Chystáte se 3D pro výkonnější a ekologičtější mikročipy

Anonim

Chystáte se 3D pro výkonnější a ekologičtější mikročipy

Počítače

Dario Borghino

17. prosince 2009

2 obrázky

Ve 3D čipách se jádra skládají tak, aby se snížily délky vodičů a zlepšily se komunikační rychlosti.

Viděli jsme vertikálně orientované tranzistory, nyní je čas na celé čipy prozkoumat osy z. Spolupráce se švýcarskými výzkumnými institucemi EPFL a ETH Zurich učinila IBM další důležitý krok k vytvoření rychlejších a výkonnějších 3D procesorů, které stohují jádra svisle, čímž se zvýší počet propojení a výrazně sníží teplo.

Od single-core až po multicore

Můžete tvrdit, že psaní textových dokumentů nebo prohlížení obrázků z dovolené jsou velmi jednoduché úkoly, které nevyžadují vůbec mnoho křik, ale fakt je, že pravidelně aktualizované, stabilní a bezpečné operační systémy s hezky vyhlížející grafikou vyžadují vždy více a větší výkon.

Takže když jediné jádro prostě nestačí napsat ten román, na kterém pracujete, přicházejí do hry vícenásobné návrhy. Ale proč nemůžeme pokračovat v používání rychlejších a rychlejších jednoduchých jader? Spotřeba energie je často jediným důvodem k motivování přechodu, existují však ještě další dva, které si zaslouží být zmíněny.

Paralelismus na úrovni instrukcí odkazuje na to, jak dobře může být složitá operace rozdělena do jednodušších kroků, které lze vypočítat paralelně, a poté rekombinovat částečné výsledky za zvýšení výkonu, které je faktorem toho, kolik různých "zpracovacích toků" bylo vytvořeno. Použití více jader zlepší paralelismus jak na úrovni instrukcí, tak i několik kroků zpět na úrovni procesů, čímž se zlepší reakce systému.

Použití paměti je dalším velkým problémem. Rychlost paměťových hodin se nezvyšuje tak rychle, jak se rychlost CPU zvyšuje, což znamená, že k udržení tempa by se měly používat větší a větší mezipaměti. Vzhledem k jejich ceně je to samozřejmě nepraktická cesta. Nižší hodiny rychlosti v vícejádrových procesorech jsou jedním z faktorů, které pomáhají dosáhnout efektivnějšího využití paměti.

A konečně, energetická účinnost je mimořádně důležitá. Prezentace společnosti Intel (PDF) nabízí velmi příklad. Předpokládejme, že máme jednojadrový procesor běžící na normální frekvenci: můžeme použít jako referenční hodnotu a říci, že produkuje jednu jednotku výkonu na jednotku vyčerpaného výkonu. Pokud se pokusíme přetaktovat, což je to, co často dělají hardcore hráči a jiní nároční profesionálové, obvykle dosahujeme 13% zvýšení výkonu, ale za to zaplatíme (obvykle) o 73% zvýšení výkonu, což zpravidla přetaktovává špatný nápad.

Co můžeme dělat místo toho je experiment tím, že jde proti současnému a skutečně underclock procesoru. Pokud budeme chtít přijmout zrcadlově 13 procentní snížení výkonu až na 0, 87 "výkonových jednotek, " zjistíme, že nyní je zapotřebí pouze 0, 51 jednotek výkonu: náš procesor se náhle stává mnohem výkonnější - kolem 1, 73 výkonů na jednotku výkonu, což je 73% nárůst oproti naší referenční hodnotě. Abychom získali větší výkon, jednoduše propojíme několik podtlakových jader dohromady: rychlosti se nebudou jednoduše přidávat - dvoujádrový procesor 1, 6 GHz je o něco pomalejší než jeden-jádrový 3, 2 GHz - ale zachráníme energetická účinnost.

Od vícejádrových až po 3D

Bohužel vícenásobné procesory mají své problémy. Jádra nemohou být umístěna těsně vedle sebe, aniž by došlo k silnému rušení nebo k rozumnému zpomalení operací, což znamená, že drobné vodiče, které je navzájem spojují, musí být relativně dlouhé. To představuje dva vážné problémy: zaprvé je zapotřebí více silikonových nemovitostí, což zvyšuje náklady. a za druhé, doba potřebná pro správné šíření elektrických signálů je úměrná čtverci délky drátu, což znamená, že takové dlouhé dráty mají velký vliv na rychlost spojení.

Myšlenka, která začíná mít smysl, je jednoduše sestavit integrované obvody vertikálně. Komponenty mohou být nyní umístěny bližšími a propojení autobusů může být nejen mnohem kratší - může jich být i více a bez vážných dopadů na náklady.

Práce na této technice IBM a partneři pracující na projektu CMOSAIC říkají, že mohou dosáhnout 100 až 10 0000 připojení na čtvereční milimetr, což zajistí přenos dat dat desetkrát vyšší než kdykoli předtím.

Překvapivě, dokonce i když jádra jsou tak těsně spojená, trojrozměrné čipy skutečně produkují méně tepla a spotřebují méně energie, hlavně proto, že udržování signálu na čipu spíše než na drátu snižuje spotřebu energie. Ale když se podíváme na situaci v oblasti spotřeby energie generované počítači, je nyní velmi jasné, že potřebujeme ještě drastičtější opatření ke snížení spotřeby energie.

"Ve Spojených státech datová centra průmyslu již spotřebovávají až 2% dostupné elektřiny.Vzhledem k tomu, že spotřeba se zdvojnásobí za pět let, superpočítače z roku 2100 teoreticky využijí celé USA "vysvětluje John R. Thome z týmu EPFL.

Z tohoto důvodu vědci šli ještě o krok dál, aby vytvořili zcela nový chladicí systém pro své 3D čipy. V něm jsou mezi každou jádrovou vrstvou vloženy kanály s průměrem 50 mikronů (kolem průměru lidského vlasu). Tyto mikrokanály obsahují chladicí kapalinu, která vychází z okruhu ve formě páry, je zpět do kondenzátoru zpět do kapalného stavu a nakonec je čerpána zpět do procesoru. V příštím roce bude prototyp tohoto chladicího systému implementován a testován za skutečných provozních podmínek.

Hlavním úkolem, který představuje 3D čipový přístup, je přímý důsledek možností, které se otevírají: jelikož propojovací jádra jsou levná a snadná, inženýři musí najít nejlepší způsob, jak optimalizovat návrh i na (doslova) zcela novou dimenzi, a to znamená, že lepší a schopnější CAD programy se musí dostat až k tomuto obtížnému úkolu. Pak je také otázkou složitosti - čipy, které jsou tyto sofistikované, musí být vyráběny s absolutní přesností a bez vad nebo by mohly náhle a nevysvětlitelně selhat bez změny, aby si uvědomily proč.

Z těchto a dalších důvodů vědci odhadují, že trvá několik let, dokud nebudou 3D mikroprocesory vybaveny spotřební elektronikou. Počáteční 3D mikroprocesory by měly být do superpočítačů instalovány do roku 2015, zatímco verze s integrovaným chladicím systémem by měla dosáhnout spotřebitelského trhu v roce 2020.

Klasický, "2D " vícejádrový čipový design.

Ve 3D čipách se jádra skládají tak, aby se snížily délky vodičů a zlepšily se komunikační rychlosti.