Dennard skála - Dennard scaling
A Dennard -skálázás , más néven MOSFET -skálázás , egy skálázási törvény, amely nagyjából kimondja, hogy a tranzisztorok csökkenésével a teljesítménysűrűségük állandó marad, így az energiafelhasználás arányos marad a területtel; mind a feszültség, mind az áram skála (lefelé) hosszával. Az eredetileg a MOSFET-ek számára megfogalmazott törvény egy 1974-es dokumentumon alapul, amelynek szerzője Robert H. Dennard , akiről el is nevezték.
Származtatás
Dennard megjegyzi, hogy minden technológia generációval:
1. A tranzisztor méreteit –30% -kal (0,7x) lehet skálázni. Ennek a következő hatásai vannak egyidejűleg:
- Területük 50%-kal csökken, mivel a terület hossza és szélessége .
- Annak érdekében, hogy az elektromos mező állandó maradjon, a V feszültség 30% -kal (0,3x) csökken, mivel a feszültség a tér hosszának hossza .
- Az áramkör késleltetései 30% -kal (0,7x) csökkennek, mivel az idő a sebesség felett van .
2. A fenti hatások a kapacitás és a kiválasztott frekvencia megváltozásához vezetnek:
- A késleltetés 30% -os csökkentése lehetővé teszi, hogy a működési frekvencia, f, körülbelül 40% -kal (1,4x) növekedjen, mivel a frekvencia késleltetéssel változik .
- Az összes távolság 30% -os csökkenése és az ezzel összefüggő 50% -os csökkenés a területek C kapacitásának 30% -os csökkenéséhez vezet (0,7x), mivel a kapacitás a távolságtól függően változik .
3. Az energiafogyasztás viszont 50%-kal csökken, mert az aktív teljesítmény CV 2 f.
Ezért minden technológiai generációban a felére és az energiafogyasztására felére csökken. Más szóval, ha a tranzisztor sűrűsége megduplázódik, az energiafogyasztás (kétszer annyi tranzisztorral) változatlan marad.
Kapcsolat Moore törvényével és számítási teljesítményével
Moore törvénye szerint a tranzisztorok száma körülbelül kétévente megduplázódik. A Dennard skálázással kombinálva ez azt jelenti, hogy a wattonkénti teljesítmény még gyorsabban nő, körülbelül 18 havonta (1,5 év) megduplázódik. Ezt a tendenciát néha Koomey -törvénynek is nevezik . A megduplázódás mértékét Koomey eredetileg 1,57 évnek javasolta, de a legújabb becslések szerint ez lassul.
A Dennard -skála bontása 2006 körül
A CMOS áramkörök dinamikus (kapcsolási) energiafogyasztása arányos a frekvenciával. Történelmileg a Dennard -skálázás által biztosított tranzisztor -teljesítménycsökkentés lehetővé tette a gyártók számára, hogy drasztikusan megemeljék az órajel -frekvenciákat egyik generációról a másikra anélkül, hogy jelentősen megnövelnék az áramkör teljes áramfelvételét.
2005-2007 körül úgy tűnik, hogy a Dennard -skála meghibásodott. 2016-tól az integrált áramkörökben a tranzisztorok száma még mindig növekszik, de a teljesítmény javulása fokozatosabb, mint a jelentős gyakoriságnövekedésből adódó gyorsulás. A meghibásodás elsődleges oka az, hogy kis méreteknél a jelenlegi szivárgás nagyobb kihívásokat jelent, és a chip felmelegedését is okozza, ami a termikus kifutás veszélyét okozza, és ezáltal tovább növeli az energiaköltségeket.
A Dennard -skála meghibásodása és ennek következtében az órajel -frekvencia jelentős növelésének képtelensége miatt a legtöbb CPU -gyártó a többmagos processzorokra összpontosított, mint a teljesítmény javításának alternatív módja. A megnövekedett magszám sok (bár korántsem minden) munkaterhelés javát szolgálja, de az aktív kapcsolóelemek több magból való növekedése még mindig megnöveli az általános energiafogyasztást, és ezáltal súlyosbítja a CPU teljesítményelvonási problémáit. A végeredmény az, hogy az integrált áramkörnek csak bizonyos töredéke lehet ténylegesen aktív az adott időpontban, anélkül, hogy megsértené az áramkorlátozásokat. A fennmaradó (inaktív) területet sötét szilíciumnak nevezik .
Lásd még
- MOSFET (a MOSFET méretezés technikai hátteréhez és a kisebb méretekben egyre hangsúlyosabb kihívásokhoz)
- Moore törvénye , tranzisztorok chipenként
- Koomey törvénye , számítások per joule
- Teljesítmény wattonként