Ограничения частотного роста

С точки зрения пользователя, быстродействие процессора характеризуется временем выполнения определенного набора команд, последовательность которых образует компьютерную программу. Чем оно меньше, тем выше производительность. Иными словами:

производительность= (количество микрокоманд за такт) ×(тактовая частота)

Модели процессоров одного семейства, имеющие более высокие показатели тактовых частот, обладают и большей производительностью. Именно поэтому на протяжении сравнительно длительного времени повышение производительности процессора достигалось путем увеличения тактовых частот, на которых работают полупроводниковые ядра процессоров.

Однако безудержному росту тактовых частот препятствуют объективные физические законы, определяющие работу элементов уже нанометровых размеров. В ряду таких элементов нужно назвать прежде всего полупроводниковые транзисторы, изготовленные по технологии КМОП (CMOS). Параметры этих транзисторов (десятки миллионов которых составляют основу ядер процессоров) в значительной степени зависят от типоразмеров.

Изменение размеров определяется эволюцией технологических процессов, в соответствии с которыми осуществляется выпуск процессоров. Среди параметров, характеризующих техпроцесс, одним из основных выступают габариты полупроводниковых элементов (уменьшаемые каждые два года).

Совершенствование технологии и постепенное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению их параметров, важнейшими из которых являются скоростные свойства. Благодаря уменьшению длины затвора в М раз пропорциональным образом возрастают частотные параметры и плотность размещения транзисторов.

Параметры Коэффициент

Длина затвора (X)	1/M
Ширина затвора (Y)	1/M
Толщина затвора (Z)	1/M
Плотность размещения	M*M
Частота работы	M
Напряжение	1/M

Таблица 1.Масштабирование транзисторов

Однако работающие на высоких частотах транзисторы, десятки миллионов которых расположены на очень малой площади полупроводникового кристалла, оказывают друг на друга негативное влияние.
Это влияние можно легко проиллюстрировать на примере расположенных рядом проводников, соединяющих элементы в ядре процессора (рис. 1).

Рис. 1. Взаимное влияние проводников, соединяющих элементы в ядре Данные проводники обладают взаимной емкостью, которая, как известно, зависит от расстояния между проводниками и площади обращенных друг к другу сторон и вычисляется по известной формуле: C = k × S / d, где С — емкость, S — площадь, d — расстояние, k — коэффициент диэлектрической проницаемости среды. Взаимная емкость способствует появлению неконтролируемых токов: на высоких частотах образованный проводниками конденсатор обладает проводимостью. Оценивая поведение приведенной схемы на высоких частотах, нельзя не заметить, что размеры проводников малы, но мало и расстояние между ними. Учитывая же величины частот, а также количество таких проводников, составляющее многие миллионы, можно утверждать, что их влиянием на частотные свойства внутренних структур процессорного ядра нельзя пренебрегать. Особенно если принять во внимание то обстоятельство, что каждый проводник обладает еще и активным сопротивлением, и индуктивностью (рис. 1). Остается добавить, что и активные (резисторы), и реактивные (емкости, индуктивности) составляющие полного импеданса являются распределенными по всей длине проводников, что многократно усложняет описание и поведение подобных систем на высоких частотах. Однако ситуация является еще более сложной, особенно если вспомнить, что описанная система находится не в вакууме, а между проводниками находятся вещества, обладающие определенными диэлектрическими свойствами, влияющими на величины взаимных емкостей. Из приведенного рисунка должно быть понятно, почему конструкторы стремятся использовать для изоляции элементов полупроводниковых микросхем материалы с меньшей величиной диэлектрической проницаемости (k). Кроме топологии проводников, необходимо учитывать и влияние самих транзисторов. Каждый из них, обладая собственными емкостными и индуктивными характеристиками, искажает высокочастотные сигналы и способствует росту токов утечки. Кроме того, транзисторы являются активными элементами: оказывая электромагнитное воздействие на близлежащие элементы, они, в свою очередь, сами испытывают аналогичное влияние от соседних цепей.

Входящие же в состав транзисторов p-n- переходы способны осуществлять непредусмотренное детектирование наведенных токов, их усиление и последующую передачу. Общая картина многократно усложняется, если учесть, что размеры транзисторов уже достигли тех значений, когда все большее влияние начинают оказывать квантовые эффекты. Миниатюризация полупроводниковых элементов, работающих на сверхвысоких частотах в условиях значительных электромагнитных помех, обусловливает стремительный рост неуправляемой составляющей токов в электронных схемах. Здесь следует напомнить, что для сохранения устойчивости работы электронных схем токи, контролируемые работающими элементами, должны быть больше неуправляемых токов утечки. В результате негативных явлений, порождаемых процессами миниатюризации, неуправляемые токи, основу которых составляют токи утечки, а также паразитные токи, связанные с ростом частоты переключения транзисторов, препятствуют снижению теплообразования процессоров за счет миниатюризации элементов. Это означает, что ожидаемого существенного снижения теплообразования не происходит, несмотря на уменьшение напряжения питания, достигнутое благодаря уменьшению типоразмеров транзисторов. Доля указанной неконтролируемой части электрического тока, и без того довольно значительная, еще более увеличивается с ростом частоты. Однако обратная сторона частотного роста — опять же сравнительно быстрое увеличение теплообразования процессоров. Учитывая же тот факт, что площадь кристалла процессора практически остается постоянной, рост теплообразования способствует увеличению плотности энергии. Высокая же мощность теплообразования сопровождается перегревом внутренних структур процессора, что негативно сказывается на работоспособности, а также усиливает и ускоряет процессы деградации полупроводников.

Содержание раздела