Поделиться
Будущее микросхем под угрозой. Между транзисторами стало слишком мало места, и они теперь слишком сильно греются
Рост плотности транзисторов и, как следствие, повышение температуры микросхем, ставит под угрозу будущее всех современных полупроводников. Повышение температуры в современных центральных и графических процессорах имеет далеко идущие последствия, которые влияют на производительность и энергопотребление.
Дальше не будет лучше
Развитие полупроводников может сильно застопориться ввиду того, что современные полупроводники имеют очень большую плотность транзисторов, из-за чего сильно греются, пишет портал TechSpot. По мнению экспертов портала, тот факт, что центральный и графический процессоры становятся все горячее, а это особенно видно на примере современных чипов Intel и Nvidia, в дальнейшем может сыграть с ними злую шутку.
Другими словами, весьма вероятны неприятные для пользователя последствия – полупроводники станут менее производительными, но более «прожорливыми» в плане потребления энергии. Со временем чрезмерный нагрев ухудшает производительность чипа и увеличивает утечку тока, что приводит к потере мощности и идет вразрез с так называемым «законом Мура», подразумевающим, что производительность полупроводников удваивается каждые два года.
Все не по канонам
Основная причина всего этого тесно связана с прекращением действия так называемого «закона масштабирования Деннарда», принципа, который когда-то позволял инженерам уменьшать транзисторы и одновременно снижать напряжение, сохраняя при этом энергопотребление под контролем.
«Закон масштабирования Деннарда» – это эмпирический вывод, сформулированный американским инженером-электриком и изобретателем Робертом Деннардом (Robert Dennard). Закон гласит: «Уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, возможно пропорционально повышать производительность».
Однако к середине 2000-х годов дальнейшее снижение напряжения стало нецелесообразным, даже несмотря на то, что плотность транзисторов продолжала расти. Это расхождение привело к устойчивому росту плотности мощности и, неизбежно, к большему выделению тепла.
По мере того, как чипы становятся все более компактными и производительными, управление тепловой нагрузкой становится критической проблемой для полупроводниковой промышленности. По словам Джеймса Майерса (James Myers), который возглавляет программу System Technology Co-Optimization в IMEC, необходим новый подход для прогнозирования и решения вопроса о том, как развивающиеся полупроводниковые технологии будут влиять на генерацию и рассеивание тепла.
IMEC (Interuniversity MicroElectronics Centre, Межуниверситетский микроэлектронный центр), – международный микро- и наноэлектронный научно-исследовательский центр. Расположен в Левене (Бельгия), имеет представительства в Индии, Китае, Нидерландах, Тайване, США и Японии. Институт исследует возможности создания новых поколений микро- и наноэлектронных приборов для массового производства в течение ближайшиъ трех-десяти лет. Штат – 2000 человек.
Попытки моделирования процессов
Майерс при помощи коллег создал фреймворк моделирования, в котором различные инструменты автоматизации электронного проектирования используются в паре со специализированным программным обеспечением. Этот фреймворк позволяет им исследовать взаимодействие между технологией чипов и тепловым поведением на уровне системы.
Их выводы недвусмысленны: каждое новое поколение полупроводниковых технологий усугубляет тепловую проблему. Плотность мощности продолжает расти по мере того, как производители переходят на транзисторы с нанолистами и, в конечном итоге, на комплементарные полевые транзисторы (Complementary field-effect transistors, CFET). Это вертикальная структура транзисторов, которая позволяет экономить пространство благодаря расположению PMOS- и NMOS-транзисторов буквально друг над другом. За счет этого экономия площади вполне может достигать 50%.
Но CFET – хоть и панацея в вопросе увеличения количества транзисторов без увеличения физических габаритов полупроводника, но эта технология никак не помогает решить вопрос с тепловыделение. Моделирование будущих техпроцессов, включая 1 нанометр, показало, что они обеспечат увеличение плотности мощности на 12-15%. Это приведет к повышению температуры кристалла примерно на 9 градусов Цельсия, даже если не повышать рабочее напряжение микросхемы.
Майерс отметил, что хотя бы для сохранения температуры чипа во время работы на существующем уровне, не говоря уже о ее снижении, разработчикам придется делать так, чтобы их микросхемы могли работать на пониженном напряжении.
Нужно мыслить в масштабах
Как пишет TechSpot, d центрах обработки данных, вмещающих миллионы различных микросхем, такое увеличение плотности мощности может обозначить разницу между стабильной работой и катастрофическим ростом тепловыделения. Традиционные методы охлаждения, включая воздушное охлаждения, все чаще работают в паре с жидкостными системами отвода. Однако даже эти передовые методы могут быть недостаточными для управления теплом, выделяемым следующим поколением чипов.
Для решения этой проблемы исследователи изучают альтернативные решения, включая микрофлюидное охлаждение, при котором охлаждающая жидкость подается через микроскопические каналы, встроенные непосредственно в сам чип. Отдельно рассматривается идея со струйным охлаждением, при котором используются высокоскоростные потоки охлаждающей жидкости, направленные на поверхность чипа. Иммерсионное охлаждение, при котором целые платы погружаются в теплопроводящую диэлектрическую жидкость, тоже не сбрасывается со счетов.
Карманная печка
Технологии отвода тепла, пригодные для ЦОДов, могут оказаться бесполезными, например, в мобильных устройствах, где размер и вес, а также время работы от батареи весьма критичны, пишет TechSpot. Также от них будет мало толку в дата-центрах, модернизация которых может быть дорогостоящей или нарушить работу расположенных в них серверов.
Портал упоминает различные программные техники снижения температуры микросхем. Он приводит в пример смартфоны, процессоры в которых начинают «троттлить», то есть сбрасывать рабочее напряжение и тактовую частоту, если датчик температуры зафиксирует быстрый нагрев чипа. Схема рабочая, но ее побочный эффект – падение производительности.
Другая техника, известная как тепловой спринт, чередует рабочие нагрузки между ядрами процессора, позволяя перегретым ядрам остывать, пока другие берут на себя управление. Хотя этот подход эффективен для коротких всплесков активности, он может снизить общую пропускную способность и вызвать задержку во время длительных рабочих нагрузок.
Свет в конце тоннеля
И все же существует технология, которая потенциально может решить вопрос с перегревом чипов, вызванным ростом плотности транзисторов. Речь о BSPDN (Backside Power Delivery Network) – технологии подачи питания на микросхему с обратной стороны ее подложки. Она подразумевает расположение линий питания на задней стороне чипа или интегральной схемы. Как пишет портал The Elec, крупнейшие производители смартфонов намерены сделать на нее ставку в самом скором будущем – к примеру, корейская компания Samsung, у которой есть собственные мобильные процессоры серии Exynos, намерена перейти на BSPDN с переходом на 2-нанометровый техпроцесс.
По прогнозам TechSpot, к 2026 г. все основные передовые производители микросхем перейдут на технологию BSPDN. Но эти инновация не лишены компромиссов. Утончение кремниевой подложки для использования BSPDN может снизить ее способность рассеивать тепло, что может привести к появлению новых локальных точек повышенного нагрева. Моделирование показывает, что из-за BSPDN в этих точках температура может быть выше на целых 14 градусов по Цельсию.
Короткая ссылка
