Sfârșitul scalărului Dennard alimentează o criză termică în jetoanele de ultimă generație
Pe scurt: De mai bine de jumătate de secol, progresul neobosit al dreptului lui Moore a determinat inginerii să dubleze numărul de tranzistoare pe un cip aproximativ la fiecare doi ani, alimentând o creștere exponențială a puterii de calcul. Cu toate acestea, pe măsură ce jetoanele au devenit mai dense și mai puternice, a apărut un adversar formidabil: căldura. Creșterea temperaturilor în cadrul procesoarelor moderne și GPU-uri au consecințe de anvergură care au impact asupra performanței și consumului de energie. De -a lungul timpului, căldura excesivă încetinește propagarea semnalului critic, degradează performanța cipurilor și crește scurgerea curentă – pierderea puterii și subminerea câștigurilor de eficiență pe care legea lui Moore le -a promis odată.
Problema de bază este strâns legată de sfârșitul scalărului Dennard, un principiu care a permis odată inginerilor să micșoreze tranzistoarele și să reducă tensiunea simultan – menținând consumul de energie electrică. Cu toate acestea, până la mijlocul anilor 2000, reducerile ulterioare ale tensiunii au devenit imposibile, chiar dacă densitatea tranzistorului a continuat să crească. Această divergență a dus la o creștere constantă a densității puterii și, în mod inevitabil, la o mai mare generare de căldură.
Pe măsură ce jetoanele cresc mai compact și mai puternic, gestionarea sarcinii termice a devenit o provocare critică pentru industria semiconductorilor. Potrivit lui James Myers, care conduce programul de cooptimizare a tehnologiei sistemului la IMEC și a scris un articol recent pentru IEEE Spectrum, este necesară o nouă abordare pentru a prezice și aborda modul în care tehnologiile semiconductoare în evoluție va influența generarea și disiparea căldurii.
Myers și colegii săi au dezvoltat un cadru de simulare care integrează instrumente de automatizare electronică standard și open-source cu software proprietar. Acest cadru le permite să exploreze interacțiunea dintre tehnologia CIP și comportamentul termic la nivel de sistem.
Descoperirile lor sunt fără echivoc: fiecare nouă generație de tehnologie semiconductoare agravează provocarea termică. Densitatea puterii continuă să crească pe măsură ce producătorii trec la tranzistorii nanosheet și, în cele din urmă, la tranzistoarele complementare cu efect de câmp (CFET). Simulările nodurilor tehnologice viitoare, cum ar fi A10 (1 nanometru) și A5, proiectează o creștere de 12 până la 15 la sută a densității puterii de la A10 la A5, ceea ce duce la o creștere a temperaturii de aproximativ nouă grade Celsius la aceeași tensiune de funcționare.
În centrele de date care adăpostesc milioane de jetoane, o astfel de creștere a densității puterii ar putea marca diferența dintre funcționarea stabilă și fuga termică catastrofală. Metodele tradiționale de răcire, cum ar fi căldurile răcite cu aer, sunt deja completate de răcirea lichidă în instalații de înaltă performanță. Cu toate acestea, chiar și aceste tehnici avansate pot fi insuficiente pentru a gestiona căldura generată de următoarea generație de tehnologii Chip.
Pentru a rezolva acest lucru, cercetătorii investighează soluții alternative, inclusiv răcirea microfluidică, care canalizează lichidul de răcire prin pasaje microscopice încorporate în cip; Impingement jet, care folosește fluxuri de răcire de mare viteză direcționate pe suprafața cipului; și răcire de imersiune, unde plăcile întregi sunt scufundate într -un fluid dielectric conductiv termic.
Cu toate acestea, aceste metode nu pot fi practice în toate setările – în special în dispozitivele mobile în care dimensiunea, greutatea și durata de viață a bateriei sunt strâns restricționate sau în centrele de date unde modernizările infrastructurii pot fi costisitoare și perturbatoare.
Dincolo de răcire, strategiile la nivel de sistem sunt din ce în ce mai utilizate pentru a gestiona temperaturile. Senzorii termici, de exemplu, pot declanșa reduceri dinamice ale tensiunii și frecvenței pentru a reduce consumul de energie mai scăzut. Cu toate acestea, acest lucru este adesea în detrimentul performanței, un compromis familiar oricui al cărui smartphone încetinește sub căldura luminii solare directe.
O altă tehnică, cunoscută sub denumirea de sprint termic, rotește sarcinile de lucru printre nucleele procesorului, permițând să se răcească nucleele supraîncălzite în timp ce altele preiau. Deși eficientă pentru scurte explozii de activitate, această abordare poate reduce randamentul general și poate introduce latența în timpul sarcinilor de muncă susținute.
O nouă frontieră promițătoare în managementul termic implică utilizarea din spate a plafonului de cip. Prin mutarea rețelei de livrare a puterii în partea inferioară a cipului, o strategie cunoscută sub numele de rețeaua de livrare a energiei din spate (BSPDN), inginerii pot reduce rezistența electrică și pot permite funcționarea la tensiuni mai mici, scăzând astfel generarea de căldură.
Toate turnurile majore avansate ale CMOS sunt așteptate să adopte tehnologia BSPDN până în 2026. Îmbunătățirile viitoare pot include integrarea condensatoarelor de mare capacitate și regulatoarele de tensiune pe cip pe spate, permițând controlul mai fin al tensiunii și îmbunătățirea în continuare a eficienței energetice.
Aceste inovații nu sunt lipsite de compromisuri. Subțiarea substratului de siliciu pentru a permite tehnologiile din spate poate reduce capacitatea sa de a disipa căldura, creând potențial noi puncte termice termice. Simulările sugerează că BSPDN -urile ar putea crește temperaturile locale cu până la 14 grade Celsius, subliniind necesitatea strategiilor suplimentare de atenuare.
Aceste evoluții se încadrează în ceea ce IMEC se referă la epoca „CMOS 2.0”, care este definită de arhitecturi de tranzistor avansate și straturi logice specializate. Prin optimizarea modului în care semnalele sunt conduse pe cip, aceste tehnologii își propun să ofere performanțe îmbunătățite și eficiență energetică, alături de câștigurile potențiale în gestionarea termică.
Cu toate acestea, implicațiile termice complete rămân incerte și cer o investigare minuțioasă, deoarece aceste tehnologii continuă să evolueze.
Myers avertizează că abordările bazate pe software pentru controlul termic, deși sunt utile, sunt inerent imprecise. Adesea accelerează zone mai mari ale unui cip decât este necesar, ceea ce poate reduce inutil performanța. În schimb, pledează pentru o strategie holistică cunoscută sub numele de cooptimizare a tehnologiei de sistem, care integrează proiectarea sistemului, aspectul fizic și tehnologia procesului într-un proces de dezvoltare unificat.
Myers concluzionează că, prin încurajarea colaborării între discipline și folosind instrumente avansate de simulare, industria poate anticipa și aborda mai bine provocările termice de montare cu care se confruntă cipurile viitoare.
