În 2002, am scris despre problemele așteptate ale producătorilor de procesoare atunci când treceau la tehnologii mai subțiri. proceselor. Unele dintre ele au fost rezolvate complet neobservate de comunitatea informatică generală, în timp ce altele (de exemplu, problemele cu curentul de scurgere la poartă) au fost larg acoperite în presă.
Mișcare către tehnologie subțire. proceselor, aceasta nu este doar o modalitate de a căuta noi idei tehnice, ci și o cale de costuri financiare și compromisuri tehnologice, care, la rândul lor, limitează succesul producătorilor de procesoare.

Istoricul dezvoltării procesorului

Aceasta este o dorință constantă de a-și crește performanța și, pentru aceasta, ca celula principală (cheia) - o pereche complementară de tranzistori - să fie cât mai rapidă sau cât mai mică posibil. Acest lucru a fost realizat prin utilizarea unor procese tehnologice din ce în ce mai sofisticate.
Mai mult, cu cât tehnologia este mai subțire, cu atât performanța celulei este mai mare. proces.

Dezvoltarea procesoarelor poate fi împărțită în două etape.

Prima este din jurul anului 2005.

În prima etapă, scopul principal al muncii designerilor a fost să facă cât mai mult posibil dimensiuni mai mici Tasta CMOS, pentru a obține viteze din ce în ce mai mari ale procesorului și, în consecință, a crește performanța acestuia. Și numai atunci, datorită dimensiunii mici, crește numărul de chei pentru a obține o structură mai complexă, a cărei optimizare oferă și un oarecare câștig de performanță.

Și abia atunci a venit reducerea puterii consumate de dongle și, în consecință, procesor și alte avantaje ale tehnologiilor sofisticate.

Mai mult, principala creștere a performanței procesorului a fost asigurată tocmai de o creștere a frecvențelor de ceas.

Al doilea a început în 2005, din moment frecvența ceasului procesorul a încetat să crească.

În a doua etapă, cursa pentru reducerea dimensiunii comutatorului CMOS continuă. Scopul său a fost să plaseze cât mai mulți cantitate mare cheile de pe cip, pentru a face posibilă complicarea structurii procesorului (inclusiv creșterea numărului de nuclee și a dimensiunii cache-ului), ceea ce permite o performanță crescută. Al doilea motiv pentru mișcare este o reducere a puterii consumate de cheie. în consecință, procesorul s-a oprit.

În acest fel, performanța procesoarelor de server a fost crescută mai devreme, când tehnologia este și mai subțire. procesul nu a oferit posibilitatea de a îmbunătăți productivitatea.

Din acest moment, producătorii au trecut la așa-numitul rating - performanță echivalentă a procesorului.

Pe drumul către procesele tehnologice fine, multe probleme au apărut și au fost rezolvate. Unele dintre ele au fost rezolvate complet neobservate de comunitatea informatică generală, în timp ce altele (de exemplu, problemele cu curentul de scurgere la poartă) au fost larg acoperite în presă. Această cale nu este doar calea căutării de noi idei tehnice, ci și a costurilor financiare și, cel mai important, calea compromisurilor care au impus anumite restricții asupra dezvoltării tehnologiei.

La începutul lunii mai au fost informații

despre decizia Intel, literal - „lansați un program pentru a întrerupe producția procesoarelor dumneavoastră Miez i7 940”, atât modele de vânzare cu amănuntul, cât și produse OEM.

Formula în stil Intel, „start - on removal” - o acțiune neplăcută, arată destul de pozitiv! Deloc ca „întrerupt”.

Rețineți că de la lansarea primelor cipuri din familia Core i7 a trecut deja de aproape șase luni, ceea ce este o perioadă destul de scurtă pentru industria procesoarelor... și iată soluția!

Core i7 940 a fost urmat de Core i7 965!

Ce înseamnă acest lucru?

Unii oameni cred că, pe fondul crizei, principiul nu se aplică Lucru Intel- „toată lumea va lua ceea ce oferim, cu o campanie publicitară adecvată.”

Există o opinie că aceasta este o încercare de a vinde stocuri de seturi logice de sistem din seria a 4-a, a căror cerere a scăzut din cauza creșterii globale. criză economică. Dar „implementarea prin renunțare” este o formulă fără a câștiga. Nu contează dacă există pierderi aici sau acolo.

O altă părere este că costurile de producție Intel core i7 940 s-a dovedit a fi mare și nu are cererea care să permită o producție profitabilă.

O altă opinie, pe fondul crizei de la Intel Problemele interne s-au agravat.

Deocamdată, se poate doar ghici de ce durata de viață a Core i7 940 și Core I7 965 s-a dovedit a fi atât de scurt, dar de obicei motivele pentru oprirea producției ar trebui să fie destul de semnificative, deoarece fondurile au fost cheltuite și există o criză în curte. Mai mult, altele noi sunt planificate pentru lansare Modele de bază i7 975 și 950 - nu sunt foarte diferite ca performanță.

Dar, cel mai probabil, aceasta este întreaga combinație a celor de mai sus, care se suprapune problemelor de stăpânire a proceselor tehnologice mai subtile.

Tendințele procesoarelor

Fiecare pas în stăpânirea proceselor tehnologice fine înseamnă reducerea dimensiunilor liniare ale tranzistorului de aproximativ 1,4 ori și a ariei acestuia de aproximativ 2 ori.

