Защо Pentium 4 никога не достига 4 GHz

на страниците на сайта

electrosad.narod.ru

Въз основа на прогнозата на Intel за следващите години, процесорната технология се очаква да:

Транзисторите ще бъдат с размер 0,03 µm, което за сравнение е с ширина 3 атомни слоя. На дължина от един сантиметър могат да се поставят 12 милиона транзистора, като размерът на един транзистор ще бъде 100 000 пъти по-малък от дебелината на лист тишу.
Транзисторите ще работят на честота 10 GHz.
Тези транзистори ще формират ядрото на следващото поколение процесори на Intel, което е около 10 пъти по-интегрирано от днешните най-модерни процесори Pentium 4. За информация: бъдещите микропроцесори ще имат 400 милиона или повече транзистора, работещи на тактова честота от 10 GHz, и захранващо напрежение на ядрото по-малко от 1 V. Произвежданият днес Pentium 4 се състои от 42 милиона транзистора, работещи на честота 1,3. 1.5 GHz, захранващо напрежение - 1.7 V.
Консумирайки 1 V или по-малко, процесорите от следващо поколение ще консумират значително по-малко енергия от днешните процесори. Така те могат лесно да черпят енергия от батерии и акумулатори и да се използват в лаптопи и PDA устройства.

През цялото това време технологията върви напред и техните постижения от Intel са показани в таблицата по-долу:

Изминаха 3 години от издаването на прогнозата, появи се процесор, направен по 90 nm технология, и какво постигна?

Това са спецификациите наPentium 4 571 върху ядротоPrescottна най-бързия Pentium 4. В пресата имаше информация, че Intel не може да го доведе до 4 GHz, последвано от официално изявление на Intel за отказа да пусне 4 GHz процесор.Светна съобщение, че това се дължи на нестабилната работа на процесора.

Процесорът на Intel не отиде по-далеч, за да увеличи капацитета на кондензаторите.

И така, какво става с Intel?

Скоростта на транзисторите.

Тук няма да давам формули, описващи зависимостта на скоростта на транзисторите, формиращи CMOS ключ. Можете да прочетете за това в други материали на сайта и да видите [SL 6] .

Известно е, че скоростта на процесора се определя от скоростта на превключване на съдържащите се в него транзистори. И скоростта на MOS транзисторите, формиращи CMOS ключове, се определя от дължината на транзисторния канал.

Те са свързани със следната връзка:

„Честотата на прекъсване на MIS транзистора е обратно пропорционална на квадрата на дължината на канала.“

На канал с дължина 50 nm (технология на процеса 90 nm) времето за превключване е десетки пикосекунди. това означава, че честотата на превключване на такъв MOS транзистор е много по-висока от 10 GHz.

Знаещите ще кажат, но производителността се определя и от товароносимостта на ключа.

Да, и то много значимо. Но нашата задача не е да определим времето за превключване, а да идентифицираме тенденцията. И тенденцията за промяна на тази товароносимост при прехода към по-фини технически процеси е нейното намаляване. Тъй като капацитетът на кондензатора се определя от площта на неговите електроди и при преминаване към по-тънка технология на процеса площта намалява (приблизително два пъти за всяка стъпка), този компонент трябва да намали наполовина въздействието върху производителността.

По същия начин скоростта на превключване на MOS транзистора се удвоява приблизително при превключване от една технологична технология към друга поради скъсяването на канала на транзистора.

В резултат на това при преминаване към по-фини технически процеси в съответствие със съществуващия диапазон за всеки етап скоростта трябва да се увеличи приблизително два пъти.

Но, виждаме, това не се случва, вижте таблица 1.

С прехода от 180 към 130 nm технологичен процес, тактовата честота се увеличи с 1,7 пъти. И от 130 до 90 nm - с 1,11 пъти, честотата от 4 GHz едва ли ще бъде достигната при прехода към 65 nm технологичен процес, без да се променя подходът на проектиране. Общото увеличение е само 1,9 пъти. Това е въпреки факта, че скоростта на транзисторите се е увеличила с повече от 7 пъти.Тогава каква е причината?

Причината на първо място е, че не се отчита влиянието на други фактори.

