Vyvíjet nové čipy bude složitější - druhá část

90nm - things are getting worse

Samotné IBM, v technologiích leader, přiznalo problémy s přechodem na 90 nm výrobu. Na letošní rok slibovali procesor PowerPC 970FX tikající na 3 GHz, v současnosti se dá horko těžko sehnat 2.5 GHz. I to je sice stále posun proti předchozí generaci, ale ne takový, jaký byl očekáván. Bernie Meyerson, technologický ředitel IBM (z EETimes): "Někde mezi 130nm a 90nm se věci změnily. Systém přestal pracovat. Nikdo si toho nevšimnul. Škálovatelnost je mrtvá. ... V budoucnu 60 až 70 procent vylepšení v nových procesorech musí přijít díky inovacím."

Magickým souslovím nových technologií je leakage current (úniky proudu). Leakage current je, narozdíl od active current (aktivní proud - přepíná logický stav transistorů), nechtěný. Dynamický výkon probraný v předchozí kapitole je z části kontrolovatelný snížením výkonu, vypínáním částí procesoru, snížením frekvence či jinými technikami. Leakage je prakticky nekontrolovatelný, vytváří statický výkon. Statický výkon je takový výkon, který procesor vydá, i když vůbec nic nedělá. Jak se transistor stává menší, stále menší a menší množství atomů vytváří přechod mezi částmi transistoru. Části, které tak mají být izolovány, najednou vedou proud. Ten se, jak jinak, přemění v teplo. Následná vyšší teplota snižuje životnost a dále zhoršuje problém (odpor polovodičů se při vyšší teplotě snižuje, tj. proud ještě více roste). Vyšší teplota také negativně působí na vodiče spojující transistory, kde způsobuje naopak větší odpor.

Leakage current (nebo také Off current - "vypnutý" proud) roste s redukcí velikosti přechodu v transistoru exponencielně. Zatímco u starších generací procesorů nebylo příliš nutné se jím zabývat (drtivá většina spotřeby pocházela z dynamického výkonu), u nových designů může leakage činit až polovinu celkové spotřeby.

Porovnáme-li údaje z dokumentace Intelu značící maximální proudový odběr v režimu Stop Grant, tedy v okamžiku, kdy je procesor fakticky uspán a nic nedělá, je trend zřejmý. I přes klesající napětí spotřeba v klidu roste, a to dost rapidním způsobem (Prescott má v klidu až 50 stupňů!). Obdobně z dokumentace procesorů Pentium M Banias a Pentium M Dothan lze vyčíst zvýšení proudového odběru ve Stop Grant režimu při nejvyšším napětí z 8.6 na 15.1A ! I propagační leták Intelu k uvedení Dothanu uvádí stejnou nebo horší výdrž na baterie, přičemž jádro Banias maximálně (při započtení dynamického výkonu) spotřebuje 30W, zatímco Dothan jen 27W.

Před nějakou dobou byl uveden procesor Itanium 2 s jádrem Madison a 6MB L2 cache (0.13um), který nahradil starší jádro McKinley s 3MB L2 cache (0.18um). Oba procesory mají udávané maximum spotřeby na 130W. Zatímco starší jádro spotřebovalo 90 procent energie jako dynamický výkon a leakage tvořil jen pět procent, Madison se musí potýkat s leakage tvořící 21 procent. Obrovská cache nyní procentuelně vyvolá leakage větší než byla celková leakage u staršího jádra. A to stále mluvíme o 0.13um procesoru, představte si, jaký leakage bude mít jádro Montecito s 24MB L2, dual-core a vyrobené 90nm technologií (1.7 miliardy transistorů).

Bez agresivního power managementu to jednoduše nepůjde. Budoucí procesory budou muset využívat různých transistorů. Zatímco P4 Northwood byl vytvořen z 248nm zdroje světla, Prescott používá dvě vlnové délky - 248nm a 193nm. Menší vlnovou délkou jsou vytvořeny klíčové transistory, takové, které jsou velmi rychlé, ale také vykazují velké úniky proudu. Naopak v méně náročných částech (nejspíše pro relativně pomalou cache) jsou použity větší transistory s menší leakage. Tím se alespoň částečně snižuje v oblastech, kde není potřeba nejvyššího možného výkonu.

Napětí a proud - další problém

Ne o moc menším problémem moderních čipů je celkový proud. Menší transistory sice (teoreticky) spotřebují menší proud, ale těchto transistorů neustále přibývá, takže celkový proudový odběr se pomalu blíží odběru tramvaje. Dnes je transistorů běžně v čipech v desítkách až stovkách milionů.