Prin urmare, există tendințe și fapte: Lungimea canalului tranzistorilor care alcătuiesc structurile discrete ale procesorului este scurtată, iar acest lucru determină, la rândul său, o creștere a performanței acestora. Zona tranzistorului este redusă, capacitățile sale interne ar trebui reduse, dar utilizarea unui dielectric de înaltă k pentru a izola poarta tranzistoarelor realizate la 45 nm tech. proces, menține capacitatea porții la un nivel apropiat de 65 nm tech. proces. Acest lucru nu ajută la reducerea consumului de energie specific (pe 1 comutator) (doar pentru 45 nm TC) în ciuda reducerii dimensiunii. Dar, în ciuda creșterii performanței, vitezele de ceas de bază ale procesorului au încetat să crească și s-au oprit la 3 GHz. Reducerea suprafeței ocupate de un tranzistor face posibilă plasarea unui număr mai mare de tranzistori pe un substrat de aceeași dimensiune, complicând structura procesorului. Acest lucru are un efect oarecum pozitiv asupra vitezei de calcul. Numărul de nuclee de procesor este în creștere, numărul cărora în prognoze se apropie de o sută. Volumul cache-urilor este, de asemenea, în creștere, acum dimensiunea cache-ului de nivel 3 a ajuns la 8 MB. TDP-ul se apropie de valoarea limită, în designul de procesor adoptat, 130 - 140 W. Creșterea numărului de contacte ale mufei procesorului (conector) - Soket" a. În același timp, se atinge limita termică TDP, Puterea de interferență generată de procesor a încetat să crească. Dar pe măsură ce performanța crește, la fel crește dI/dt prin urmare, limita de înaltă frecvență a interferenței continuă să se deplaseze în sus. Noi soluții apar periodic în tipărire. Ele se referă în principal la tranzistori noi, mai rapidi. De exemplu, așa-numiții tranzistori cu o structură verticală.

Ultimele două puncte afectează semnificativ fezabilitate economica lansarea de noi modele de vânzare și prețurile acestora.

Cele mai caracteristice puncte din istoria dezvoltării noilor procese tehnologice sunt prezentate în Tabelul 1.

AN*	1995	1997	1999	2001	2003	2005	2007	2009	2011	2012**	2013**
Tehnologia Micron	0,35	0,25	0,18	0,13	0,09	0,065	0,045	0,045	0,032	0,022/0,024	0,01
Lungimea canalului nm	-	120	90	70	45	38	35	35	20	15	7-8
Max. viteza de ceas a procesorului MHz/Model	450/Pentium Pro	1000/Pentium III	2000/ Pentium 4 - 2.0	3400/ Pentium 4 - 3.4	3800/ Pentium 4 - 571	3800/ Pentiu m 4-673	3160* / Penryn Quad-Core Xeon DP X5460	2660 (plan pana la 3300) Nehalem	< 2500 Prognoza	< 2200 Prognoza	< 2000 Prognoza
Timp de comutare τ (psec)	5,5 ns	250	125	65	23	14	10	10	5-7	3-5	1-3
Max. frecvență interferența generată f max GHz	0, 2	4	8	15	43	83	>9 0	>90	>130	>200	>500
Numărul de contacte	387	370	423	478	775	775	771, 940 AMD	1 366	1366/ 1156	>1400	>1400

Tabelul 1.

*Intel consideră anul stăpânirii tehnologiei. proces, anul de prezentare către consumatori a unui cip de probă realizat conform acestei specificații tehnice. proces. Anterior, au durat câteva săptămâni de la prezentarea unui cip de procesor până la lansarea lui spre vânzare. Începând de la 45 nm tech. proces, după prezentarea unui cip de memorie (tehnologia este acum dezvoltată pe ele), durează până la șase luni până la prezentarea primului procesor, iar implementarea producției de masă (a multor modele) durează până la șase luni . De aceea data este afișată aici producție în serie primul model de procesor pentru această tehnologie. proces. Prin urmare, acest șir poate avea valori diferite de cele acceptate de Intel.

** în planurile Intel pentru 2009.

Potrivit oficialilor Intel, producătorii de microcipuri vor trece la 10 nm în 2012 proces tehnologic. Vicepreședinte al Intel Digital Enterprise Group (divizia Intel responsabilă cu proiectarea și producția de cipuri discrete) Pat Gelsinger consideră că fabricile Intel vor putea produce tranzistoare care măsoară 10 nanometri sau mai puțin.

O astfel de afirmație, lipsită de logică, poate fi privită doar ca un alt truc publicitar, deoarece o astfel de gamă de schimbări tehnologice era necesară anterior de la 4 la 7 ani. Deoarece fiecare pas este asociat cu introducerea de noi tehnologii, echipamente și depanarea acestora.

Dar în istoria Intel nu numai, ci în general, nu au existat niciodată tranziții atât de abrupte la noile tehnologii. proceselor. Prin urmare, în mod realist, în opinia mea, ne putem aștepta la pasul tehnic făcut de Intel. procese, care vor da o serie de 32, 22, 16, 11 nm.

Chiar și fără a ține cont de necunoscutul care îl așteaptă pe dezvoltator.

Vezi tabelul 1.

