Почему Pentium 4 так и не достиг 4 ГГц?

на страницах сайта

electrosad.narod.ru

Исходя из прогноза фирмы Intel на последующие годы в технологии процессоров ожидается:

•  Транзисторы будут иметь размеры 0,03 мкм, что для сравнения составляет ширину 3-х атомных слоев. На длине в один сантиметр можно расположить 12 млн. транзисторов, а размер одного транзистора будет в 100 000 раз меньше толщины листа папиросной бумаги.
• Транзисторы будут функционировать на частоте 10 ГГц.
• На этих транзисторах будет создано ядро следующих поколений CPU от Intel, являющееся примерно в 10 раз более интегрированным, чем наиболее продвинутые на сегодняшний день процессоры Рentium 4. Для сведения: будущие микропроцессоры будут иметь 400 млн. или большее количество транзисторов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц, и напряжение питания ядра менее 1 В. Выпускаемые сегодня Рentium 4 состоят из 42 млн. транзисторов, работающих на частоте 1,3...1,5 ГГц, напряжение питания – 1,7 В.
• Потребляя 1 В или того меньше, CPU следующего поколения будут потреблять значительно меньшее количество энергии, чем сегодняшние процессоры. Таким образом, они легко могут черпать энергию из батареек и аккумуляторов и использоваться в ноутбуках и КПК.

Все это время технологии двигались вперед, и их достижения от Intel показаны в таблице ниже:

Прошло 3 года с момента выдачи прогноза, появился процессор выполненный по техпроцессу 90 нм, и чего он достиг?

Это характеристики Pentium 4 571 на ядре Prescott наиболее быстродействующего из Pentium 4. В прессе была информация о том, что Intel не удается вывести его на 4 ГГц, за этим последовало официальное заявление Intel об отказе от выпуска 4 ГГц процессора. Мелькало сообщение, что это в связи с неустойчивой работой процессора.

Дальше наращивания емкости конденсаторов на процессоре Intel не пошла.

Так во что уперлась Intel?

Причины подробно описаны в статьях в этом разделе сайта, но попробую еще раз коротко рассказать об этом ниже.

Быстродействие транзисторов.

Не буду здесь приводить формулы описывающие зависимость быстродействия транзисторов образующих КМОП ключ. Об этом вы можете почитать в других материалах сайта и смотрите [SL 6].

Известно - скорость работы процессора определяется скоростью переключения транзисторов содержащихся в нем. А быстродействие МОП транзисторов образующих КМОП ключи определяются длинной канала транзистора.

Их связывает следующее соотношение:

"Граничная частота МДП-транзистора, обратно пропорциональна квадрату длинны канала."

На канале длинной 50 нм (90 нм техпроцесс) время переключения составляет десятки пикосекунд. значит частота переключения такого МОП транзистора много больше 10 ГГц. 

Знающий скажет, но быстродействие определяется еще и емкостью нагрузки ключа.

Да и весьма существенно. Но наша задача не определить время переключения, а выявить тенденцию. А тенденция изменения этой емкости нагрузки при переходе на более тонкие техпроцессы - ее снижение. Поскольку емкость конденсатора определяется площадью его электродов, а при переходе на более тонкий техпроцесс происходит снижение площади (на каждую ступень примерно вдвое) то эта ее составляющая должна вдвое снижать влияние на быстродействие.

Аналогично примерно вдвое повышается скорость переключения МОП транзистора при переходе с одного техпроцесса на другой за счет укорочения канала транзистора.

В результате при переходе на более тонкие техпроцессы в соответствии с существующим рядом на каждую ступень быстродействие должно возрастать примерно вдвое.

Но, мы видим, этого не происходит см таблицу 1.

Причина, прежде всего в том, что не учитываются влияние других факторов.

