Предельные возможности элементной базы электронной компьютерной техники

 

Три основных фундаментальных предела характеристик логической ячейки на основе электронной техники могут быть определены из основных законов термодинамики, квантовой механики и электромагнитной теории. Первоначально рассмотрим термодинамический предел. Предположим, что узел N ячейки (рис. 12),

 

Рис. 12. Эквивалентная электрическая схема элементарной логической ячейки

 

расположен в чипе микропроцессора и что между N и G существует эквивалентное сопротивление R. Исходя из статистической термодинамики, можно показать, что среднеквадратичное значение шумового напряжения U разомкнутой цепи R дается выражением:

(1),

где k = 1,38∙10^-23 Дж/K – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура в градусах Кельвина, Df –  частотная полоса спектра шума. Соответственно, средняя мощность шума P_ш, излучаемая ячейкой, определяется выражением:

(2).

Теперь, можно утверждать, что, если состояние логической ячейки изменяется от 0 до 1, или наоборот, то средняя сигнальная мощность P_C в течение времени переключения должна быть больше чем (или по крайней мере равна) шумовой мощности с коэффициентом g, который для обеспечения безошибочной работы ячейки обычно принимают равным 4:

 (3),

учитывая, что время переключения t_d ячейки обратно пропорционально частотной полосе спектра шума. Также можно записать выражение для уровня минимальной энергии переключения E_C:

(4).

Исходя из (3) можно сделать оценки минимальной энергии, необходимой для переключения электронной ячейки при комнатной температуре T = 300°K: E_C ≥ 1,66∙10^-20 Дж = 0,104 эВ. Из данной оценки следует вывод о минимально возможном напряжении на электронном узле – напряжение меньшее 0,1 В будет приводить к его нестабильной работе, вследствие тепловых шумов, что и видно из характеристик транзистора на рис. 13.

 

Рис. 13. Передаточная кривая транзистора, изготовленного по технологии КМОП (кремний-метал-окисел-полупроводник)

 

Второй фундаментальный предел по энергии электронной ячейки может быть получен из квантовой механики, из гейзенберговского соотношения неопределенности, который может интерпретироваться следующим образом: физическое изменение энергии квантовой системы связанно со  временем переключения Dt следующим неравенством:

 (5),

где ħ = 1,055∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка. Соответственно, для мощности переключения можно записать:

 (6).

Третий фундаментальный предел связан со скоростью распространения электрического импульса по микрочипу v, который не может быть больше скорости света в вакууме c₀:

 (7),

где L – длина межсоединения между ячейками. Из (7) можно оценить предельную тактовую частоту микропроцессора размером 1×1 см² – минимальная длина межсоединений в таком чипе (длина по диагонали) L_min = √2 ≈ 1,41 см, соответственно Dt_min ≈ L_min/c₀ ≈ 47 пс и f_max ≈ 22 ГГц. Увеличение тактовой частоты возможно при размещении на чипе нескольких синхронизированных тактовых генераторов, но это приводит к усложнению архитектуры микропроцессора.

    Основные свойства полупроводника как материала, которые определяют пределы его использования это 1) подвижность носителей (электронов и вакансий) 2) максимальная скорость носителей, 3) напряженность электрического поля самоионизации (пробоя), и 4) коэффициент теплопроводности. Определим влияние наиболее важного параметра - теплопроводности полупроводника. Рассмотрим изолированную электронную полупроводниковую ячейку, в форме полусферы с радиусом r_i,  расположенной на идеальном радиаторе с температурой T₀ (рис. 14).

 

Рис. 14. Схема отвода тепла от электронной логической ячейки

 

Основываясь на уравнении теплопроводности (Фурье), можно записать (8):

 

Q = -KAdT/dx  (8),

где Q - тепловой поток в Дж/с через подложку в присутствии температурного градиента dT/dx, K - коэффициент теплопроводности, A – площадь излучающей тепло поверхности. Радиус полусферы определяется максимальной скоростью движения электронов v_S и временем переключения t_d, т.е. r_i = v_S∙t_d, тогда выражение для площади A можно записать в виде:

(9).