AN*	2009	2011	> 2012	>2014	>2017
					Constructiv
					Standard	O alta
tehnologie nm	45	32	22	16	11	11
Lungimea canalului nm	35	24	17	12	8-9	8-9
Timp de comutare τ (psec)	10	6-7	5-6	3-5	2-3	2-3
Numărul de contacte	1366	1500	2000	3000	4000	-
Număr de tranzistori de până la milioane	731	1100	1600	2400	3600	Până la 8000
Max. frecvența de interferență, f max GHz	>90	>130	>150	>200	>250	>250

Masa 2.

1. Odată cu trecerea la tehnologii mai subtile,

lungimea canalului tranzistorilor care formează semnale discrete este scurtată structurile procesorului, iar acest lucru determină, la rândul său, o creștere a performanței lor.

Specialiștii sunt conștienți de dependențele care conectează lungimea canalului tranzistorului MOS (dimensiunea procesului tehnologic) și viteza acestuia. Uită-te la graficul care descrie această dependențăîn Fig. 3.

Poza 1.

Conceptul de viteză, până la 90 nm tech. procesul a fost în mod clar legat de viteza de ceas a procesorului. Pe măsură ce performanța tranzistorului crește, crește și frecvența de ceas a nucleului procesorului.

În zilele noastre, performanța nu mai înseamnă viteza de bază a ceasului.

Restricții.

ÎN tehnologiile existente La fabricarea plăcilor de sistem (plăci de bază), timpii de comutare egali cu timpii de comutare ai tranzistorilor de bază nu pot fi utilizați pentru magistralele externe.

Pentru că, odată cu creșterea vitezei, cerințele pentru acuratețea timpului de sosire (sincronizare) a semnalelor de-a lungul magistralelor de transmisie și sincronizare a informațiilor paralele cresc.

Aceasta nu este o limitare critică; poate fi ocolită prin transferul de informații pe canale seriale.

2. Zona ocupată de tranzistorul din cip este redusă,

de aproximativ două ori pentru fiecare etapă de reducere a standardelor tehnologice, ca urmare capacitățile sale interne ar trebui să scadă .

Dar utilizarea dielectricului de înaltă k pentru a izola poarta tranzistoarelor realizate la 45 nm tech. proces, reduce ușor capacitatea porții. Acest lucru reduce consumul de energie specific (cu 1 tastă) mai puțin decât înainte atunci când treceți de la o tehnologie. proces la altul.

Fără a lua în considerare acest factor (sau poate pur și simplu pentru a testa tehnologia pe utilizatori - o structură destinată proceselor tehnice de 22 nm la un procent tehnic de 32 nm), Intel a lansat cipuri Intel Core i7 940 la vânzare cu TDP egal cu 130 W. Și astfel, la începutul lunii mai, au existat informații despre scoaterea lor din producție (deși este posibil să apară pe procesul tehnic de 32 nm).

De fapt, puterile de disipare a căldurii de peste 100 W necesită o abordare specială a problemei răcirii procesorului și unitate de sistem. Cea mai mică inexactitate în această chestiune duce la apariția gradienților de temperatură pe cip, care nu contribuie la durabilitatea acestuia.

Conform datelor mele, utilizarea unui dielectric de înaltă k ca izolator a condus la păstrarea capacității (100-70%) a tranzistorului la trecerea de la 65 la 45 nm. acestea. proces.

Ca urmare a creșterii numărului de tranzistori, puterea consumată de procesor crește și o ușoară scădere a capacității porții tranzistorului. Un exemplu în acest sens este Intel Core i7 940.

3. În ciuda creșterii performanței

Vitezele de ceas de bază ale procesorului au încetat să crească înainte de a ajunge la 4 GHz.

Orez. 1 (datele mele).	Orez. 2 (date de la http://ru.wikibooks.org/wiki/ Procesor de cuvinte de căutare)
În fig. 1 și 2 prezintă grafice ale frecvenței de ceas a procesorului. Nu sunt sincronizate axă orizontală, deoarece Fig. 2 folosite din altă sursă. Și orez. 1 arată doar zona caracteristică. Dar sarcina sa este de a arăta schimbarea frecvenței ceasului în timp sau atunci când standardele tehnice sunt reduse. Ei efectuează procesele destul de clar.

Nu vorbesc aici despre:

• capacitatea de a overclocka procesorul, deoarece modul overclockat este experimentul tău - riscul tău, în care muncă stabilă procesorul nu este garantat.
• performanță echivalentă a procesorului, care este determinată nu numai de frecvența ceasului de bază, ci și de un set de caracteristici ale procesorului.

Aici despre care vorbim numai despre frecvența ceasului de bază determinată de producător.

Desigur, puteți contesta scăderea vitezei de ceas de bază cu ajutorul tehnologiei de 45 nm. proces, dar nimeni nu contestă lipsa creșterii sale. Și o comparație a creșterii frecvenței ceasului la trecerea de la 250 nm la 180 nm tech. procesul nu este clar în favoarea unor situații similare după 90 nm.

Iar afirmațiile unor „meșteri” despre o frecvență mare de ceas sunt foarte controversate. Pentru că împrăștiat A mea probă (cum am spus deja - nu toateprobăprocesorul poate fi overclockat) procesor Intel la puțin peste 4 GHz, nu au reușit niciodată să-și traducă „know-how” în soluție standard pentru o gamă largă de cel puțin „meșteri” și, din câte am înțeles, ei înșiși nu folosesc modurile de înregistrare tot timpul.

