи утечки более чем в 100 раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния. Сочетание нового диэлектрика и нового сплава для изготовления затвора даст возможность продлить действие закона Мура и технологическое лидерство корпорации Intel еще на 5-10 лет. Транзисторы на основе новых материалов рассматриваются в качестве одного из вариантов для изготовления будущих процессоров Intel уже в 2007 году, в рамках производственного процесса Intel с проектной нормой 45 нанометров.
Кроме того, исследователи Intel ведут разработки в области новых материалов непосредственно для транзисторов. Так, в феврале 2005 года инженеры Intel и компании QinetiQ продемонстрировали прототип транзистора на основе нового материала - антимонида индия (InSb), обладающего уникальными электронными свойствами.
Антимонид индия, двухкомпонентный полупроводник, начали исследовать около двух лет назад. Работающий в нем квантовый эффект "потенциальной ямы" позволяет в несколько раз снизить время и напряжение, необходимые для переключения транзистора. В результате, как показали исследования прототипов NMOS-транзисторов из антимонида индия, они обеспечивают трехкратное повышение производительности при сохранении того же уровня тепловыделения, что и у современных транзисторов, или такую же производительность, как у нынешних транзисторов, но при десятикратном снижении выделяемой мощности.
"Точечное" охлаждение
Исследователи из лаборатории изучения цепей корпорации Intel под руководством Рэма Кришнамурти (Ram Krishnamurty) идут немного иным путем - они, как мудрые медики, берутся не лечить болезнь, а устранить ее причину.
Рэм Кришнамурти и его сотрудники решили внимательнее разобраться, какие конкретно участки микропроцессора выделяют больше тепла, а какие - меньше. Для этого они использовали широко известную технологию "тепловидения". В результате специалисты обнаружили, что до пугающих любого пользователя 125 градусов Цельсия нагревается лишь небольшой участок процессора - ALU (Arithmetic and Logic Unit, элемент для логических и арифметических операций), тогда как вся остальная часть, включая кэш-память, нормально функционирует при вполне приемлемой для кристалла температуре не выше 65 градусов.
Если процессор выполняет простую пересылку данных из одного участка памяти в другой, то это не приводит к нагреву. А вот когда производятся сложные математические операции, процессор нагревается. Мало того, современные процессоры корпорации Intel используют не одно, а от четырех до 24 ALU. Поскольку все ALU пересылают данные друг другу, они располагаются поблизости друг от друга, что еще больше увеличивает плотность выделения тепла.
Чтобы снизить тепловыделение, исследователи под руководством Рэма Кришнамурти разработали новую схему ALU, которая позволяет повысить производительность процессора и снизить тепловыделение. "Новая технология позволяет в четыре раза снизить потери мощности на тепловое излучение", - утверждает Стив Павловский (Stephen S. Pawlowski), главный директор по технологиям и генеральный менеджер по архитектуре и планированию подразделения Digital Enterprise Group корпорации Intel. В группе Кришнамурти были достигнуты наивысшие показатели по быстродействию ALU в отрасли: 10 ГГц для 32-разрядного целочисленного ALU, изготовленного по технологии 130 нм, и 7 ГГц для 64-разрядного целочисленного ALU, изготовленного по технологии 90 нм. Эти показатели быстродействия в два-три раза выше, чем у других компаний. Новый элемент ALU решили назвать Nozomi - в честь высокоскоростного японского поезда.
"Мы осознали, что именно ALU являются "горячими точками" микропроцессора: они потребляют львиную долю мощности, и в будущем это будет только усугубляться, - говорит Кришнамурти. - 64-разрядный ALU типа Nozomi, протестированный в нашей лаборатории, потребляет всего-навсего 300 милливатт, что в два с лишним раза меньше, чем аналогичные устройства других производителей".
Каждый элемент
Итак, исследуются новые материалы, новые структуры ALU, но творческая мысль продолжает поиск путей для снижения тепловыделения и находит их буквально во всех элементах процессора.