Переходя от производных к конечным разностям, dT = DT, dx = r_i, подставив (9) в (8) можно получить выражение для отвода мощности P от ячейки:

 (10),

т.е. отводимая мощность прямо пропорциональна времени переключения. Принимая DT = 100°С (обычная разность температур, определяемая воздушным охлаждением радиатора), K_Si ≈ 1Вт∙см^-1∙град^-1, v_S = 10⁷ см∙с^-1 (максимальная скорость электронов в кремнии) можно получить следующую зависимость мощности от времени переключения (кривая c рис.15). На рис. 15 также представлены зависимость (3), определяющая термодинамический предел (кривая b) и зависимость (6), определяющая квантовый предел (кривая а). Диагональные линии на графике представляют собой уровни равной энергии переключения от 10^-9 Дж (нДж) до 10^-21 Дж (зДж), заштрихованные области представляют области запрещенных значений энергий с точки зрения фундаментальных законов (слева от кривых a b), так и с точки зрения отвода тепла (над кривой с).  На рис. 15 также представлены более подробные расчетные кривые, отражающие зависимость мощности от времени переключения с учетом характеристик кремния (d), свойств транзисторов (e), свойств электрической цепи логической ячейки (f) и пределы, определяемые совокупностью элементов микропроцессора (логических ячеек, межсоединений и т.д.) (g), отображены области предельных характеристик кремниевой электроники (i) и возможная область предельных характеристик оптоэлектронных устройств (j).

Можно рассчитать точки на графике, соответствующие современным микропроцессорам, исходя из потребляемой мощности (равной ~100 Вт), числа транзисторов и тактовой частоты –– Pentium IV 55 млн., 3 ГГц, Itanium Montecito 1720 млн., 1,5 ГГц. Несмотря на столь большое количество транзисторов, в каждом такте используется по разным оценкам не более 10⁵ транзисторов. То есть имеет место простой значительной части оборудования, потенциально способного производить обработку данных. Конечно, простой оборудования имеет и некоторое достоинство: это оборудование потребляет и выделяет мало электрической и тепловой энергии.

 

Рис. 15. Зависимости, определяющие пределы потребления энергии от времени переключения для электронной логической ячейки. Фундаментальные пределы: (a) – квантовый, (b) – термодинамический. Предел отвода тепла (c); пределы, определяемые электрическими свойствами кремния (электрический пробой, скорость носителей) (d); пределы, определяемые свойствами транзистора (e); пределы, определяемые свойствами электрической цепи логической ячейки (f); пределы, определяемые совокупностью элементов микропроцессора (логических ячеек, межсоединений и т.д.) (g). Область предельных характеристик кремниевой электроники (i), возможная область предельных характеристик оптоэлектронных устройств (j)

 

Расчеты показывают, что на одну ячейку в Pentium IV приходится 2 мВт при времени переключения 0.33∙10^-9 с и на Itanium Montecito приходится 60 мкВт при времени переключения 0.66∙10^-9 с т.е. данные процессоры расположены в зоне (i) рис. 15.

Рассмотрим влияние емкостных характеристик электронной схемы микрочипа на потребление ею энергии. Как видно из рис. 16, величина емкости между двумя проводящими структурами микропроцессора не изменяется с уменьшением характерного размера микросхемы или технологии.

 

Рис. 16. Технологическая зависимость относительной величины емкости между двумя проводящими структурами микрочипа

 

Однако с уменьшением характерного размера и ростом числа элементов на микросхеме растет число межсоединений и их длина. С ростом длины межсоединений растет величина емкости, и, соответственно возрастают энергетические потери (рис. 17).

Рис.17. Потери энергии вследствие перезарядки распределенной RC цепи проводника при передаче напряжения 1 В от его длины

 

Для энергии E на перезарядку суммарной емкости микрочипа C_S в каждом рабочем такте можно записать следующую формулу:

, (11)

где U – напряжение питания микросхемы. Поскольку суммарная емкость растет, растут и потери.