În caz contrar, prin analogie cu titlurile „Procesor XXXXXXX - a depășit 4,2 GHz!” Au apărut și titlurile: „Procesor XXXXXXX - 3 ani cu o frecvență de 4,2 GHz!”

Există o părere că există un alt motiv pentru limitarea vitezei de ceas a procesorului - aceasta este o limitare a lățimii de bandă a magistralei pentru conectarea dispozitivelor PC.

4. Reducerea suprafeței ocupate de tranzistor

vă permite să plasați un număr mai mare de tranzistori pe un substrat de aceeași dimensiune, complicând structura procesorului. Acest lucru are un efect oarecum pozitiv asupra viteza totala calcule.

Acesta este ceea ce folosesc dezvoltatorii de procesoare. Numărul de tranzistori de pe un cip este în continuă creștere.

Figura 2.

Creșterea numărului de tranzistori are loc din cauza complicației structurii procesorului și a plasării pe cipul procesorului Mai mult nuclee, cache-uri mai mari (care, de altfel, tind să crească), controlere de memorie, .....

Trebuie remarcat faptul că cele mai grele pentru un cip, în ceea ce privește disiparea căldurii, sunt nucleele care funcționează la frecvențe mari de ceas.

Pentru a nu supraîncălzi cipul, există o idee de a folosi nuclee suplimentare în procesoarele multi-core, concepute pentru a îndeplini unele sarcini înguste (specializate). Acest lucru vă va permite să le opriți atunci când nu există sarcini și, prin urmare, să reduceți consumul de energie al procesorului și disiparea căldurii.

Pe de alta parte - Creșterea numărului total de tranzistori de pe un cip - ca aspiratie Intel se încadrează în „patul Procustean” din „Legea lui Moore”.

Acest lucru necesită o creștere a numărului de noduri de pe cip și, ca urmare, o creștere a numărului de tranzistori. Dar nu se dublează în fiecare an - doi.

Dacă principalul nu este performanța optima procesor, și Moore cu legea lui, există o modalitate simplă de a respecta această lege, pur și simplu crește memoria cache. La urma urmei, se știe că fiecare bit al memoriei cache necesită 6 tranzistori pentru a stoca un pic de informații și, împreună cu controlere - interfețe, cablare (practică arată) există deja mai mult de 50 de tranzistori pe 1 bit de cache de nivel 3. Aceasta este o contribuție semnificativă la triumful Legii lui Moore.

Deși există o infirmare a „Legii lui Moore”, acesta este procesorul:

I ntel Atom Z515 - 1,20 GHz (512 KB L2, 400 MHz FSB, 1,4 W TDP) - introdus pe 8 aprilie 2009, Silverthorne- proces tehnologic de 45 nm și având 47 mil pe cip. tranzistoare. El Poziționat ca microprocesor pentru sistemele ultramobile/Netbook și Nettop.

Există o scădere a numărului de tranzistori!

O altă contribuție semnificativă la creșterea numărului de tranzistori este utilizarea arhitecturilor multi-core.

Dar numărul de noduri - nuclee și dimensiunea cache-ului nu pot fi infinite începând de la un anumit nivel, gestionarea acestora va necesita atât de multe resurse încât creșterea performanței procesorului se va opri;

Prin urmare, vorbirea despre utilizarea procesoarelor de 100 și 1000 de nuclee în PC-uri este încă prematură.

Rezultatul este o creștere a numărului de conexiuni externe (linii) ale procesorului și o creștere a numărului de contacte ale conectorului său - Soket.

5. Numărul de nuclee de procesor este în creștere

al căror număr în prognoze se apropie de o sută. Creșterea numărului lor este cauzată de dorința de a crește performanța sistemului.

Este clar că o astfel de creștere nu poate continua la nesfârșit. La urma urmei, sincronizarea și gestionarea calculului paralel necesită și resurse de calcul. Sfârșitul înmulțirii numărului de nuclee unde creșterea în continuare a acestora nu asigură o creștere a performanței.

Dar nu trebuie să uităm că creșterea numărului de nuclee, precum și a dimensiunii cache-urilor, necesită și resurse.

Informațiile au arătat asta Intel intenționează să ascuți miezurile individuale procesor multi-core pentru sarcini individuale specializate, care le vor crește productivitatea și le vor dezactiva dacă nu există sarcini pentru ei. Acesta din urmă va reduce consumul de energie. De exemplu, unul dintre nuclee poate fi adaptat pentru a efectua operațiuni grafice.

Dar se pare că situația extremă a unei astfel de dezvoltări este cipul în care se află toate nodurile principale de procesor, lăsând în urmă doar acele noduri care nu au un impact semnificativ asupra vitezei PC-ului.

Este clar că dezvoltarea și îmbunătățirea procesoarelor vizează creșterea vitezei de funcționare a acestuia și a vitezei sistemului. În acest scop, arhitectura sa este optimizată, inclusiv Numărul de nuclee, dimensiunea cache-urilor la toate nivelurile, controlerele de memorie sunt transferate la procesor.

Acest lucru necesită o creștere a numărului de noduri de pe cip și, ca urmare, o creștere a numărului de tranzistori.

6. Aproximarea TDP la valoarea limită,

care în modelele moderne de procesor în carcase optimizate este de ordinul 130 - 150 W.

Această limitare nu este impusă de prezență răcitoare eficiente, A caracteristici de proiectare procesorul în sine, dimensiunile cristalului, eterogenitatea generării de căldură pe suprafața sa.

