Чому Pentium 4 так і не досяг 4 ГГц
на сторінках сайту
electrosad.narod.ru
Виходячи з прогнозу фірми Intel на наступні роки в технології процесорів очікується:
- Транзистори матимуть розміри 0,03 мкм, що порівняння становить ширину 3-х атомних шарів. На довжині в один сантиметр можна розташувати 12 млн. транзисторів, а розмір одного транзистора буде в 100 000 разів менший за товщину листа цигаркового паперу.
- Транзистори функціонуватимуть на частоті 10 ГГц.
- На цих транзисторах буде створено ядро наступних поколінь CPU від Intel, що є приблизно в 10 разів більш інтегрованим, ніж найбільш просунуті на сьогоднішній день процесори Рentium 4. ГГц, і напруга живлення ядра менше 1 В. Рентіум 4, що випускаються сьогодні, складаються з 42 млн. транзисторів, що працюють на частоті 1,3. 1,5 ГГц, напруга живлення – 1,7 В.
- Споживаючи 1 або менше, CPU наступного покоління споживатимуть значно менше енергії, ніж сьогоднішні процесори. Таким чином, вони можуть легко черпати енергію з батарей і акумуляторів і використовуватися в ноутбуках і КПК.
Весь цей час технології рухалися вперед, і їх досягнення від Intel показані в таблиці нижче:
Пройшло 3 роки з моменту видачі прогнозу, з'явився процесор виконаний за техпроцесом 90 нм і чого він досяг?
Це характеристикиPentium 4571 на ядріPrescottнайбільш швидкодіючого з Pentium 4 . У пресі була інформація про те, що Intel не вдається вивести його на 4 ГГц, за цим була офіційна заява Intel про відмову від випуску 4 ГГц процесора.Миготіло повідомлення, що це у зв'язку з нестійкою роботою процесора.
Далі нарощування ємності конденсаторів на процесорі Intel не пішла.
Так у що вперлася Intel?
Швидкодія транзисторів.
Не буду тут наводити формули, що описують залежність швидкодії транзисторів, що утворюють КМОП ключ. Про це ви можете прочитати в інших матеріалах сайту і дивіться [SL 6] .
Відомо - швидкість роботи процесора визначається швидкістю перемикання транзисторів, що містяться в ньому. А швидкодія МОП транзисторів, що утворюють КМОП, ключі визначаються довгою каналу транзистора.
Їх пов'язує таке співвідношення:
"Гранична частота МДП-транзистора, обернено пропорційна квадрату довжини каналу."
На каналі довжиною 50 нм (90 нм техпроцес) час перемикання становить десятки пікосекунд. отже частота перемикання такого МОП транзистора набагато більше 10 ГГц.
Знаючий скаже, але швидкодія визначається ще й ємністю навантаження ключа.
Та й дуже суттєво. Але наше завдання не визначити час перемикання, а виявити тенденцію. А тенденція зміни цієї ємності навантаження під час переходу більш тонкі техпроцеси - її зниження. Оскільки ємність конденсатора визначається площею його електродів, а при переході на більш тонкий техпроцес відбувається зниження площі (на кожну сходинку приблизно вдвічі) то ця її складова повинна вдвічі знижувати вплив на швидкодію.
Аналогічно приблизно вдвічі підвищується швидкість перемикання МОП транзистора при переході з одного техпроцесу в інший за рахунок укорочення каналу транзистора.
В результаті при переході на більш тонкі техпроцеси відповідно до існуючого ряду на кожний ступінь швидкодія повинна зростати приблизно вдвічі.
Але, бачимо, цього відбувається см таблицю 1.
При переході від 180 до 130 нм техпроцесу тактова частота зросла в 1,7 рази. А від 130 до 90 нм – в 1,11 рази, навряд чи буде досягнуто частоти 4 ГГц при переході до 65 нм техпроцесу, без зміни підходу до проектування. Загальне зростання склало лише 1,9 раза. Це не дивлячись на те, що швидкодія транзисторів зросла більш ніж у 7 разів. Так у чому ж причина?
Причина насамперед у тому, що не враховуються впливи інших факторів.