С переходом на все более совершенную технологию с меньшим характерным размером возрастает и сопротивление медных контактов, используемых для межсоединений (рис. 18). Соответственно возрастает время прохождения сигнала по межсоединениям, т.к. время на перезарядку распределенной RC-цепочки определяется формулой:

                                  (12),

где r – сопротивление на единицу длины, c – удельная емкость, L-длина межсоединений.

 

 

Рис. 18. Рост удельного электрического сопротивления медной пленки с уменьшением её толщины

 

Если у отдельного транзистора микросхемы уменьшить габариты активной области до 20 нм, можно получить время переключения ~ 1 пс, т.е. он может работать на тактовой частоте 1 ТГц, однако, наличие межсоединений к такому транзистору дают задержку в 25 пс, что не позволяет всей схеме работать на частоте выше 40 ГГц.

Энергия, обеспечивающая представление логической «1» и «0» в микропроцессоре, может быть накоплена и хранится на конденсаторе С_вых, входящем в состав электронной схемы логического вентиля. В некоторых схемах стационарные состояния могут быть обеспечены при протекании тока через вентиль. В обеих схемах происходит транспортировка энергии от источника к логической электронной ячейки с использованием материального носителя электрона. Транспорт электрической энергии, согласно закону Джоуля-Ленца, сопровождается ее превращением в тепло. И поэтому даже в стационарных состояниях от источника энергоснабжения потребляется энергия. Накопление энергии происходит путем ее транспорта от источника энергопитания по электрическим цепям с паразитными резисторами и, следовательно, сопровождается джоулевыми потерями.

Потребляемая и соответственно выделяемая процессом энергия определяется не только активными потерями, связанными с информационным представлением, но также и различными пассивными потерями в электронных схемах. К таким паразитным эффектам, в значительной мере определяющим энергетику логических схем, прежде всего, необходимо отнести диссипацию энергии на сопротивлениях переключателей и соединений и из-за утечки тока через закрытые переключатели. Почему термолизация энергии неизбежна в цифровых системах, построенных на электронных схемах традиционных управляемых переключателей, традиционных электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов и т.п.). Ответ прост. Электронные компоненты являются «неидеальными» и их шунтируют паразитные сопротивления, обуславливающие утечки тока. Паразитные сопротивления включаются и последовательно с «идеальными» элементами. Сопротивления включены последовательно и/или параллельно конденсаторам, диодам и, конечно, переключателям (транзисторам). Физические механизмы, обуславливающие эти утечки тока, определяются туннельным эффектом, термоэлектрической эмиссией, генерацией носителей в области пространственного заряда и другими физическими эффектами. Паразитные сопротивления имеют большую величину (порядка 10⁹ – 10¹² Ом), но, тем не менее, они в значительной мере определяют энергетику современных электронных цифровых устройств об­работки информации. Действительно, при напряжении на ядре микропроцессора 1 В ток утечки одной ячейки составляет величину 10^-9... 10^-12 А, но при общем числе элементов на микросхеме N = 10⁹, ток может достигать и превышать 1 А. Уменьшение характерного размера микросхем приводит только к увеличению пассивных потерь, причем их рост происходит быстрее активных, что наглядно представлено на рис. 19.

Рис. 19. Рост потерь мощности в полупроводниковых процессорах

 

Энергия активных и пассивных потерь полностью диссипируется в электронных логических ячейках и порождает проблемы теплоотвода. На рис. 20 приведена временная зависимость плотности мощности микропроцессоров, иллюстрирующая серьезность проблемы теплоотвода в цифровых устройствах. Эффективный теплоотвод необходим для термостабилизации цифровых устройств, поскольку повышение температуры является основным дестабилизирующим фактором при производстве информации с высокими скоростями.

    Сформулируем основные ограничения электронной информационной технологии: с ростом числа элементов на микросхеме увеличивается электрическая емкость системы и препятствует увеличению тактовой частоты; увеличение числа элементов приводит к росту числа межсоединений и, соответственно, к увеличению времени задержки прохода сигнала между макроструктурами процессора; с уменьшением характерного размера элемента возрастают активные и пассивные потери, что приводит к нагреву системы и проблеме отвода тепла.

 

Рис.20. Проблема отвода тепла от микропроцессора