Как веревочке не виться, …

Несколько лет назад Intel штурмовала вершины тактовых частот, в обиходе были цифры 10 ГГц и выше. В начале прошлого года снизили планку до 4-:-5 ГГц. Но прошел год, пропали упоминания о 5, и только фанаты вспоминают о 4 ГГц. С некоторого времени существует тенденция, когда максимальная тактовая частота процессоров с переходом на более тонкие тех. процессы, по крайней мере, не растет. Это наглядно видно из таблицы 1.

Таблица 1.

 

1	ГОД	1993	1995	1997	1999	2001	2003	2005	2007	2009
2	Технология мкм	0,5	0,35	0,25	0,18	0,13	0,09	0,065	0,045	0,032
3	Длина канала нм	-	-	120	90	70	45	35	30	15
4	Макс. тактовая частота процессора  МГц /Модель	200/ Pentium 200	450/ Pentium Pro	1000/Pentium III	2000/ Pentium4 2,0	3400/ Pentium 4 3,4	3800/ Pentium 4 571	3800/ Pentium 4 673	3160*/ Penryn Quad-Core Xeon DP X5460	<3000 Прогноз
5	Время переключения τ (псек)	10 нс	5,5 нс	250	125	65	23	12	9	<5
6	Макс. частота помехи fмакс ГГц	-	2	4	8	15	43	83	>100	>200
7	Скважность Tмин/τ	-	4	4	4	4,5	11	21	35	>60

В таблице 1 приведены: данные по развитию тех. процессов – строка 2,
длина канала КМОП-транзистора по годам (из разных источников) – строка1,
максимальные тактовые частоты, достигнутые процессорами на этих тех. процессах – строка 4.
Время переключения дано ориентировочное, совпадающее в порядке величины, поскольку кроме длины канала (строка 3) оно определяется чисто технологическими характеристиками, которые производителями не оглашаются – строка 5.
Временем переключения определяется частота верхней границы генерируемого спектра помех (fгр=1/τ) - строка 6.
Строка 7 – скважность, в данном случае импульсов самоиндукции на фронтах импульсов, которая характеризует отношение периода следования импульса с максимальной частотой следования (например, синхронизации) к длительности фронта импульса. Она характеризует во сколько раз мощность помехи меньше при тактовой частоте процессора, чем при частоте, которую в принципе позволяет иметь быстродействие процессора.
* - тактовая частота процессора по 45 нм тех. процессу не превысит максимум, достигнутый на 65 нм, и прогнозируется не выше чем 3,2-:-3,4 ГГц.

Если на начальных этапах развития технологии тактовые частоты процессоров росли, согласно известным закономерностям – пропорционально уменьшению площади транзистора, то уже при переходе с 130нм на 90нм тех. процесс прирост тактовой частоты непропорционален, а при переходе с 90нм тех. процесса к 65 нм прироста вообще не было.

Это бросается в глаза.

Еще одно явное подтверждение сказанного, Intel была вынуждена сообщить о снятии из своих планов производства процессора Pentium 4 с тактовой частотой 4ГГц. Это сделано не только по причине тепловыделения, но и из-за их нестабильной работы.

Именно по этой причине вместо повышения тактовой частоты для увеличения скорости вычислений производители применили известный способ повышения производительности, используемый в серверах. Это параллельное вычисление на нескольких процессорах или многоядерных процессорах, что иногда является полным аналогом многопроцессорных серверов. Пока ядер 2, 4.

И как предел стремления повысить производительность, это 80 ядерный чип представленный Intel осенью прошлого года. Он представляет собой 32-битный процессор, содержащий 100 млн. транзисторов, с рабочим напряжением питания 0,95В, работающий на частоте 3,16 ГГц и демонстрирующий производительность 1,01 триллиона операций над числами с плавающей запятой в секунду (терафлоп) и потребляет 98 Вт. После поднятия тактовой частоты до 4ГГц производительность возросла до 1,28 терафлоп, а мощность превысила 120 Вт.

Много ядер это выход?

На какое-то время да, поскольку разбиение информации на потоки и одновременная их обработка позволяет увеличить пропускную способность нашего узкого места – процессора. Так что же, на смену гигагерц придет число ядер? 2, 4, 8, 16, … 80 .. и дальше? Нет, конечно, увеличение числа ядер тоже требует расхода вычислительных ресурсов и времени по разбиению, синхронизации вычислений и сведение результатов вычислений в единый блок. Именно поэтому четырех ядерный процессор имеет меньше чем двухкратный выигрыш в производительности над двух ядерным. С ростом числа ядер этих непроизводительных затрат будет больше и эффект от применения множества ядер пропадет.
Не следует забывать, серверные решения требуют больших объемов оперативной памяти.