Problém je, jak tyto transistory uživit. Menší transistor nesmí být vystaven příliš vysokému napětí, protože takové by ho mohlo poškodit. Naopak ale musí dostávat napětí dostatečně vysoké, aby ustál požadovanou frekvenci. O pár kapitol zpět jsem mluvil o tom, že nominální napětí se stále více přibližuje maximu. Celková rezerva je menší. A to se dále projevuje na stabilitě, protože napájecí okruhy mají určité tolerance a setrvačnost. Zdroj napětí běžně v nevytížení dodává napětí vyšší než by v ideálním případě měl, při zatížení (v tomto případě zahájení výpočtů) najednou dojde k obrovskému poklesu napětí, které se až po chvíli vyrovná na zhruba cílenou hodnotu. Problémem je, jak se vejít do stále menších tolerancí. Napětí v klidu nesmí být příliš vysoké a při náhlé zátěži nesmí příliš klesnout.

Situace je o to horší, že proudový odběr je obrovský. S úsměvem jsem se nedávno dočetl, že socket 5 pro druhou generaci Pentia požadoval až 4.33A a socket 7 toto zvýšil na 5A. Předchozí generace Pentia 4 Northwood si řekla až o 70A, nový Prescott v balení LGA775 požaduje až 119A. Teoreticky by mělo napájení základní desky držet napětí v povolených tolerancích:

V praxi neznám jedinou základní desku, která by byla schopná tyto tolerance plně dodržet. S klesající prodejní cenou se ani nelze divit, výrobci se snaží šetřit, kde se dá, vylepšování napájecích okruhů není jejich prioritou.

Moorův zákon je mrtev?

Ano, dalo by se říct, že Moorův zákon přestává platit. Na jednu stranu Intel nás stále přesvědčuje, že je schopen ho dodržet, taktně už mlčí o tom, že tento zákon neříká nic o výkonu. Moorův zákon zní: "Každých zhruba 18 měsíců se počet transistorů v čipech zdvojnásobí". Nemluví se o zdvojnásobení výkonu ani zdvojnásobení frekvence. V posledních letech jsme sice mohli Moorův zákon stále vidět platit, výkon ale již neroste tak, jako ještě v dobách Pentia III. Důvod? Velká množství transistorů se "investovaly" především do veliké cache. Ta sice přináší něco výkonu navíc, ale není to nic převratného.

Stále rostoucí podíl statického výkonu zabrání v budoucnu integrovat obrovská množství transistorů jako cache, společně s rostoucí tepelnou hustotou dynamického výkonu zabrání nadále zmenšovat výpočetní jádro. A je tu další problém - spoje mezi transistory začínají být příliš pomalé.

Spoje mají jistou setrvačnost. Stále menší transistory si žádají stále menší spoje. Měděné dráty poprvé masově nasazeny firmou AMD před čtyřmi lety sice dokázaly podstatně snížit zpoždění na spojích, s rostoucí frekvencí se ale problém jen oddálil o pár let. Graf výše ukazuje, jak by situace vypadala, když by Intel nedávno nenarazil na problémy se zvyšováním frekvence Pentia 4 a tuto architekturu tzv. neposlal k ledu. Již v době 65nm technologie by zpoždění na spojích bylo větší než perioda hodinového signálu! V přípravě jsou optické spoje, které by měly tento problém zcela eliminovat. Jejich nasazení v komerčně dostupných řešeních má ale ještě hodně dlouhou cestu před sebou.

Jaká jsou řešení těchto problémů? Některé technologie, jako například Strained Silicon, slibují zvýšit rychlost transistorů i bez jejich zmenšování.

Vrstva siliconu (křemíku) je potažena vrstvou silicon-germania. Protože silicon-germanium má atomy dál od sebe, umožňuje snadnější průchod elektronů. Při kontaktu se silikonem je i ten "roztažen", čímž klesá jeho odpor a elektrony mohou snadněji proudit.

IBM, vynálezce této technologie, udává zrychlení proudu elektronů až o 70 procent, což ve výsledku znamená asi o 35 procent rychlejší čip. Nepříjemnou zprávou bohužel je, že někteří podezřívají strained silicon ze zvyšování leakage current.

Proti leakage naopak bojuje technologie Silicon on Insulator (křemík na izolantu).

Kanál transistoru v tomto případě "sedí" na oxidu, který je izolantem. Ten brání průsakům elektronů.

V budoucnu se ještě uvažuje o nasazení 3D transistoru, transistoru s více přechody a o využití nových materiálů. Spolehlivým řešením v tomto okamžiku je snížit frekvenci čipů ve prospěch více výpočetních vláken, technologie dual-core...