Probabil ai observat În ultima vreme Uneori apar procesoare cu un TDP de aproximativ 130 W. Cel mai adesea acestea sunt procesoare destinate lansării pe tehnologie mai subțire. proces. De exemplu procesor Intel Miezarhitectura i7 940 Nehalem realizat folosind tehnologia 45 nm. Procesul are un TDP de aproximativ 130 W, fiind implementat la 32 nm. TP va avea un TDP de 65 până la 95 W, în funcție de frecvența ceasului.

De obicei, TDP nu depășește 100 W.

130 W este puterea maximă care poate fi disipată de la un dispozitiv semiconductor cu asemenea dimensiuni ale suprafețelor conductoare de căldură și un design similar.

Dar impune cerințe mari la nivelul tehnologiei de răcire pentru un dispozitiv semiconductor.

Acestea sunt conexiuni între cip și placa de distribuție a căldurii de pe procesor cu o rezistență termică de aproximativ 0,01 °C/W, materiale conductoare de căldură eficiente (paste), răcitoare cu o rezistență termică mai mică de 0,1 °C/W și cazuri cu ventilație eficientă.

Pe măsură ce TDP se apropie de 150 W, acesta amenință supraîncălzirea locală a cipului, reducându-i imunitatea la zgomot, sensibilitatea la dispozitivele externe de răcire și, în consecință, fiabilitatea generală.

Restricții impuse -

TDP limitează numărul de tranzistori de pe cip și viteza procesorului.

7. Creșterea numărului de pini de pe soclul procesorului

(conector) - Soket" A.

3 factori care influențează creșterea numărului de contacte:

1. Complicarea structurii procesorului,
2. Creșterea consumului de curent,
3. Creșterea frecvenței interferențelor.

1. Complicația structurii procesorului și creșterea conexiunilor sale externe creează necesitatea creșterii numărului de contacte pe Soket" e al procesorului. Dar creșterea nu afectează doar numărul de conexiuni externe. Transmisia are loc prin perechi. de conductori, astfel încât numărul de contacte crește de două ori numărul de conexiuni externe ale procesorului.

Acest lucru este logic și de înțeles.

Figura 4.

2. După cum știm, numărul de contacte de pe Soket pentru alimentarea procesorului depășește 150 de perechi. Acest lucru este necesar de curenții mari furnizați pentru alimentarea procesorului curent furnizat procesorului Acest lucru se întâmplă chiar și în timp ce se menține același procesor de putere de consum, deoarece tensiunea de alimentare este redusă (până la 1 V).

Și dacă curentul este limitat la 0,5 A (0,5 A este limita) per pereche de contacte, puteți estima câte contacte sunt necesare pentru aceasta. (Factorul de siguranță curent necesită aproximativ 0,3 A pe contact) Dar numărul de contacte înSoket" Suma alocată în aceste scopuri este întotdeauna mai mare. O creștere a numărului de contacte determinată de curentul maxim, mai ales atunci când tensiunea de alimentare scade, nu este o tendință, ci o necesitate tehnică. (La o tensiune de alimentare de 1,1 V și un consum de energie de 130 W, trebuie alocați mai mult de 230 de pini pentru aceasta.)

3. Conectarea în paralel a liniilor de alimentare necesită nu numai alimentarea cu energie, ci și îndepărtarea în afara cipului și a Soketului a zgomotului de bandă largă generat de procesor în timpul funcționării designul utilizat. conexiune paralelă multe contacte.

Acest lucru este deosebit de important la TP-uri de 0,45 nm sau mai mici, deoarece limita superioară de frecvență a interferenței depășește 50 GHz.

Dar cu trecerea la tehnologii mai subtile. proceselor, limita HF a zgomotului generat crește și este necesară o reducere a inductanței liniilor de alimentare la procesor și, ca urmare, o creștere a numărului de contacte Soket.

Prin urmare – la complexitatea structurii procesorului, creșterea consumului de curent și necesitatea de a elimina zgomotul generat de acesta în afara procesorului - toate acestea necesită o creștere a numărului de contacte prin Soket"e.

Creșterea numărului de contacte mărește dimensiunea Soket" și, în consecință, inductanța conexiunilor de pe acesta. La o anumită dimensiune Soket"

Dar acest proces nu este nelimitat.

Creșterea numărului de contacte mărește dimensiunea Soket" și, în consecință, inductanța conexiunilor de pe acesta. La o anumită dimensiune Soket" iar creșterea numărului de contacte nu asigură reducerea necesară a inductanței acestora.

8. Noi soluții

Apare periodic în tipărire. Ele se referă în principal la tranzistori noi, mai rapidi.

De exemplu:

• Așa-numitele tranzistoare cu structură verticală,
• Tranzistoare cu dublă poartă.
• Materiale semiconductoare noi, ...... Lista este actualizată constant.

Desigur, tranzistoarele de structuri noi cu frecvențe de operare (frecvență de tăiere) de 20,50 GHz sunt un lucru interesant, și nu numai din punct de vedere al aplicării în tehnologia digitală (discretă).

Dar nu trebuie să uităm:

Natura funcționării tranzistorilor în modul de comutare este aceeași, toate structurile cu viteze mari de comutare au întotdeauna asociate fenomene negative care le limitează capacitățile.