Помехи, генерируемые процессором как один из факторов ограничивающих тактовую частоту процессоров.

Одна из причин нестабильности Pentium 4 на частоте 4ГГц и роста тепловыделения описана в серии статей на сайте http://electrosad.narod.ru/ ссылки на которые приведены в конце статьи.

Коротко изложу суть явления.

Помехи в цепях питания микросхем известны, это явление всегда рассматривалось с точки зрения помехоустойчивости узлов выполненных на быстродействующих интегральных микросхемах. Но одно дело телега, а совсем другое современный автомобиль, это совсем другой уровень технологий.

Явление на чипах с сотнями миллионов ключей, каждый из которых имеет быстродействие на много порядков большее приобрело качественно новое значение. Изменился не только уровень помехи, но она приобрела еще и энергетическую составляющую, расширился спектральный диапазон. Старыми методами проблема стала нерешаема.

На процессоре IntelCeleron 500 (старшем в ряду) с ядром Mendocino и выполненном на 180 нм тех. процессу, по причине специфического подключения, был обнаружен тепловой эффект создаваемый генерируемыми процессором помехами, поскольку их мощность превысила 2-5Вт. Он выражался в повышенном тепловыделении на оксидных конденсаторах фильтра, последние в итоге просто потеряли герметичность. В процессе работ обнаружено и повышение температуры процессора эквивалентное выделению порядка 3 Вт на корпусе самого процессора. Все это было в 1998-99 году. Тогда же было найдено решение, позволяющее снизить энергетическое влияние помех на процессор и цепи его питания.

Все это описано в патенте России №2231899 "Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем".

Прошло пять лет с момента подготовки материалов по патенту и более семи лет с начала проработки физики генерации помех процессорами. Результат этого названный выше патент, полученный в 2004 году, модернизация десятка системных плат с постоянным положительным эффектом, несколько публикаций и этот сайт созданный в мае 2006 года. В первой версии сайта планировалось посвятить его только освещению физики помех генерируемых чипами процессоров и подобными им микросхемами и ограничениями, накладываемыми этим явлением на дальнейшее развитие процессоров.

В разделе сайта «Процессор и ...» в подборке статей, выполненных еще при работе над заявкой на патент, изложены эти ограничения и рассмотрены перспективы развития процессоров.

Кратко результаты рассмотрения этих вопросов сводились к следующему:

1. Закон Мура, это чисто рекламная акция Intel с целью привлечь внимание к своей продукции и к себе. Никакого отношения к законам в общепринятом понимании не имеет в силу его постоянной корректировки.

2. Процессор является мощным генератором помех, верхняя граница которых определяется быстродействием элементарного транзистора (его размером - техпроцессом) образующего его структуру.

3. Снижение размера транзистора процессора ограничено:

   1. Чисто технологическими сложностями, влияющими на стабильность и повторяемость структур процессоров.

   2. Физическими закономерностями, ограничивающими минимальные размеры КМОП транзистора.

   3. Помехами, генерируемыми процессорами. Верхняя граничная частота, которых растет со снижением технологических норм. Что в свою очередь приводит к саморазогреву структуры процессора.

4. Максимальная тактовая частота процессора ограничена максимальной частотой и мощностью генерируемых им помех, как с точки зрения помехоустойчивости, так и тепловыделения.

Как описанное на сайте и выше влияет на процессоры при переходе на более тонкие технологии и что нам ждать?

Развитие технологий идет по пути уменьшения размеров КМОП ключей, поскольку это позволяет повысить их плотность на кристалле и снизить потребляемую мощность ключа. В результате уменьшения размера ключа растет его быстродействие, но это побочный эффект поскольку реализовать его в имеющихся решениях невозможно.

Практика показывает что, не смотря на снижение мощности потребляемой единичным ключом, при снижении его размеров, суммарная мощность тепловыделения (TDP) на кристалле не падает. Это объясняется, в том числе, аппетитом проектировщиков, приводящим к росту их числа.

Новые тех. процессы, увеличивают частоту генерируемых процессором помех.

