Mellékleteink: HUP | Gamekapocs
Keres

A processzorokon túl: hajsza a fogyasztás csökkentéséért

Bizó Dániel, 2006. február 08. 12:00
Ez a cikk több évvel ezelőtt születetett, ezért előfordulhat, hogy a tartalma már elavult.
Frissebb anyagokat találhatsz a keresőnk segítségével:

[ExtremeTech/EETimes/HWSW] Ezen a héten került megrendezésre az idei első International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), ezúttal San Franciscóban, ahol a világ legbrilliánsabb elektronikai mérnökei gyűltek össze, hogy prezentálják és megvitassák a modern lapkák tervezésének rejtelmeit. Az egyik legaktívabb publikálóként az Intel -- mint a világ legnagyobb félvezetőgyártója -- több olyan technikát részletezett, amelyek a processzorok energiahatékonyságának növelését, valamint méretének csökkentését célozzák, amelyek ma a leginkább korlátozó tényezők a még gyorsabb, erősebb processzorok tervezésében és gyártásában.

[ExtremeTech/EETimes/HWSW] Ezen a héten került megrendezésre az idei első International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), ezúttal San Franciscóban, ahol a világ legbrilliánsabb elektronikai mérnökei gyűltek össze, hogy prezentálják és megvitassák a modern lapkák tervezésének rejtelmeit. Az egyik legaktívabb publikálóként az Intel -- mint a világ legnagyobb félvezetőgyártója -- több olyan technikát részletezett, amelyek a processzorok energiahatékonyságának növelését, valamint méretének csökkentését célozzák, amelyek ma a leginkább korlátozó tényezők a még gyorsabb, erősebb processzorok tervezésében és gyártásában.

10 gigahertzes regiszterek

Az egyik eljárás célja a processzorban található ideiglenes állapottárolók, más néven a regiszterek fogyasztásának csökkentése a sebesség párhuzamos növelése mellett. Az Intel prezentációja szerint 65 nanométeres gyártástechnológiával az eddigieknél háromszor gyorsabb kapcsolási sebességű, ugyanakkor negyedakkora fogyasztású 64-bites regisztereket fejlesztett ki. Az órajel meghaladhatja a 10 gigahertzet is. Az Intel mérnökei szerint ez példátlan az iparágban.

A mikroprocesszorokban a regiszterek, mint extrém gyors memóriák tárolják le a végrehajtóegységek közvetlen közelében a processzor aktuális állapotát, azaz ezek határozzák meg, a számításokat végző áramkörök milyen műveleteket és mely adatokon végezzenek el. Tárolják a számítások részeredményeit, valamint a memóriába való kiírás előtt az eredményeket is. A mai modern processzorok sokféle regisztert és használati metodikát ismernek, jellemzően 8-128 bit szélesek. Azt, hogy hány bitesnek nevezünk egy processzort, az határozza meg, hogy az egészpontos adatokat tároló regiszterei hány bit szélesek.

A regiszterek szélessége és sebessége tehát alapvetően befolyásolják, hogy a processzorban található végrehajtóegységek milyen hatékonysággal, végeredményben teljesítménnyel tudnak dolgozni, hiszen a regiszterekben tárolt adatok beolvasása, vagy az eredmények kiírásának lehetősége nélkül nem végezhetnek munkát. A regiszterek fogyasztása amiatt lehet érdekes, mivel ezek rendkívül nagy aktivitást mutató logikák, így a lokálisan képződő extrém hő degradálhatja a félvezető anyagok vezetési tulajdonságait. A túlzott hőtermelés szerkezeti repedéshez is vezethet, ugyanakkor a sebességben nem lehet kompromisszumot kötni.

A processzoron túl

A másik terület, ahol a világ legnagyobb félvezetőgyártója jelentős lépést készül tenni, az a processzorok tápellátásának kérdése. Ma a processzorok az alaplapról kapják a feszültséget. Az Intel mérnökeinek különféle tervezési trükkökhöz kell folyamodniuk, hogy a hatalmas gyorsítótárak, más néven a cache-ek fogyasztását féken tartsák. Ennek egyik mellékhatásaként a cache-ben alkalmazott SRAM-cellák mérete, így a szilíciumon elfoglalt helye megnő. Ez pedig drágítja a gyártást, ami egy évente több mint 200 millió chipet értékesítő vállalat esetében hatalmas pénzügyi érvágás is egyben. Így egy, a cache sűrűségét növelő eljárás kifejlesztése dollár százmilliókat is megérhet az óriásnak.

Az egyik megoldás, amellyel csökkenteni lehet a cache által elfoglalt területet, hogy a processzor nem egy, hanem két külön feszültséget kap az alaplap felől: egyet a cache, egyet pedig a processzor többi logikája részére. Az Intel állítása alapján az alacsonyabb, konstans feszültségű közvetlen tápellátás révén a cache mérete akár 35 százalékkal is csökkenhet. Tekintve, hogy a mai modern processzorok méretének nagyobb részét a cache-ek teszik ki, a méretcsökkenés 20-25 százalék is lehet. Ez éves szinten több százmillió dollár megtakarítást, azaz profitot is jelenthet, és növeli a tervezők választásainak mozgásterét, hogy adott fogyasztási és szilícium területből minél többet hozhassanak ki.

Az ötlet továbbgondolásával egy olyan tápellátás képét kapjuk, ahol minden processzormag két bemeneti feszültséget kap, így a különböző terhelésekhez, frekvenciákhoz egyedien tud igazodni. Egy kétmagos chip esetében négy, a küszöbön álló négymagos változatoknál már 8 dedikált tápvonalat kapunk, és mire az elképzelések formát öltenek, inkább a 8 és 16 magot tartalmazó megoldásoknál tartunk majd.

A dedikált áramellátás ugyanakkor tökéletesen beleilleszkedik az Intel azon elképzeléseibe, hogy a jövőben a magszám duplázása első lépcsőben mindig két különálló chip egybetokozásával történik majd, az egy lapkára integrált változatok pedig később, a gyátástechnológiai váltás előtt jelennek majd meg. Ezáltal az Intel nemcsak a piacra kerülési időt rövidíti meg, hanem hatalmas megtakarításokat és termelési rugalmasságot produkálhat, hiszen tetszőlegesen kombinálhatja az összetokozandó chipeket, attól függően, milyen terméket akar kapni. A különböző chipek pedig lényegesen eltérő jellemzőkkel rendelkezhetnek, ami a gyártási eljárás szórásának következménye. A dedikált tápellátással így mindegyik chiphez optimális feszültség rendelhető.

Ennek kezelésére új feszültségszabályzókra lesz szükség, így az Intel erőfeszítéseket tesz, hogy egy félvezetőlapkára, végeredményben a chipkészletbe integrálja az összes szabályzót, amely több tápvonalat nanoszekundumos reakcióidővel lesz képes kezelni, ráadásul átalakítási hatékonysága révén csökkenti a rendszer fogyasztását kisebb helyfoglalás mellett, ami az alaplapgyártók, így az Intel számára is olcsóbbá teszi a tervezést és a tömegtermelést. A kirakó darabkái 3-4 éven belül állhatnak össze, mivel a feszültség szabályzásának digitális félvezetőlapkára integrálása új anyagokat is megkövetel. Ha minden jól megy, az évtized végére talán egy egész napot is kibírnak majd a notebookok egyetlen töltéssel.