Проблема тепловыделения процессора
епловыделение
всегда было одной из самых серьезных проблем в работе полупроводниковых устройств
любого размера, и с каждый годом эта проблема становится все более актуальной.
Неумолимо следуя закону Мура, транзисторы стремительно уменьшаются в размерах,
вынуждая электроны, перемещающиеся по все более тесным коридорам процессорного
ядра, встречать возрастающее сопротивление и способствовать выделению процессором
большего количества тепла. Возрастает плотность размещения транзисторов на кристалле
— соответственно увеличивается тепловыделение.
В 2001 году директор корпорации Intel по технологиям Патрик Гелсингер отметил, что «если мы будем продолжать использовать современные методы дизайна процессоров, то к 2010 году процессоры будут вырабатывать больше тепла на квадратный миллиметр, чем это делает ядерный реактор». По его словам, справиться с этой проблемой можно только при помощи творческого мышления и поиска новых, революционных путей ее решения.
Один из таких путей и нашли исследователи из лаборатории изучения цепей корпорации Intel под руководством Рэма Кришнамурти (Ram Krishnamurthy). Они поступили, как мудрые врачи, которые лечат не последствия болезни, а стараются устранить ее причину.
Исследователи решили более подробно разобраться в том, какие именно участки микропроцессора выделяют много тепла. В ходе исследования обнаружилось, что наиболее горячие участки процессора сосредоточены в так называемых ALU (Arithmetic and Logic Unit — элемент для логических и арифметических операций). Эти локальные области нагреваются до 127 °С, в то время как вся остальная часть, например область кэш-памяти, — до 65 °С.
Если бы процессор выполнял лишь простую пересылку данных из одного участка памяти в другой, то это не приводило бы к серьезному перегреву. Но процессор постоянно задействует ALU в математических операциях — сложении, вычитании, умножении и делении, причем ALU может действовать со скоростью, в два раза превышающей частоту процессора. Мало того, современные процессоры корпорации Intel используют не один, а от 4 до 24 ALU, а в будущих процессорах их будет еще больше. А поскольку все эти ALU постоянно обмениваются данными, они располагаются поблизости друг от друга, что еще больше увеличивает плотность выделения тепла.
Чтобы снизить тепловыделение, исследователи под руководством Рэма Кришнамурти разработали новую схему ALU, которая позволяет повысить производительность процессора и снизить тепловыделение. За свою выдающуюся работу эта группа получила в 2003 году специальную премию корпорации Intel «За выдающиеся достижения».
«Новая технология позволяет в четыре раза снизить потери мощности на тепловыделение, — говорит Стив Павловски (Steve Pawlowski), директор Microprocessor Technology Lab и почетный сотрудник Corporate Technology Group. — Группе Кришнамурти удалось получить микропроцессорные элементы с наивысшими показателями быстродействия в отрасли: работающий с частотой 10 ГГц 32-разрядный целочисленный ALU, изготовленный по технологии 130 нм, и работающий с частотой 7 ГГц 64-битный целочисленный ALU, изготовленный по технологии 90 нм. Подобные результаты в два-три раза превосходят все, что сегодня существует в отрасли».
Группа Кришнамурти разработала также дизайн ALU, который делает возможным использование как 32-, так и 64-разрядного кода, что позволяет Intel изготавливать чипы, работающие с обоими типами ПО. Новому ALU дали кодовое имя Nozomi — в честь высокоскоростного японского поезда.
Nozomi производится по технологии 90 нм и подготовлен к встраиванию в настольные ПК, серверы и карманные компьютеры, поскольку технология с одинаковым успехом вписывается в 32- и 64-битные архитектуры, а также в архитектуру Intel XScale.
«Сила новой разработки заключается в том, что от нее выигрывают все, кто использует микропроцессоры Intel, — говорит Стив Павловски. — Сегодня группа Кришнамурти разрабатывает оптимальный метод “изъятия” старых ALU и установки новых на их место».
«Мы осознали, что именно ALU являются “горячими точками” микропроцессора, потребляя наибольшую долю мощности, и что в будущем ситуация только усугубится, — рассказывает Рэм Кришнамурти. — Мы разработали две совершенно новые технологии, которые позволяют с высокой эффективностью объединять несколько ядер на кристалле или несколько ALU в одном ядре, достигая большого выигрыша в производительности. При этом эффективность разработки в сфере тепловыделения облегчит в будущем переход к большей разрядности. Скажем, 64-битный ALU типа Nozomi, протестированный в нашей лаборатории, потребляет всего-навсего 300 мВт, что в два с лишним раза меньше, чем аналогичные устройства».
