Dennard ölçekleme - Dennard scaling
MOSFET ölçekleme olarak da bilinen Dennard ölçeklendirme , kabaca, transistörler küçüldükçe güç yoğunluğunun sabit kaldığını, böylece güç kullanımının alanla orantılı kaldığını belirten bir ölçeklendirme yasasıdır ; Her iki gerilim ve akım uzunluğu ölçeği (aşağı doğru). İlk olarak MOSFET'ler için formüle edilen yasa, Robert H. Dennard tarafından ortaklaşa yazılan ve adını aldığı 1974 tarihli bir makaleye dayanmaktadır .
türetme
Dennard, her teknoloji neslinde şunları gözlemler:
1. Transistör boyutları –%30 (0,7x) oranında ölçeklenebilir. Bunun aynı anda aşağıdaki etkileri vardır:
- Alan uzunluk çarpı genişlik olduğu için alanları %50 azalır .
- Elektrik alanını sabit tutmak için voltaj, V, %30 (0,3x) azaltılır, çünkü voltaj alan çarpı uzunluktur .
- Devre gecikmeleri %30 (0,7x) azalır, çünkü zaman hıza göre uzunluktur .
2. Yukarıdaki etkiler, sırasıyla kapasitansta ve seçilen frekansta değişikliklere yol açar:
- Gecikmedeki %30'luk azalma, frekans bir aşırı gecikme ile değiştiğinden , çalışma frekansında (f) yaklaşık %40 (1.4x) bir artışa izin verir .
- Tüm mesafelerdeki %30'luk azalma ve alanlardaki buna bağlı %50'lik düşüş, kapasitansta, C'de %30 (0,7x) bir azalmaya yol açar, çünkü kapasitans, mesafe üzerinde alana göre değişir .
3. Aktif güç CV 2 f olduğu için güç tüketimi de %50 azalır .
Bu nedenle, her teknoloji neslinde, alan yarıları ve güç tüketimi yarı yarıya azalır. Başka bir deyişle, transistör yoğunluğu iki katına çıkarsa , güç tüketimi (iki kat transistör sayısıyla) aynı kalır.
Moore yasası ve hesaplama performansı ile ilişkisi
Moore yasası , transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlandığını söylüyor. Dennard ölçeklendirme ile birleştiğinde bu, watt başına performansın daha da hızlı büyüdüğü ve yaklaşık her 18 ayda bir (1,5 yıl) ikiye katlandığı anlamına gelir . Bu eğilim bazen Koomey yasası olarak adlandırılır . İki katına çıkma oranı başlangıçta Koomey tarafından 1.57 yıl olarak önerildi, ancak daha yeni tahminler bunun yavaşladığını gösteriyor.
2006 civarında Dennard ölçeklendirmesinin dökümü
CMOS devrelerinin dinamik (anahtarlama) güç tüketimi frekansla orantılıdır. Tarihsel olarak, Dennard ölçeklendirmesinin sağladığı transistör gücü azaltma, üreticilerin toplam devre güç tüketimini önemli ölçüde artırmadan saat frekanslarını bir nesilden diğerine büyük ölçüde yükseltmesine izin verdi.
2005-2007 yıllarından bu yana Dennard ölçeklendirmesi bozuldu. 2016 itibariyle, entegre devrelerdeki transistör sayıları hala artıyor, ancak performansta ortaya çıkan iyileştirmeler, önemli frekans artışlarından kaynaklanan hızlanmalardan daha kademeli. Arıza için belirtilen birincil neden, küçük boyutlarda akım kaçağının daha büyük zorluklar oluşturması ve ayrıca çipin ısınmasına neden olarak termal kaçak tehdidi oluşturması ve bu nedenle enerji maliyetlerini daha da artırması.
Dennard ölçeğinin bozulması ve bunun sonucunda saat frekanslarının önemli ölçüde artırılamaması, çoğu CPU üreticisinin performansı artırmanın alternatif bir yolu olarak çok çekirdekli işlemcilere odaklanmasına neden oldu . Artan çekirdek sayısı birçok (hiçbir şekilde olmasa da) iş yüküne fayda sağlar, ancak aktif anahtarlama öğelerinin birden fazla çekirdeğe sahip olmasındaki artış, toplam güç tüketiminin artmasına neden olur ve bu nedenle CPU güç tüketimi sorunlarını kötüleştirir . Sonuç olarak, herhangi bir zamanda, güç kısıtlamalarını ihlal etmeden bir entegre devrenin sadece bir kısmı fiilen aktif olabilir. Kalan (etkin olmayan) alan, koyu silikon olarak adlandırılır .
Ayrıca bakınız
- MOSFET (MOSFET ölçeklendirmesi ve daha küçük boyutlarda daha belirgin hale gelen zorluklar hakkında teknik arka plan için)
- Moore yasası , çip başına transistör
- Koomey yasası , joule başına hesaplamalar
- Watt başına performans