Da, și structuri CMOS făcute la 45 nm. - au un timp de comutare de aproximativ 10 ps și frecventa de operare(frecvența de tăiere a pantei - caracterizarea proprietăților sale de amplificare în modul liniar) aproximativ 16 GHz. Aceasta înseamnă că tranzistoarele procesoarelor moderne sunt fabricate la 45 nm. acestea. Procesul este teoretic capabil să funcționeze la o viteză a procesorului de 16 GHz. Dar aceleași fenomene negative nu permit acest lucru.

După o anumită rafinare a designului și structurii procesorului, operarea structurilor MOS este posibilă la frecvențe care se apropie de frecvența de tăiere. Asta înseamnă un procesor realizat la 45 nm. acestea. Procesul este capabil să funcționeze la frecvențe de ceas de bază de 7-10 GHz.

Creșterea numărului de nuclee de procesor continuă: 2, 4, 8 și în viitor 60, 80, 100. Deși acesta din urmă este îndoielnic pentru utilizare pe scară largă.

Aș dori să spun câteva cuvinte despre noile materiale semiconductoare care au un impact semnificativ asupra performanței și Temperatura de Operare procesor.

Acum au apărut noi materiale semiconductoare, tranzistoare realizate pe care funcționează pentru mai mult frecventa inalta, la temperaturi mai ridicate.

Material	Intervalul de bandă, eV	Mobilitatea electronilor, cm 2 /V*s	Intensitatea câmpului de defalcare, MV/cm	Viteza electronului, 10 7 cm/s	Conductivitate termică, W/cm*K	Temperatura de funcționare, ºС, max
Si	1,1	1350	0,3	1	1,5	200
GaAs	1,4	8500	0,4	2	0,5	300
GaN	3,4	900	3,3	2,7	1,3	500
AlN	6,2	300	11,7	2,0	2,5	500

Tabelul 3.

Conform [L.1]

Tranzistoare cu efect de câmp bazat GaN sunt deja la vânzare.

Intel efectuează cercetări privind posibilitatea utilizării semiconductorilor III grupuri (care include GaN).

Există mai multe opțiuni de design pentru procesoarele de înaltă performanță.

Noile tehnologii sunt acum la orizont

Cum vor fi?

Este greu de ghicit, dar în mod clar nu este pur optic, care este încă în stadii incipiente.

Dar tehnologiile optice sunt deja dezvoltate de Intel și alții.

Nu sunt încă procesoare optice, ci numai Interfețe I/O optice de mare viteză pentru interconexiuni die-to-chip.

De conform Intel -
„Tehnologiile de interconectare utilizate în prezent bazate pe conductori de cupru la viteze de 15-20 Gbit/s sunt limitative din cauza deteriorării inevitabile a caracteristicilor semnalului, disipării puterii și amplificării la frecvențe de ceas ultraînalte. influență negativă interferență electromagnetică."

Figura 5.

Intel lucrează deja la sisteme optice de transmisie a datelor [L.4].

Și nu numai că creează tehnologii care fac posibilă încorporarea sistemelor optice de transmisie a datelor în cipuri de procesor, dar are deja prototipuri ale unor astfel de transceiver.

Astfel de transceiver ( dispozitive electronice interfețe utilizate, în special, pentru conectarea calculatoarelor la o rețea) pe tranzistoarele CMOS vor putea funcționa la frecvențe de ceas de aproximativ 14 GHz, ceea ce este suficient pentru a asigura o rată de transfer de date de 20 Gbit/s.[L.2]

Și cel mai mult ultimele modele capabil să ofere schimb de date la o viteză de 40 Gbit/s, iar în viitorul apropiat un transceiver cu 8 canale cu debitului până la 1 Gbit/s.

Iar modelele de computer cu transceiver similare (canale optice de comunicație) folosite în locul magistralelor de procesor externe sunt deja testate în laboratoarele Intel.

„Inventatorul de la Moscova - Verbovetsky Alexander Alexandrovich, a reușit să schimbe microcircuitul acestei plăci, astfel încât să fie posibil să crească performanța, imunitatea la zgomot, fiabilitatea și supraviețuirea calculatoare personale folosind plăci de bază optoelectronice.

Acest rezultat a fost obținut prin utilizarea metodelor optice de I/O și de transmisie a semnalului, care cresc dramatic ratele de transfer de date, precum și prin utilizarea unei arhitecturi de magistrală de grup.

Procesoare suplimentare, unități de interfață procesor, noduri au fost introduse în diagrama bloc a plăcii comunicatii optice fiecare bloc al circuitului unul cu celălalt (procesor cu magistrala de sistem, memorie cache cu magistrala de sistem, unitatea de control a sistemului cu magistrala de sistem etc.), unități de interfață pentru unitatea de control a sistemului.

Această combinație de blocuri și conexiuni între ele a făcut posibilă obținerea unui dispozitiv cu performanțe de peste 100 de ori mai mari, imunitate la zgomot și fiabilitate decât cele moderne convenționale. plăci de bază, produs pentru computere personale." (sfârșitul citatului)

Aceste două soluții sunt creație practică o singură magistrală optică de mare viteză pe care pot fi amplasate toate nodurile sale, oferind internă și relații Externe PC.

Există soluții

Care vă permit să creșteți frecvența ceasului fără a crește TDP-ul, alte soluții vă permit să creșteți TDP-ul procesorului prin macar de două ori, ceea ce permite fără a schimba nimic abordări moderne pentru a proiecta, crește frecvența ceasului procesorului de cel puțin 2 ori. Prin modificarea organizării structurii interne a procesoarelor și aplicarea unor soluții de proiectare cu un alt factor de 2.