Един от основните фактори е ефектът от шума, разпространяващ се през веригите за разпределение на мощността на процесора. Тази намеса се генерира от самия процесор при превключване на CMOS клетки, които са основният елемент, формиращ логическата структура на процесорните възли. Смущението се генерира от импулсните презареждащи токове на паразитните капацитети, които натоварват дадения CMOS елемент. Въпреки факта, че е доста малък, броят на ключовете за синхронно превключване е голям (най-новите процесори имат около 300 милиона транзистора). Токовите импулси на тяхното презареждане върху индуктивността на захранващите линии на процесора (която въпреки малкия си размер съществува) и генерира шум. Мощността му може да достигне 25% от мощността, консумирана от процесора. И f gr (високочестотната граница на генерираната интерференция) е толкова по-висока, толкова по-висока е скоростта на транзисторите.

Изглежда, че всички са наясно с тяхното съществуване. много кондензатори на процесори демонстрират опити за решаване на този проблем.

Подходът на AMD към проблема.

Изправена пред това явление, тя пусна процесора AMD AthlonXP с ядро Thoroughbred - B [SL.18], където беше направен опит да се намали влиянието на шума, генериран от процесора директно в кристала, чрез въвеждане на допълнителен меден слой a всамото ядро имаше допълнителни кондензатори, добавени за борба с електромагнитните смущения. (AMD третира явлението като електромагнитни смущения.) Когато генерираните от него смущения се наслагват върху линиите за разпределение на захранването, върху чипа може да възникне явление, подобно на смущения, което ни очаква с по-нататъшно увеличаване на скоростта на процесора.

В резултат на прехода към по-тънки технологии fgr само ще расте, като реалните времена на превключване вече надхвърлят 10 GHz. Оказва се, разбира се, че не е намеса. За да съществува, размерът на кристала (сега около 11 mm), където тези смущения се разпространяват по линиите за разпределение на мощността, трябва да бъде по-малък от няколко дължини на вълната на честотата на смущението. Това е честота от порядъка на стотици гигахерци.

Но дори и това решение на AMD доведе до значително подобрение в производителността на процесора.

Това доведе до увеличение на действителната тактова честота от 14,4% на 26% с увеличение на разсейването на топлината само със 7,9% и увеличение на площта на матрицата с 5%. В същото време, поради увеличаването на физическата тактова честота на шината до 166 MHz, реалната производителност се увеличи от 17,6% на 27,2%, като в действителност се запази структурата на процесора AthlonXP с ядрото Thoroughbred.

Intel също сложи кондензатори на процесора Xeon.

Но проблемът не може да се реши с подобни атаки.

Проектирането на процесорите трябва да се извършва, като се вземе предвид влиянието на шума, генериран от тях, което, с прехода към по-фини технологии, все повече определя режима на работа на феномена на процесора.

Сблъсквайки се с това явление, Intel показа своето неразбиране на проблема и резултатът беше отказът да достигне честотата от 4 GHz с процесора Pentium 4. Въпреки че не е цялостно решение на проблема, а само частично, което AMD изпълни (вижте в текста), може да направи възможно постиганетозададена честота.

Такава е цената на неразбирането!

Необходимо е да се промени подходът към проектирането на кристали на съвременните процесори.

Така че защо Pentium 4 не достигна 4 GHz?

Мисля, че тези технически причини и забавяния в изпълнението на плановете (които нарушават сроковете, определени от закона на Мур) са резултат от факта, че през годините на монопол на пазара на процесори Intel се превърна от пионер в индустрията (поне те самите така казаха) в майстор, работещ по шаблони и шаблони. Дори последното решение на проблема с диелектрика на затвора се появи повече по инерция, отколкото в резултат на обмислена научна работа, обмислена за години напред.

Изглежда, че процесорите в Intel са ангажирани в изолирано подразделение (и това също допринася за стагнация), а в регионалните офиси и центрове за научноизследователска и развойна дейност (изследователска и развойна дейност) те се занимават само с популяризиране на своите продукти и разработване на неизвестен (изобщо не свързан с производството на процесори) софтуер (може би всички сили на Intel са хвърлени да задържат своя дял от пазара на сървъри?). Както и да е, невъзможно е да се свържете с отдела за процесори, дори чрез московския офис.

И постоянните забавяния, и недостатъчното използване на възможностите на съществуващите кристали, и невниманието към оригиналните решения - всичко това е резултат от стагнация (застой) в компанията. Това е причината да не се реши проблемът в заглавието, но не въобще технически проблеми.