Одним из главных факторов является воздействие распространяющихся по цепям распределения питания процессора помеха. Эта помеха генерируется самим процессором при переключении КМОП ячеек, являющихся основным элементом образующим логическую структуру узлов процессора. Помеха генерируется импульсными токами перезарядки паразитных емкостей нагружающих данный КМОП элемент. Не смотря на то что она достаточно мала, количество синхронно переключающихся ключей велико (последние процессоры имеют 0коло 300 миллионов транзисторов). Импульсы тока их перезарядки на индуктивности линий распределения питания процессора (которая не смотря на его малый размер существует) и генерирует помеху. Ее мощность может достигать 25% от мощности потребляемой процессором. А fгр (высокочастотная граница генерируемых помех) тем выше, чем выше быстродействие транзисторов.

f_гр= 1/t_фр, [SL.3]

1. Патент №2231899. Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем (краткое описание).
2. Механизм генерации помех в СБИС процессоров.
3. Результаты воздействия помех.

При этом все вроде знают об их существовании. множество конденсаторов на процессорах демонстрируют попытки решить эту проблему.

Подход к проблеме компании AMD.

 Она столкнувшись с этим явлением выпустила процессор AMD AthlonXP с ядром Thoroughbred-B [SL.18], где предпринята попытка снизить влияние генерируемых процессором шумов непосредственно в кристалле, введением дополнительного медного слоя а в само ядро были добавлены дополнительные конденсаторы для борьбы с электромагнитной интерференцией. (AMD трактует явление как электромагнитную интерференцию.) При наложение на линии распределения питания генерируемых им помех на кристалле может возникнуть явление подобное интерференции, что ждет нас при дальнейшем повышении быстродействия процессора.

В результате перехода на более тонкие технологии,  fгр будет только расти, при реальных временах переключения  уже сейчас превышает 10 ГГц. Получается конечно не интерференция. Для ее существования размер кристалла (сейчас порядка 11 мм), где по линиям распределения питания распространяется эти помехи должен быть меньше нескольких длин волн частоты помехи. Это частота порядка сотни гигагерц.

Но даже это решение AMD привело к существенному улучшению характеристик процессора.

Что выразилось в увеличении фактической тактовой частоты от 14,4% до 26% при увеличении тепловыделения только на 7,9% и увеличении площади кристалла на 5%. При этом, еще за счет увеличения физической тактовой частоты шины до 166 МГц реальная производительность возросла от 17,6% до 27,2% при фактическом сохранении структуры процессора AthlonXP с ядром Thoroughbred.

Intel тоже ставила на процессор Xeon конденсаторы.

Но проблему такими наскоками не решить.

Проектирование процессоров надо проводить с учетом влияния генерируемых им помех, этого, с переходом на более тонкие технологии, все больше определяющего режим работы процессора явления.

Столкнувшись с этим явлением Intel показала свое непонимание проблемы, а результатом стал отказ от достижения частоты 4ГГц  процессором Pentium 4. Хотя не комплексное решение проблемы, а только частичное, которое выполнила AMD (см. в тексте) могло позволить достичь заданной частоты.

Такова цена непонимания!

Надо менять подход к проектированию кристаллов современных процессоров.

Так почему Pentium 4 не достиг 4 ГГц?

Я думаю, те технические причины и задержки с выполнением планов (которые срывают сроки установленные "законом" Мура) есть результат того, что с течением многих лет монополизма на рынке процессоров, Intel превратилась из первопроходца отрасли (по крайней мере так говорили они сами) в ремесленника трудящегося по шаблонам и трафаретам. Даже последнее решение проблемы диэлектрика затвора произошло скорее по инерции, чем в результате продуманной на годы вперед научной работы.

Похоже процессорами в Intel занимается изолированное подразделение (и это так же способствует застою), а в региональных офисах и центрах R&D (исследований и разработок) они занимаются только продвижением своей продукции и разработкой неизвестного (совсем не связано с производством процессоров) программного обеспечения (возможно все силы Intel брошены на удержание их доли рынка серверов?). Как бы то ни было, но связаться с процессорным подразделением невозможно, даже через Московский офис.

И постоянные срывы сроков, и недоиспользование возможностей имеющихся кристаллов, и невнимание к оригинальным решениям - все это результат стагнации (застоя) в компании. Это и есть причина не решения вопроса вынесенного в заголовок, а совсем не технические проблемы.

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Copyright Sorokin A.D.

Дата - 2007 год. Ver.4