Масштабирование Деннарда
В полупроводниковой электронике масштабирование Деннарда , также известное как масштабирование MOSFET , представляет собой закон масштабирования , который примерно гласит, что по мере того, как транзисторы становятся меньше, их плотность мощности остается постоянной, так что энергопотребление остается пропорциональным площади; масштабирование напряжения и тока (вниз) в зависимости от длины. [1] [2] Закон, первоначально сформулированный для МОП-транзисторов , основан на статье 1974 года, соавтором которой является Роберт Х. Деннард , в честь которого он назван. [3]
Вывод [ править ]
Модель масштабирования MOSFET Деннарда предполагает, что с каждым поколением технологий:
- Размеры транзистора можно масштабировать на -30% (0,7×). Одновременно это дает следующие эффекты:
- Площадь отдельного устройства уменьшается на 51%, поскольку площадь равна длине, умноженной на ширину .
- Емкость устройства C уменьшается на 30% (0,7×), поскольку емкость меняется в зависимости от площади и расстояния .
- Чтобы сохранить электрическое поле неизменным, напряжение V уменьшается на 30% (0,7×), поскольку напряжение равно длине поля, умноженной на .
- Такие характеристики, как ток и время перехода, также уменьшаются на 30 % из-за их взаимосвязи с емкостью и напряжением .
- Предполагается, что общая задержка в цепи определяется временем перехода, поэтому она также уменьшается на 30%.
- Частота f может увеличиться примерно на 40% (1,4×), поскольку частота меняется с увеличением задержки .
- Потребляемая мощность отдельного транзистора снижается на 51%, поскольку активная мощность равна CV. 2 ф. [4]
- В результате энергопотребление на единицу площади остается одинаковым для каждого поколения технологий. Альтернативно, с каждым поколением количество транзисторов в чипе можно удваивать без изменения энергопотребления.
с законом Мура и вычислений Связь производительностью
Закон Мура гласит, что количество транзисторов удваивается примерно каждые два года. В сочетании с масштабированием Деннарда это означает, что производительность на джоуль растет еще быстрее, удваиваясь примерно каждые 18 месяцев (1,5 года). Эту тенденцию иногда называют законом Куми . Первоначально Куми предполагал, что скорость удвоения составит 1,57 года. [5] но более поздние оценки показывают, что этот процесс замедляется. [6]
Разбивка масштабирования Деннарда примерно в 2006 г.
Динамическое (коммутационное) энергопотребление КМОП-схем пропорционально частоте. [7] Исторически сложилось так, что снижение мощности транзисторов, обеспечиваемое масштабированием Деннарда, позволяло производителям резко повышать тактовые частоты от одного поколения к другому без значительного увеличения общего энергопотребления схемы.
Примерно с 2005–2007 годов масштабирование Деннарда, похоже, сломалось. По состоянию на 2016 год количество транзисторов в интегральных схемах все еще растет, но получаемое в результате улучшение производительности происходит более постепенно, чем ускорение, возникающее в результате значительного увеличения частоты. [1] [8] Основная причина поломки заключается в том, что при малых размерах утечка тока создает большие проблемы, а также вызывает нагрев чипа, что создает угрозу температурного выхода из-под контроля и, следовательно, еще больше увеличивает затраты на электроэнергию. [1] [8]
Нарушение масштабирования Деннарда и, как следствие, невозможность значительного увеличения тактовой частоты заставили большинство производителей процессоров сосредоточиться на многоядерных процессорах как на альтернативном способе повышения производительности. Увеличение количества ядер приносит пользу многим (хотя ни в коем случае не всем – см. закон Амдала ) рабочим нагрузкам, но увеличение количества активных переключающих элементов из-за наличия нескольких ядер по-прежнему приводит к увеличению общего энергопотребления и, таким образом, ухудшает проблемы рассеивания мощности процессора . [9] [10] Конечным результатом является то, что только некоторая часть интегральной схемы может фактически быть активной в любой данный момент времени, не нарушая ограничений мощности. Оставшаяся (неактивная) область называется темным кремнием .
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с Макменамин, Адриан (15 апреля 2013 г.). «Конец масштабирования Деннарда» . Проверено 23 января 2014 г.
- ^ Стритман, Бен Г.; Банерджи, Санджай Кумар (2016). Твердотельные электронные устройства . Бостон: Пирсон. п. 341. ИСБН 978-1-292-06055-2 . OCLC 908999844 .
- ^ Деннард, Роберт Х.; Генсслен, Фриц Х.; Ю, Хва-Ниен; Райдаут, В. Лео; Басус, Эрнест; ЛеБлан, Андре Р. (октябрь 1974 г.). «Проектирование ионно-имплантированных МОП-транзисторов с очень малыми физическими размерами». Журнал IEEE твердотельных схем . СК-9 (5): 256–268. Бибкод : 1974IJSSC...9..256D . дои : 10.1109/JSSC.1974.1050511 . S2CID 283984 .
Деннард, Роберт Х.; Генсслен, Фриц Х.; Ю, Хва-Ниен; Райдаут, В. Лео; Басус, Эрнест; ЛеБлан, Андре Р. (апрель 1999 г.). «Классическая статья: конструкция полевых МОП-транзисторов с ионной имплантацией с очень малыми физическими размерами». Труды IEEE . 87 (4): 668–678. CiteSeerX 10.1.1.334.2417 . дои : 10.1109/JPROC.1999.752522 . S2CID 62193402 . - ^ Боркар, Шекхар; Чиен, Эндрю А. (май 2011 г.). «Будущее микропроцессоров» . Коммуникации АКМ . 54 (5): 67. дои : 10.1145/1941487.1941507 .
- ^ Грин, Кэти (12 сентября 2011 г.). «Новый и улучшенный закон Мура: согласно «закону Куми» каждые полтора года удваивается эффективность, а не мощность» . Обзор технологий . Проверено 23 января 2014 г.
- ^ Куми, доктор философии, Джонатан Дж. (29 ноября 2016 г.). «Наши последние достижения в области энергоэффективности вычислений с течением времени теперь доступны в отделе Electronic Design» . koomey.com . Проверено 15 января 2021 г.
- ^ «Расчет энергопотребления КМОП и CPD» (PDF) . Инструменты Техаса . Июнь 1997 года . Проверено 9 марта 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бор, Марк (январь 2007 г.). «30-летняя ретроспектива бумаги Деннарда для масштабирования МОП-транзисторов» (PDF) . Общество твердотельных схем . Проверено 23 января 2014 г.
- ^ Исмаилзаде, Хади; Блем, Эмили; Сен-Аман, Рене; Шанкаралингам, Картикеян; Бургер, Дуг (2011). «Темный кремний и конец многоядерного масштабирования». 2011 38-й ежегодный международный симпозиум по компьютерной архитектуре (ISCA) . IEEE. стр. 365–376. CiteSeerX 10.1.1.222.8988 . дои : 10.1145/2000064.2000108 . ISBN 978-1-4503-0472-6 . S2CID 207188742 .
- ^ Грушка, Джоэл (1 февраля 2012 г.). «Смерть масштабирования ЦП: от одного ядра ко многим – и почему мы все еще застряли» . ЭкстримТех . Проверено 23 января 2014 г.