În total, acest lucru face posibilă o frecvență de ceas a procesorului de peste 10 GHz. Și aici intră în vigoare probleme de sincronizare, .

Concluzie

Acestea sunt, desigur, nu toate tendințele și problemele în dezvoltarea procesoarelor.

Profunzimea întrebării nu are un capăt; zeci de lucrări profund științifice pot fi scrise pe ea, dar timpul va trece și vor apărea noi probleme care vor trebui rezolvate.

Am vrut să vă spun aici că istoria dezvoltării procesoarelor este una a compromisurilor constante, rezultatul căruia de multe ori nu este deloc ceea ce planifică liderii industriei. Iar numărul de compromisuri și, în consecință, de restricții devine mai mare pe măsură ce ne apropiem de limitele fizice ale elementului principal al procesorului tranzistor CMOS. Și apoi rămâne să îndepliniți „Legea” lui Moore doar prin cache-uri uriașe.

Un exemplu de astfel de compromis este limitarea vitezei de ceas a procesorului.

Acumularea acestor compromisuri devine în cele din urmă insurmontabilă, iar acesta este capătul fără fund al acestei tehnologii.

Conform informațiilor Fujitsu , realizat folosind tehnologia de 45 microni. proces, opt procesor nuclear SPARC64 VIIfx ( Venus ) are o viteză de calcul de 128 GFLOP, - de 2,5 ori mai rapid decât cel mai bun Intel, dual core Itanium 2, însă, chiar și cu construit în Venus managerul de memorie consumă doar 33% din Itanium 2, prin urmare, aproximativ 35W.

Unul dintre „specialiști” a calculat frecvența de ceas a acestui procesor la 16 GHz.

Acest lucru este incorect deoarece, cu o structură similară a tranzistorilor, tehnologia modernă. procese și un TDP de 35 W, frecvența sa de ceas nu poate depăși 4 GHz.

Dar procesoarele vor apărea în curând nouă generație, unde în loc de autobuze pentru comunicare cu dispozitive externe va fi folosit procesorul încorporat sisteme optice transmiterea datelor. Acestea sunt magistrale de schimb de informații cu memorie, dispozitive externe (PCI-E, ...), și chiar magistrale de comunicare cu HDD, SSD, ....

Iar procesorul, ca și computerul, va apărea într-o formă nouă și, eventual, de calitate.

P.S.

Articolul a fost scris în 2009, iar acum este jumătatea anului 2013 (la un an de la prognoză) și acum, după o liniște, au apărut mesaje de la observatori precum „Procesul tehnologic de 10 nm - realitatea anului 2015”, iar practicienii atribuie dezvoltarea procesorul până în 2018. Între timp, de la începutul anului 2012, au fost produse în serie doar procesoare care utilizează tehnologia de proces de 22 nm.

Odată cu o scădere suplimentară a standardelor tehnologice (deja de la tehnologia procesului de 45 nm), dificultățile tehnologice ale dezvoltării lor cresc progresiv.

Un exemplu în acest sens este procesul tehnologic de 22 nm, care a fost demonstrat în 2008 și stăpânit în producția de procesoare doar 4 ani mai târziu (2012).

Prin urmare, chiar dacă (deloc un proces tehnic de 10 nm) un proces de 14 -18 nm este demonstrat în 2015-2018, este posibil să nu fie stăpânit mai devreme de 2020-2025.

Mă voi bucura să greșesc.

August 2013

Literatură.

1. „Tranzistorul GaN este încă cea mai grea piuliță de spart” V. Danilin, T. Zhukova, Y. Kuznetsov, S. Tarakanov, N. Uvarov FSUE „NPP PULSAR”, http://www.electronics.ru/issue /2005/ 4/3

2. Intel dezvăluie un prototip de interfață I/O optică de mare viteză pentru interconexiuni Die-to-Die, Ian Young, http://www.intel.com/corporate/europe/emea/rus/country/update/ contents/ it04041.htm

3. Un specialist rus a dezvoltat o optoelectronica placa de baza nouă generație, superioară chiar și analogilor IBM moderni. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5833.html

4. Știri optice viitoare de la Research@lntel Dау, Chip, septembrie 2009

A. Sorokin

Pagina 1: Testați și revizuiți Podul de Iedera: Intel Core i7-3770K și toate modelele Core i5 Pagina 2: Ivy Bridge pe P67 și Sandy Bridge pe Z77 Pagina 3: Recenzie Z77 Pagina 4: Numărul de tranzistori și consumul de energie Pagina 5: Teste de consum de energie Pagina 6: Modificări în comparație cu Sandy Bridge Pagina 7: Grafic Intel core s HD 4000 în detaliu

Pagina 4: Numărul de tranzistori și consumul de energie

Cea mai mare diferență dintre procesoarele Sandy Bridge și Ivy Bridge este tehnologia procesului. Mai mult, nu numai că am primit o tranziție de la o tehnologie de proces de 32 nm la 22 nm, ci și pentru prima dată am primit un nou tip de tranzistor, cu o poartă tridimensională. Această tehnologie ne permite să reducem curenții de scurgere și să creștem eficiența consumului de energie al procesorului - ca rezultat obținem procesor economic nu numai datorită tehnologiei de proces reduse, ci și datorită tranzistorilor mai eficienți.