Не будем здесь вдаваться в конструкции применяемых транзисторов, для рассматриваемого явления это несущественно. Главное, что в любой конструкции со снижением размера транзисторов (длины канала) растет их быстродействие (снижается время переключения) и одновременно расширяется полоса частот, занимаемая помехами (Δf=1/τ) и повышается частота верхней границы спектра помех.

f_гр=1/τ

Повышение быстродействия (снижение времени переключения) позволяют, вроде бы, так же повысить тактовую частоту процессоров, но ее рост остановился на частоте 3800 МГц еще на техпроцессе 0,9 мкм (обратите на это внимание).

Причем с ростом их частоты большая часть именно высокочастотных составляющих помех не выходит за пределы процессора и проявляется очень слабо, поскольку отсекаются паразитной индуктивностью соединительных линий - проводников. Для частот помех характерных для последних моделей процессоров даже их малая индуктивность имеет достаточно большое индуктивное сопротивление. Их оставшаяся в процессоре мощность теряется во внутренних соединениях, поглощается в виде потерь в диэлектрике изоляции проводников, поглощается в легированных областях полупроводника активных элементов. Они также через емкостные связи наводится на сигнальные цепи. Чем больше эта мощность, тем больше наводимое на сигнальные цепи напряжение и тепловыделение в процессоре. Потому для ее снижения приходится снижать тактовую частоту процессора.

Во всех публикациях пока рассматривается только влияние технологических факторов на рост тактовой частоты процессора и физические ограничения на параметры КМОП-транзистора.

Еще в 1999-2002 году я предсказывал ограничения тактовой частоты, накладываемые ВЧ помехами, генерируемыми процессорами в цепях питания. Начиная с техпроцесса 90 нм, их влияние начинает преобладать. А на тех. процессе 45 нм частоты помех таковы, что длина их волны меньше линейного размера кристалла. Это, несомненно, за счет резонансных явлений усилит поглощение их энергии в кристалле и снизит помехоустойчивость процессоров.

На многоядерных процессорах описанные выше проблемы проявятся во всей своей красе. Поскольку, в силу специфики работы, ядро является наиболее сильным источником тепловыделения и генерируемых процессором помех, а в многоядерных процессорах суммарное количество КМОП-транзисторов работающих с максимальной тактовой частотой (в ядрах), растет пропорционально количеству последних.

Новые процессоры, изготовленные по технологии 45 нм.

В начале года говорилось о тактовых частотах процессора для настольных ПК в диапазоне 3,2 – 3,6 ГГц ("Penryn и Nehalem - что ждать от будущих процессоров Intel?" ZnipeR — 29.03.2007 17:11:01) и серверных процессорах выше 3ГГц.

По последним данным, циркулирующим в Интернет, Intel пока планирует к выпуску новые серверные процессоры Xeon, построенные на основе ядра Penryn выполненные по 45 нм тех. процессу. Свет увидят,по крайней мере, семь моделей Xeon. Все процессоры получат четыре ядра и 12 Мб кэш-памяти второго уровня. Наиболее мощный из готовящихся к выпуску чипов, Xeon X5460, будет работать на тактовой частоте 3,16 ГГц, а его максимальное значение рассеиваемой тепловой энергии (TDP) составит 120 Вт. Хотя есть данные, что Intel планирует довести тактовую частоту до 3,33 ГГц при TDP 130 Вт.

Кроме того, 11 ноября, как ожидается, свет увидят шесть процессоров Xeon с TDP, равным 80 Вт. Тактовая частота моделей Xeon E5405, E5410, E5420, E5430, E5440 и E5450 будет составлять 2,0 ГГц, 2,33 ГГц, 2,5 ГГц, 2,66 ГГц, 2,83 ГГц и 3,0 ГГц, соответственно.

Пока планируется выпуск именно серверных процессоров Xeon, которые в некоторой мере защищены от генерируемых им помех и более устойчивы на максимальных производительностях. В них приняты некоторые меры по защите от генерируемых помех распространяющихся по цепям питания.

Некоторые данные по процессорам Xeon приведены в Л.7. Аналогичный опыт был и у AMD, на процессоре AthlonXP с ядром Thoroughbred-B. Тогда только применение фильтрации в линиях распределения питания, несколько отличающейся от Xeon, позволило повысить тактовую частоту и производительность.

О выпуске процессоров для ПК конкретной информации пока нет, а планы Intel по их выпуску, насколько известно, первая половина 2008 года.

