Archive for: Апрель, 2012

Зачем уменьшать размер базовых элементов процессоров

Апр 22 2012 Published by under Classes, Electronics

При прохождении прекрасного курса электроники от MIT, нашел ответ на давно занимавший меня вопрос — зачем производители процессоров всеми силами стремятся уменьшить размер элементов (техпроцесс)? Казалось бы, от уменьшения одна головная боль — строже нормы чистоты помещения, сложнее изготавливать шаблон для литографии, начинают влиять квантовые эффекты, сложнее контролировать качество и т.п. Миллионы долларов вкладываются в исследования, а нафига, собственно?

После изучения структуры MOSFET-транзистора и других элементарных вещей, я для себя сформулировал три причины.

Первая: эффекты, связанные с длиной волны света и частотой сигналов. Вся электроника (и не только она) строится на абстракциях и упрощениях. Для того, чтобы можно было безбоязненно комбинировать элементы между собой, не выполняя заново полный анализ, для элементов должен выполнятся принцип суперпозиции.

Чтобы выполнялся принцип суперпозиции, должно выполнятся требование, согласно которому масштаб сигнала должен быть значительно больше чем задержка распространения сигнала в схеме. То есть, при частоте в 3 ГГц, зная скорость света, получаем что размер схемы должен быть значительно меньше 10 см. Значительно, это значит раза в 3-4.

Вторая: энергопотребление и тепловыделение. Чем меньше элемент, тем меньше он потребляет и выделяет энергии. Правда, с уменьшением размера, увеличиваются сложности с теплоотводом, так что, видимо плюсы и минусы компенсируются.

Третья: MOSFET-транзиторы, из которых современный процессор состоит чуть более чем полностью, представляют собой не просто переключатель, управляемый напряжением. Из своей структуры, он также представляет собой маленький конденсатор, емкость которого исчисляется фемто-фарадами, но все-таки не нулевая. Каждый конденсатор вносит небольшую задержку в распространение цифрового сигнала, которая при увеличении количества связанных компонентов суммируется. В результате, на выходе вместо прямоугольного импулься мы получаем примерно вот такое:

Паразитную емкость можно уменьшить, уменьшив размеры самого транзистора. Количество же транзисторов, как мы знаем, подчиняется закону Мура, соответственно, размер их также должен уменьшаться пропорционально, чтобы задержки в гигагерцовых сигналах не сводили на нет итоговую производительность.

No responses yet