Большую часть энергии в сфере компьютерных технологий потребляют устройства обработки информации — процессоры. На них приходится до 60 % потребляемой энергии [1, с 15]. Это число растет с ростом тактовой частоты и увеличением числа транзисторов.
Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели — полевые транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе [2, с. 6].
С развитием технического прогресса потребовалось уменьшить размеры процессора и увеличить его частоты, уменьшились соответственно и размеры транзисторов. Так, например, в чипах с техпроцессом в 65 нм толщина слоя диэлектрика затвора из SiO2 составляла порядка 1,2 нм, что эквивалентно пяти атомарным слоям [3, с. 104]. Фактически, это физический предел для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора, а значит и уменьшения слоя диоксида кремния, ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастает, что приводит к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. В таком случае слой из диоксида кремния перестает быть препятствием для квантового туннелирования электронов, из-за чего пропадает возможность гарантированного управления состоянием транзистора. Соответственно, даже при идеальном изготовлении всех транзисторов, неправильная работа хотя бы одного из них означает неправильную работу всей логики процессора, что может привести к катастрофе, учитывая, что микропроцессоры осуществляют управление работой практически всех цифровых устройств.
Проблема большого энергопотребления микропроцессора завязана на высоком напряжении открытия транзисторов и высокой частоте их работы. При недостаточном напряжении процессор начинает неустойчиво работать на высоких частотах. При дальнейшем снижении напряжения неустойчивая работы проявляется уже на средних, затем на малых частотах. Далее процессор отключается.
В современных настольных процессорах число контактов доходит до тысячи или даже более. Такое большое количество контактов определяется необходимостью пропустить через них ток питания ядра процессора, а это 50–80 А. На один контакт приходиться до 0,3 А. Реальная площадь контакта в сотни раз меньше номинальной площади контактирующих поверхностей из-за шероховатости, неровности, наличия непроводящих пленок. Площадь контактов нельзя увеличить усилением нажатия из-за низкой прочности самого процессора, а увеличение номинальной площади контактирующей поверхности приведет к увеличению размеров процессора [4, с. 46].
С каждым годом появляются все новые и новые модели компьютерной техники и комплектующие. Процессор, видеокарта и другие детали техники в процессе работы вырабатывают энергию, которая преобразуется в тепло и способствует потерям электроэнергии. На сегодняшний момент системы охлаждения процессора представлены тремя типами: жидкостное, пассивное и воздушное [5, с 1].
1) Система жидкостного охлаждения
Система жидкостного охлаждения (водяное охлаждение) является наиболее продуктивным методом избежать перегрева процессора и связанных с этим процессом поломок. Конструкция системы во многом напоминает устройство холодильника и состоит из:
− теплообменника, вбирающего в себя тепловую энергию, вырабатываемую процессором;
− помпы, которая выступает в качестве резервуара для жидкости;
− дополнительной емкости для расширяющегося в процессе работы теплообменника;
− теплоносителя — элемента, который наполняет всю систему специальной жидкостью или дистиллированной водой;
− теплосъемников для элементов, выделяющих тепло;
− шлангов, по которым проходит вода и нескольких переходников.
К преимуществам метода водяного охлаждения процессора можно отнести высокую эффективность и низкую шумовую способность. Недостатки данной системы:
− Высокая стоимость жидкостного охлаждения, так как для установки такой системы требуется мощный блок питания.
− Конструкция в итоге получается громоздкой из-за объемных резервуара и водяного блока, обеспечивающих качественное охлаждение.
− Существует вероятность образования конденсата, что негативно сказывается на работе некоторых комплектующих и может спровоцировать замыкание в системном блоке [5, с. 2].
2) Пассивное охлаждение
Пассивное охлаждение процессора является самым неэффективным способом вывода тепловой энергии. Достоинством данного метода, впрочем, считают низкую шумовую способность: система состоит из радиатора, который, собственно, и не воспроизводит звуки. Пассивный метод охлаждения применялся давно, он был довольно хорош для компьютеров с низкой производительностью. На сегодняшний момент пассивное охлаждение процессора широко не используется, но применяется для других комплектующих — материнских плат, оперативной памяти, дешевых видеокарт [5, с. 2].
3) Воздушное охлаждение
Качество воздушного охлаждения напрямую зависит от размера радиатора, а также диаметра и изгиба лопастей. При увеличении вентилятора снижается количество необходимых оборотов для эффективного отвода тепла от процессора.
Также на охлаждение влияет само строение процессора. Отвод тепла к системам охлаждения и его распределение являются актуальными проблемами [5, с. 3].
Процессор при определённых условиях может перегреться, что ведет к росту потерь. Есть несколько основных систем, применяющихся для борьбы с перегревом:
1) CPU Internal Thermal Control — Использование системы защиты от перегрева процессоров Intel Pentium 4/Core2. Даная система защиты имеет два режимы работы: TM1 — при возникновении перегрева процессор пропускает несколько тактов; и ТМ2 — при возникновении перегрева снижается тактовая частота процессора [6, с. 14].
