2.7. Основные проблемы миниатюризации

Таблица 2.1

Эволюция параметров микропроцессоров

*– прогнозируемые размеры и величины

Анализ проблемы тепловыделения проведен в следующих пунктах. О токах утечки более подробно о говорится в главе 9.

2.8. Анализ проблемы тепловыделения

Фундаментальной проблемой при увеличении степени интеграции является проблема тепловыделения. Первый ламповый компьютер ENIAC (1944 г.) имел довольно высокую тактовую частоту (~100 кГц), весил 20 т, и его 18 000 вакуумных ламп выделяли тепловую мощность ~ 150 кВт. Изобретение твердотельных слаботочных транзисторов и переход на интегральную технологию на ка- кое-то время сняли проблему тепловыделения, но рост степени интеграции вновь поставил ее в ряд важнейших.

Переключение цифровых элементов – это в конечном итоге зарядка и разрядка эффективных конденсаторов, при которых, как правило, выделяется тепло. На рис. 2.14 показана упрощенная модель элемента памяти, позволяющая проанализировать его работу. Она состоит из конденсатора с полной эффективной емкостью Сtot, [Ф], на котором может храниться информационный заряд. Этот конденсатор может заряжаться с помощью ключа через эффективное сопротивление R с помощью источника питания VDD [B] и раз-

ряжаться с помощью контакта «земля». Как обычно, высокий потенциал (VDD ), запираемый с помощью ключа на узле М, будет со-

ответствовать логической единице, нулевой потенциал («земля») – логическому нулю.

47

Основными процедурами обработки сигнала условно являются: WRITE – зарядка конденсатора через сопротивление до напря-

жения питания VDD;

READ – считывание сигнала через вольтметр;

ERASE – уничтожение сигнала через заземление. Потенциальная энергия конденсатора с емкостью C, заряженно-

го до разницы потенциалов VDD ,

Epot = ∫0VDD Q(V ')dV '=∫0VCtot V 'dV '=Ctot VDD2 2 = Q2 2Ctot . (2.8.1)

Рис. 2.14. Прототип цифровой ячейки памяти

Конденсатор заряжается через сопротивление R . Каждый электрон при переходе через резистор отдает в тепло энергию, равную

разности потенциалов на выводах сопротивления q (VDD −V '). Тогда энергия, перешедшая в тепло при повышении потенциала в точке М от 0 до VDD (энергия диссипации Edissip ), равна

Edissipat = ∫0VDD (VDD −V ')I (V ')dt =

= ∫0VDD (VDD −V ')dQ(V ') =∫0VDD Ctot (VDD −V ')dV '=

48

Таким образом, при зарядке описанного типа необратимо теряется (переходит в тепло) ровно половина от полной затраченной энергии Edissip = (1/ 2)ES . Другая половина накапливается в форме

энергии электрического поля конденсатора и, в принципе, может быть использована. К сожалению, современная архитектура микропроцессоров такова, что пока никто не заботится об использовании накопленной потенциальной энергии конденсаторов, и в следующих тактах она неизбежно теряется (переходит в тепло).

Итак, в цикле WRITE часть энергии CVDD2 2 теряется в сопротивлении; такая же энергия CVDD2 2 накапливается в форме потен-

циальной энергии конденсатора. В цикле READ энергия не затрачивается, по крайней мере, в идеале. И, наконец, в цикле ERASE

потенциальная энергия CVDD2 2 переходит в тепло. Таким образом, за один полный активный такт затрачивается и уходит в тепло CVDD2 энергии. На практике перезарядка элементов происходит не каждый такт, т.е. не каждый такт является активным. Определим активность схемы 0 < α <1 как среднюю долю элементов, перезаряженных за один такт (нет активности – нет потребления).

ность, рассеиваемая в одном элементе. Если NG – плотность интеграции, т.е. количество затворов на см2 чипа, то тепловая мощность теплового потока динамического энергопотребления (т.е., происходящего при переключениях) можно грубо оценить по формуле

Рост степени интеграции и тактовой частоты привел к тому, что мощность теплового потока от поверхности микропроцессора современного компьютера угрожающе растет (табл. 2.3).

49