Масштабирование Деннарда - Dennard scaling

Масштабирование Деннарда, также известный как Масштабирование MOSFET, это закон масштабирования на основе статьи 1974 г., в соавторстве с Роберт Х. Деннард, в честь кого назван.[1] Первоначально разработан для МОП-транзисторы, в нем примерно говорится, что по мере уменьшения размеров транзисторов их удельная мощность остается постоянным, так что потребление энергии остается пропорциональным площади; обе Напряжение и Текущий шкала (вниз) с длиной.[2][3]

Вывод

Деннард отмечает, что размеры транзисторов могут увеличиваться на -30% (0,7x) при каждом технологическом поколении, тем самым уменьшая их площадь на 50%. Это уменьшит задержки в цепи на 30% (0,7x) и, следовательно, повысит рабочую частоту примерно на 40% (1,4x). Наконец, чтобы сохранить постоянное электрическое поле, напряжение снижается на 30%, энергия снижается на 65%, а мощность (при частоте 1,4 раза) - на 50%.[примечание 1] Следовательно, в каждом поколении технологий, если плотность транзисторов удваивается, схема становится на 40% быстрее, а энергопотребление (с удвоенным количеством транзисторов) остается прежним.[4]

Связь с законом Мура и производительность вычислений

Закон Мура говорит, что количество транзисторов удваивается примерно каждые два года. В сочетании с масштабированием Деннарда это означает, что производительность на ватт растет еще быстрее, удваиваясь примерно каждые 18 месяцев. Эту тенденцию иногда называют Закон Куми. Первоначально Куми предложил коэффициент удвоения в 1,57 года.[5] (несколько быстрее, чем период удвоения по закону Мура), но более поздние оценки показывают, что это замедляется.[6]

Разбивка шкалы Деннарда около 2006 г.

Дальнейшая информация: MOSFET § Масштабирование

Динамическое (коммутационное) энергопотребление КМОП схем пропорционально частоте.[7]Исторически сложилось так, что снижение мощности транзисторов, обеспечиваемое масштабированием по Деннарду, позволяло производителям резко повышать тактовые частоты от одного поколения к другому без значительного увеличения общего энергопотребления схемы.

Примерно с 2005–2007 гг. Масштабирование Деннарда, похоже, перестало работать. По состоянию на 2016 год количество транзисторов в интегральных схемах все еще растет, но результирующие улучшения производительности являются более постепенными, чем ускорение в результате значительного увеличения частоты.[2][8] Основная причина поломки заключается в том, что при небольших размерах утечка тока создает большие проблемы, а также вызывает нагрев микросхемы, что создает угрозу тепловой разгон и, следовательно, еще больше увеличивает затраты на энергию.[2][8]

Нарушение масштабирования Деннарда и, как следствие, невозможность значительного увеличения тактовых частот заставили большинство производителей процессоров сосредоточиться на многоядерные процессоры как альтернативный способ повышения производительности. Увеличение количества ядер приносит пользу многим (хотя и не всем) рабочим нагрузкам, но увеличение количества активных коммутационных элементов из-за наличия нескольких ядер все же приводит к увеличению общего энергопотребления и, следовательно, к ухудшению Рассеивание мощности процессора вопросы.[9][10] Конечным результатом является то, что только некоторая часть интегральной схемы может фактически быть активной в любой данный момент времени без нарушения ограничений мощности. Оставшаяся (неактивная) область называется темный кремний.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Активная мощность = CV2ж

Рекомендации

  1. ^ Деннард, Роберт Х .; Gaensslen, Fritz; Ю, Хва-Ниен; Rideout, Лев; Бассоус, Эрнест; ЛеБлан, Андре (октябрь 1974). «Разработка ионно-имплантированных МОП-транзисторов с очень маленькими физическими размерами» (PDF). Журнал IEEE по твердотельным схемам. SC-9 (5).
  2. ^ а б c Макменамин, Адриан (15 апреля 2013 г.). «Конец масштабирования Деннарда». Получено 23 января, 2014.
  3. ^ Streetman, Бен Дж .; Банерджи, Санджай Кумар (2016). Твердотельные электронные устройства. Бостон: Пирсон. п. 341. ISBN  978-1-292-06055-2. OCLC  908999844.
  4. ^ Боркар, Шехар; Чиен, Эндрю А. (май 2011 г.). «Будущее микропроцессоров». Коммуникации ACM. 54 (5): 67. Дои:10.1145/1941487.1941507. Получено 2011-11-27.
  5. ^ Грин, Кэти (12 сентября 2011 г.). "Новый и улучшенный закон Мура: согласно" закону Куми "каждые полтора года удваивается эффективность, а не мощность". Обзор технологий. Получено 23 января, 2014.
  6. ^ http://www.koomey.com/post/153838038643
  7. ^ «Энергопотребление CMOS и расчет CPD» (PDF). Инструменты Техаса. Июнь 1997 г.. Получено 9 марта, 2016.
  8. ^ а б Бор, Марк (январь 2007 г.). "30-летний ретроспективный анализ бумаги Dennard's MOSFET Scaling Paper" (PDF). Общество твердотельных схем. Получено 23 января, 2014.
  9. ^ Эсмаилзеда, Хади; Блем, Эмили; Санкт-Аман, Рене; Санкаралингам, Картикеян; Бургер, Дуг (2012). «Темный кремний и конец многоядерного масштабирования» (PDF).
  10. ^ Хруска, Джоэл (1 февраля 2012 г.). «Смерть масштабирования ЦП: от одного ядра к многим - и почему мы все еще застреваем». ExtremeTech. Получено 23 января, 2014.