2) CPU Thermal Control — Использование встроенной в процессор системы защиты от перегрева. Может работать в трёх режимах — использовать только режим защиты процессора от перегрева ТМ1; использовать только режим защиты процессора от перегрева ТМ2; автоматический выбор режима защиты процессора от перегрева [6, с. 14].
3) CPU Thermal—Throttling — установка процента пропуска тактов при срабатывании защиты от перегрева в режиме ТМ1. Значения опции могут принимать следующие значения: 12.5 %, 25.0 %, 37.5 %, 50.0 %, 62.5 %, 75.0 %, 87.5 %. [6, с. 15]
4) Intel(R) SpeedStep Technology — использование технологии энергосбережения, которая в случае простоя процессора (или при малой нагрузке) уменьшает частоту и напряжение питания процессора [6, с. 15].
Данные системы требует передачи и обработки сигнала от датчика температуры, исходя из данных, полученных от данного датчика, поступает сигнал системе, на это так же затрачивается энергия.
Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.
5) Цифровой датчик температуры STLM75
Представляет собой вариант популярной микросхемы LM75 от STMicroelectronics. Наличие интерфейса I2C позволяет легко интегрировать данный датчик в микроконтроллерные проекты. Предельная простота организации обмена с микросхемой и низкая стоимость делают ее весьма привлекательной для использования.
По заявлениям производителя, STLM75 оснащена высокоточным температурным сенсором и сигма-дельта АЦП, позволяющим оцифровывать сигнал с разрешением 0.5°C. Точность измерений датчика при этом составляет не хуже чем ±3°C в диапазоне температур от –55°C до 125°C, и ±2°C в диапазоне от –25°C до +100°C. При этом стандартная точность заявлена на уровне разрешения — 0.5°C. Микросхема работоспособна в диапазоне напряжений от 2.7 до 5.5 В. Для работы STLM75 не требуется подключение никаких дополнительных компонентов, кроме подтягивающих резисторов I2C [7, с. 19].
В отличие от других сходных вариантов, данная микросхема сразу же после подачи питания начинает измерять температуру в циклическом режиме. При этом доступ к измеренному значению возможен в любое время, без организации каких-либо задержек и дополнительных команд. В простейшем случае (без режима термостата и «спящего» режима) достаточно просто прочитать регистр температуры.
При обработке информации процессор обменивается ей с оперативной (RAM) памятью и постоянной (ROM), а также с другими устройствами, например: ввода, вывода, передачи, обмена и другими процессорами включенными. В момент обмена данными процессор фактически простаивает, ожидая, когда прибудет новый кусок кода. Ожидание новых данных свойственно даже не параллельным программам, на чем основана технология Hyper Threading от Intel. А в случае параллелизмами (особенно в случае расчета на нескольких процессорах) доступ к данным из «чужой» оперативной памяти существенно медленнее, чем к «родной» для процессора памяти, от чего загрузка процессора оказывается неполной [8, с. 7].
Некоторые устаревшие программы не могут нормально работать с многоядерными процессорами и используют всего одно или несколько ядер. В такие моменты часть ядер процессора работает на «холостом ходу».
В данной работе проведен анализ энергетических затрат работы процессора, связанных с несовершенством транзистором, и приведены рекомендации по снижению электрических потерь.
Процесс миниатюризации транзисторов не остановился. При переходе на 45 нм компания Intel стала использовать новый материал, так называемый high-k диэлектрик, который заменил бесперспективно тонкий слой диоксида кремния. Слой на базе окиси редкоземельного металла гафния с высоким (20 против 4 у SiO2) показателем диэлектрической проницаемости. High-k стал более толстым, но это позволило сократить ток утечки более чем в десять раз, сохранив при этом возможность корректно и стабильно управлять работой транзистора. Новый диэлектрик оказался плохо совместим с затвором из поликремния. Для повышения быстродействия затвор в новых транзисторах был выполнен из металла [2, с. 103].
Таким образом, компания Intel стала первой в мире компанией, перешедшей к массовому производству микропроцессоров с использованием гафния. До сих никто не может воспроизвести эту технологию, т. к. пленка из диэлектрика создается методом атомарного напыления, причем материал наносится последовательными слоями толщиной всего в один атом.
В 1965 году один из основателей корпорации Intel, Гордон Мур, зафиксировал эмпирическое наблюдение, ставшее впоследствии знаменитым законом его имени. Представив в виде графика рост производительности микросхем памяти, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя равные промежутки времени — примерно 18–24 месяца — после появления их предшественников, а емкость микросхем при этом возрастала каждый раз примерно вдвое.
Количество транзисторов продолжает расти, хотя размеры процессора остаются относительно неизменными. Это связано с уменьшения размера транзисторов.
На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32 нм. Ключевые технические отличия от технологии 45 нм:
− используется 9 уровней металлизации
− применяется high-k диэлектрик нового поколения (тоже оксид гафния, но со специальными добавками — полученный слой эквивалентен 0,9 нм оксида кремния).