Одним з головних факторів є вплив поширених по ланцюгах розподілу живлення процесора перешкоди. Ця перешкода генерується самим процесором при перемиканні КМОП осередків, що є основним елементом, що утворює логічну структуру вузлів процесора. Перешкода генерується імпульсними струмами перезаряджання паразитних ємностей, що навантажують даний КМОП елемент. Хоча вона досить мала, кількість синхронно перемикаються ключів велика (останні процесори мають близько 300 мільйонів транзисторів). Імпульси струму їхньої перезарядки на індуктивності ліній розподілу живлення процесора (яка не дивлячись на його малий розмір існує) і генерує перешкоду. Її потужність може досягати 25% від потужності споживаної процесором. А f гр (високочастотна межа перешкод, що генеруються) тим вище, чим вище швидкодія транзисторів.
При цьому всі начебто знають про їхнє існування. Багато конденсаторів на процесорах демонструють спроби вирішити цю проблему.
Підхід до проблеми компанії AMD.
Вона зіткнувшись з цим явищем випустила процесор AMD AthlonXP з ядром Thoroughbred - B [SL.18], де зроблено спробу знизити вплив генерованих процесором шумів безпосередньо в кристалі, введенням додаткового мідного шару а всаме ядро було додано додаткові конденсатори для боротьби з електромагнітною інтерференцією. ( AMD трактує явище як електромагнітну інтерференцію.) При накладення на лінії розподілу живлення генерованих ним перешкод на кристалі може виникнути явище подібне до інтерференції, що чекає нас при подальшому підвищенні швидкодії процесора.
В результаті переходу на більш тонкі технології, f гр буде тільки зростати, за реальних часів перемикання вже зараз перевищує 10 ГГц. Виходить, звичайно, не інтерференція. Для її існування розмір кристала (зараз близько 11 мм), де по лініях розподілу живлення поширюється ці перешкоди має бути меншим за кілька довжин хвиль частоти перешкоди. Це частота близько сотні гігагерц.
Але це рішення AMD призвело до істотного поліпшення характеристик процесора.
Що виразилося у збільшенні фактичної тактової частоти від 14,4% до 26% зі збільшенням тепловиділення лише з 7,9% і збільшення площі кристала на 5%. При цьому ще за рахунок збільшення фізичної тактової частоти шини до 166 МГц реальна продуктивність зросла від 17,6% до 27,2% при фактичному збереженні структури процесора AthlonXP з ядром Thoroughbred.
Intel також ставила на процесор Xeon конденсатори.
Але проблему такими наскоками не вирішити.
Проектування процесорів треба проводити з урахуванням впливу перешкод, що генеруються ним, цього, з переходом на більш тонкі технології, дедалі більше визначального режиму роботи процесора явища.
Зіткнувшись із цим явищем Intel показала своє нерозуміння проблеми, а результатом стала відмова від досягнення частоти 4ГГц процесором Pentium 4 . Хоча не комплексне вирішення проблеми, а лише часткове, яке виконала AMD (див. у тексті) могло дозволити досягтизаданої частоти.
Така ціна нерозуміння!
Потрібно змінювати підхід до проектування кристалів сучасних процесорів.
То чому Pentium 4 не досяг 4 ГГц?
Я думаю, ті технічні причини і затримки з виконанням планів (які зривають терміни встановлені "законом" Мура) є результат того, що з плином багатьох років монополізму на ринку процесорів Intel перетворилася з першопрохідника галузі (принаймні так говорили вони самі) в ремісника трудящого за шаблонами та трафаретами. Навіть останнє вирішення проблеми діелектрика затвора відбулося швидше за інерцією, ніж у результаті продуманої на роки наукової роботи.
Схоже процесорами в Intel займається ізольований підрозділ (і це так само сприяє застою), а в регіональних офісах і центрах R&D можливо всі сили Intel кинуті на утримання їхньої частки ринку серверів?). Як би там не було, але зв'язатися із процесорним підрозділом неможливо, навіть через Московський офіс.
І постійні зриви термінів, і недовикористання можливостей існуючих кристалів, і неувага до оригінальних рішень - це результат стагнації (застою) в компанії. Це і є причиною не вирішення питання винесеного в заголовок, а зовсім не технічних проблем.