Масштабирование Деннарда - Dennard scaling
Масштабирование Деннарда , также известное как масштабирование MOSFET , представляет собой закон масштабирования, который примерно гласит, что по мере уменьшения размеров транзисторов их плотность мощности остается постоянной, так что потребление энергии остается пропорциональным площади; как напряжения и тока шкала (сверху вниз) с длиной. Закон, первоначально сформулированный для полевых МОП-транзисторов , основан на статье 1974 года, в соавторстве с Робертом Х. Деннардом , в честь которого он назван.
Вывод
Деннард отмечает, что с каждым поколением технологий:
1. Размеры транзистора можно масштабировать на –30% (0,7x). Одновременно это имеет следующие эффекты:
- Их площадь уменьшается на 50%, так как площадь в длину умножается на ширину .
- Чтобы электрическое поле оставалось постоянным, напряжение V снижается на 30% (0,3x), потому что напряжение умножается на длину поля .
- Задержки схемы уменьшаются на 30% (0,7x), потому что время больше скорости, чем длина .
2. Вышеуказанные эффекты, в свою очередь, приводят к изменениям емкости и выбранной частоты:
- Уменьшение задержки на 30% позволяет увеличить рабочую частоту f примерно на 40% (1,4x), потому что частота изменяется с задержкой на единицу .
- Уменьшение всех расстояний на 30% и соответствующее уменьшение площадей на 50% приводит к уменьшению емкости C на 30% (0,7x), потому что емкость изменяется в зависимости от площади на расстоянии .
3. Потребляемая мощность, в свою очередь, снижается на 50%, так как активная мощность составляет CV 2 f.
Таким образом, в каждом поколении технологий площадь и потребление энергии уменьшаются вдвое. Другими словами, если плотность транзисторов удваивается, энергопотребление (с удвоенным количеством транзисторов) остается прежним.
Связь с законом Мура и производительность вычислений
Закон Мура гласит, 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 (1,5 года). Эту тенденцию иногда называют законом Куми . Первоначально Куми предположил, что скорость удвоения составляет 1,57 года, но более поздние оценки показывают, что она замедляется.
Разбивка шкалы Деннарда примерно в 2006 г.
Динамическое (коммутационное) энергопотребление КМОП-схем пропорционально частоте. Исторически сложилось так, что уменьшение мощности транзисторов, обеспечиваемое масштабированием Деннарда, 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. Основная причина поломки заключается в том, что при небольших размерах утечка тока создает большие проблемы, а также вызывает нагрев микросхемы, что создает угрозу теплового разгона и, следовательно, еще больше увеличивает затраты на электроэнергию.
Нарушение масштабирования Деннарда и, как следствие, невозможность значительного увеличения тактовой частоты заставили большинство производителей процессоров сосредоточиться на многоядерных процессорах как на альтернативном способе повышения производительности. Увеличение количества ядер приносит пользу многим (хотя и далеко не всем) рабочим нагрузкам, но увеличение количества активных переключающих элементов из-за наличия нескольких ядер по-прежнему приводит к увеличению общего энергопотребления и, таким образом, ухудшает проблемы рассеивания мощности ЦП . Конечным результатом является то, что только некоторая часть интегральной схемы может фактически быть активной в любой данный момент времени без нарушения ограничений по мощности. Оставшаяся (неактивная) область называется темным кремнием .
Смотрите также
- MOSFET (для получения технической информации о масштабировании MOSFET и проблемах, которые становятся более заметными при меньших размерах)
- Закон Мура , количество транзисторов на микросхему
- Закон Куми , вычислений на джоуль
- Производительность на ватт