Создание нового технологического процесса для создания металлического затвора привело к 22 % увеличению производительности всех транзисторов (по сравнению с 45 нм), а также к самой большой плотности элементов, что потребовало самой большой плотности тока.
В 2012 году толщина пластин достигал 22 нм, в 2014 было запущено производство пластин толщиной 14 нм, в конце 2017 года компания Intel объявила о начале выпуска пластин толщиной 10 нм. К 2020 году компания ADM планирует освоить выпуск пластин толщиной 7 нм [9, с. 7].
Необходимость уменьшения толщины подзатворного диэлектрика диктуется простой формулой плоского конденсатора:
,
где 
–диэлектрическая проницаемость среды,
— электрическая постоянная,
- площадь одной обкладки конденсатора,
- расстояние между обкладками (толщина предзатворного диэлектрика).
Таким образом, для уменьшения токов утечки, а соответственно энергопотребления, нужно влиять на одну из составляющих формулы:
− Увеличить диэлектрическую проницаемость, за счёт поиска и разработки новых материалов.
− Увеличение размеров транзистора не эффективно, так как значительно уменьшит производительность и скорость работы затвора.
− Уменьшение расстояния между обкладками ограничивается возможностями современной техники, изготавливающей процессоры, и окончательно остановится при достижении данного расстояния в один атом.
Использовать другие материалы на данный момент проблематично, но существуют разработки в этой области.
− Создание графеновых транзисторов. Исследователи из HRL Laboratories объявили о создании графеновых полевых транзисторов, в которых подвижность зарядов в 100 раз превышает возможности современных кремниевых технологий. Для кремния экспериментально измеренная подвижность зарядов в кремнии составляет около 1400 квадратных сантиметров на вольт в секунду, для в графена подвижность может достигать 200 тысяч см2/В·с при комнатной температуре (правда, на практике пока был достигнут уровень лишь в 15 тысяч см2/В·с, что, более чем в 10 раз превосходит кремний). Исследователи из HRL Laboratories объявили о том, что им удалось создать устройства из единичного слоя графена на подложке из карбида кремния диаметром 2 дюйма. В транзисторах данного типа подвижность зарядов составляет порядка 6000 см2/В·с, что в 6–8 раз выше, чем у наиболее совершенной на сегодняшний день кремниевой технологии n-MOSFET.
− НМ технология FinFET от Intel. Впервые были запущены в серийное производство транзисторы с трехмерной структурой. О начале производства объемной транзисторной структуры Tri-Gate компания Intel известила общественность еще в 2002 г (рис. 1). Однако кристаллы с такими транзисторами корпорация начала продавать только в апреле 2015: новые процессоры Intel носят кодовое имя Ivy Bridge.
Рис. 1. 3D-транзистор Tri-Gate
В 3D-транзисторе Tri-Gate используются три затвора, расположенных вокруг кремниевого канала в объемной структуре, что обеспечивает уникальное сочетание производительности и очень малого потребления — преимуществ, востребованных как в смартфонах и планшетах, так и для мощных процессоров для ПК и серверов. Высокая эффективность новых транзисторов при низком напряжении питания позволяет создавать новые микроархитектуры на базе 22-нм процессоров Intel Atom. Здесь в полной мере используются возможности технологии 3D Tri-Gate, обеспечивающей очень малое потребление.
Литература:
- Кучеров Д. П. Источники питания ПК и периферии. [Текст]/Д. П. Кучеров. СПб: Наука и Техника, 2005. — 432 с.
- Антошина, И. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы [Текст]: аналитический обзор; Московский Государственный Университет Леса / Антошина, И.В., Котов Ю. Т. Москва: МГУЛ, 2005–432 с.
- Дмитрий Бондарь. Современные технологии изготовления чипов и сборки в полупроводниковой микроэлектронике [Текст] / Дмитрий Бондарь // Компоненты и технологии. — 2011. — № 4. — С. 104–112.
- Сергей Образцов. Схемотехника цепей питания процессоров Pentium 4 [Текст] / Сергей Образцов // Ремонт Электронной техники. — 2004. — № 11. — С. 45–50.
- Kunal Pardeshi. Cooling system for electronics in computer system- an overview [Text] / Kunal Pardeshi, P.G Patil, R. Y. Patil.; International Journal of Recent Engineering Research and Development, Volume No. 02 — Issue No. 02. — 4p.
- ASUSTek COMPUTER INC. («ASUS»). Motherboard Asus. P5V-VM [Text]: User Guide. First Edition. / ASUSTek COMPUTER INC. («ASUS») — September 2006. — 78p.
- STMicroelectronics. Stlm75. Digital temperature sensor and thermal watchdog [Text]: Review. / STMicroelectronics. — August 2010. — 40p.
- Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture [Text] / Deborah T. Marr [and others]. — Intel Technology Journal Q1, 2002. — 12p.
- Daniel Etiemble. 45-year CPU evolution: one law and two equations [Text] / Daniel Etiemble; University Paris Sud. Orsay, France — Mar 2018. — 6p.