Core i7-3770K conține grafică HD integrată 4000 și
1,4 miliarde de tranzistori în total. În cazul Sandy Bridge, numărul de tranzistori a fost de doar 995 de milioane.
În ceea ce privește dimensiunea matriței, Intel a reușit să reducă suprafața de la 216 mm² la 160 mm².

Modelele Ivy Bridge au cu aproximativ 405 milioane de tranzistori mai mulți decât Sandy Bridge. Dar de data aceasta Intel nu a crescut memoria cache sau numărul de nuclee. Și controlerul de memorie a rămas în mare parte neschimbat, agentul de sistem a fost și el același. Unde s-au cheltuit 405 milioane de tranzistori? În cea mai mare parte - pe nucleul grafic integrat Intel. Mai mult, Intel nu numai că a crescut dimensiunea bufferelor, dar a și dublat numărul de unități de calcul de bază.

Este interesant de comparat dimensiunea: cip nou Ivy Bridge ocupă cu aproximativ 25% mai puțin spațiu pe substrat, dar conține mult mai mulți tranzistori.

Mai multe tranzistoare produc întotdeauna mai multă căldură. Dar datorită tehnologiilor inteligente de economisire a energiei, numai acele zone ale procesorului care sunt utilizate în mod activ consumă energie. În modul inactiv, procesorul poate dezactiva nucleele individuale, memoria cache sau zonele integrate nucleul grafic. Adăugați tehnologii DDR3 și GT Power Gating. Datorită structurilor mai mici și a tranzistorilor Tri-Gate, Intel a reușit chiar să realizeze economii semnificative în consumul de energie. În plus, procesoarele Intel Ivy Bridge acceptă acum memorie Low Voltage DDR3 (DDR3L), care poate funcționa la 1,35 V, economisind câțiva wați.

Tranzistoare Intel de 22 nm cu tehnologie Tri-Gate

Intel a vorbit despre tehnologia procesului de 22 nm la mai multe evenimente anterioare. Dar de data aceasta am primit câteva informații noi despre tehnologia procesului de 22 nm: în esență, toate tranzistoarele plane moderne sunt create conform unui design dezvoltat în 1974. Desigur, i-au fost aplicate diverse îmbunătățiri și optimizări pentru a minimiza curenții de scurgere și pentru a controla funcționarea tranzistoarelor, reducând în același timp procesul tehnic - dar până în 2000 cu aceasta probleme speciale nu a existat, spre deosebire de curenții de scurgere. Cititorii noștri își pot aminti procesoare de la Northwood, Prescott și multe altele care au avut de a face cu probleme de disipare a căldurii.

În 2003 anul Intel a început tranziția către o tehnologie de proces de 90 nm cu tehnologia Strained Silicon pentru tranzistoarele NMOS și PMOS cu porți de oxid, ceea ce le-a îmbunătățit caracteristicile și curentul de antrenare. Odată cu trecerea la tehnologia de proces de 45 nm, Intel a anunțat tranzistori cu porți metalice High-K, adică cu un nou dielectric (SiO2) și porți metalice pe bază de hafniu. Acest lucru a făcut din nou posibilă îmbunătățirea performanței tranzistoarelor fără a introduce noi probleme cu curenții de scurgere.

În cazul anunțării tranzistoarelor de 22 nm, însăși structura acestor elemente semiconductoare s-a schimbat.

Un exemplu este slide-ul de proces de 22 nm de la Intel Developer Forum de anul trecut, care arată valorile curentului de scurgere la diferiți curenți de unitate pentru diferite scenarii. Dacă doriți să procesor rapid, atunci puteți suporta curenți mari de scurgere. Pe de altă parte, puteți optimiza procesorul pentru curenți de scurgere mai mici. Ca urmare, în funcție de cazul de utilizare, este posibilă implementarea anumitor tehnologii în cip (performanță ridicată, performanță standard, consum redus de putere).

Următoarele sunt principalele avantaje ale procesului Tri-Gate de 22 nm:

• Există un avantaj clar în ceea ce privește curenții de scurgere. La o tensiune mai mică, tranzistorul comută mai repede, astfel încât scurgerea în starea oprită este mult mai mică.
• Atunci când este optimizat pentru un consum mare de energie, este posibil să se obțină aceeași scurgere în stare oprită ca și tranzistoarele plane la o viteză de comutare mult mai mare.
• În general, tranzistoarele Tri-Gate oferă cu 37% mai mult de mare viteză comutarea la o tensiune de 0,7 V - sau, dimpotrivă, reduce consumul de putere activă cu 50%.
• Dacă sunt necesare performanțe mai mari, atunci designerul procesorului poate face unele modificări modificări simple pentru a-l primi.

Structura tranzistorilor este clar vizibilă în figura de mai sus: poarta tranzistorului „se îndoaie” mai bine în jurul zonei canalului, prevenind curenții serioși de scurgere.

Intel a folosit tehnologia de proces P1270 de 22 nm pentru procesoarele Ivy Bridge. Dar în 2013 este planificată trecerea la tehnologia de proces P1272 de 14 nm, dezvoltată tot de Intel. Compania va produce procesoare noi la cinci fabrici, care vor fi transferate la tehnologia de proces de 22 nm sau care rulează deja pe aceasta. Pe lângă fabricile din Oregon, procesoarele vor fi produse de încă două fabrici din Arizona, precum și de o fabrică din Israel.