Как видим, на тех. процессе 45 нм даже для серверных процессоров, начинается снижение тактовой частоты самого скоростного процессора Xeon X5460 до 3160 МГц при росте TDP.

Можно прогнозировать уже на тех. процессе 32 нм дальнейшее снижение тактовой частоты менее 3,0 ГГц.

На мой взгляд, есть большая вероятность, что без принятия специальных мер при проектировании чипа, тактовая частота процессора возможно буден еще ниже, чем прогнозируется.

Да и выбор производителей в пользу многоядерной архитектуры красноречиво говорит, что они не видят возможности повысить производительность процессора, повышая тактовую частоту. А частота 4ГГц иногда все еще всплывает в  сети, похоже она так и осталась желанной целью для Intel.

Похоже провозглашаемые, без должных оснований, гигагерцы тактовых частот были тоже рекламной акцией. А реклама и продвижение продукции сейчас является частью стратегии удержания ранка. И, похоже, это стимулирует несбыточные обещания.

Что нам ждать дальше?

Производители уже трудятся над освоением 32 нм тех. процесса, но одно дело освоение сверх стабильных технологических процессов. Литографии в коротковолновом ультрафиолете, химия новых материалов, сверх стабильных и качественных технологических помещений с полной автоматизацией и связанные с ними процент выхода годных чипов.

С другой стороны множество проблем предсказуемых и пока неизвестных с работой самих чипов возникают и еще возможно возникнут при работе новых чипов в составе всего комплекса узлов ПК.

Пока просматриваются:

Саморазогрев чипов обусловленный поглощением помех СВЧ диапазона генерируемых процессором в процессе работы.

Ограничения на тактовую частоту процессоров, на тонких техпроцессах, уже накладывают и алгоритмы вычислений, как с точки зрения тепловыделения, так и генерации помех, что в свою очередь приводит к саморазогреву. Уже доказано, алгоритмы работы ПО существенно влияют на характер и мощность помех.

В связи с локальностью тепловыделения ограниченного областями узлов процессора с максимальными тактовыми частотами (ядрами) и малыми объемами структур, новые процессоры должны быть более критичны к разгону и требовательны к охлаждению при тех же TDP, для сохранения надежности.

Поэтому с большой вероятностью возможности разгона новых процессоров будут заблокированы.

На быстродействующих чипах могут так же возникать проблемы с синхронизацией сигналов передаваемых по параллельным шинам. Выход только один, переход на скоростные последовательные шины.

Похоже, при массовом внедрении и применении новых процессоров выявятся и другие проблемы у разработчиков и производителей системных плат. А нам придется мириться с некоторыми пока не решенными проблемами.

Не пора ли оглянуться назад и использовать наработанные многими годами знания. Для этого нужны минимальные изменения подходов к проектированию процессорных структур нельзя достичь максимальных тактовых частот, но частоты много большие 4ГГц это вполне достижимая цель.

Остановился рост тактовых частот процессоров, рано или поздно станет неэффективно наращивать количество ядер. За счет чего будет наращиваться производительность, и зарабатывать Intel?

Новые архитектуры тоже не способны существенно улучшить производительность.

Похоже, какое-то время разработчики будут подбираться «потерянные крошки» разных школ, идеи на которые по какой либо причине не обратили должного внимания. В общем, все, что хоть как-то позволит улучшить характеристики.

Ну а дальше…

P.S.

По сообщениям прессы IBM провела тесты новых процессоров Power6 выполненных по технологии 65 нм. Тестирование показало почти двухкратное повышение производительностичипа Power6 4,7 ГГц (4 Мб L2, 32 Мб L3) по сравнению с Power5+ 2,2 ГГц. Заявлен ряд чипов с частотой 3,5, 4,2 или 4,7 ГГц. Пока нет данных о структуре чипов, поэтому рано обсуждать, что позволило повысить тактовые частоты процессора. Можно сказать одно потенциал 65 нм тех. процесса около 10 ГГц. Поэтому нет проблемы, приняв известные меры, повысить его тактовую частоту до 5 ГГц.

 

Ссылки:

1. Механизм генерации помех.

2. Что ограничивает разгон процессоров?

3. Почему Pentium 4 так и не достиг 4 ГГц?

4. Дополнительная информация о процессоре.

5. Техпроцессы часть 1 и 2,

6. Патент №2231899 "Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем"

7. Влияние параметров генератора помех на эффективность их фильтрации.

8. Первый "закон" Мура.