"अंधेरे" सिलिकॉन के युग में जीवन। भाग 1

अन्य भाग: भाग २ भाग ३

हालांकि संचार कारखानों के बारे में कहानी की निरंतरता मेरे नियंत्रण से परे कारणों से स्थगित है, मैं एक और विषय को कवर करना चाहूंगा।
8 से 12 अक्टूबर तक, रूस में माइक्रो-और नैनोइलेक्ट्रोनिक सिस्टम विकसित करने की समस्याओं के लिए समर्पित सबसे बड़ा सम्मेलन आयोजित किया गया था। और यद्यपि यह सम्मेलन अपने आप में एक नकारात्मक छाप छोड़ गया, लेकिन भाषणों में से एक भीड़ से बाहर खड़ा था और शायद प्रिय पाठकों के लिए दिलचस्प होगा। यह एक विश्लेषणात्मक रिपोर्ट "लाइफ विथ" डार्क "सिलिकॉन है। भविष्य के प्लेटफार्मों में पावर और टर्मिनल समस्याएं ”, माइक किशिनव्स्की (प्रिंसिपल इंजीनियर, स्ट्रैटेजिक सीएडी लैब्स, इंटेल कॉर्प) द्वारा प्रस्तुत की गई हैं। मैं सम्मेलन सामग्री और तीसरे पक्ष के स्रोतों का उपयोग करके इस रिपोर्ट के मुख्य विचारों के बारे में बात करने की कोशिश करूंगा।

"डार्क" सिलिकॉन क्या है

इसलिए, जैसा कि सभी जानते हैं, 1965 में, इंटेल कॉर्पोरेशन के संस्थापकों में से एक गॉर्डन मूर ने एक अवलोकन किया, जिसे बाद में "मूर का नियम" कहा गया। [१] इस अवलोकन के अनुसार, एक सिलिकॉन क्रिस्टल पर रखे गए ट्रांजिस्टर की संख्या लगभग हर दो साल में दोगुनी हो जाती है। तेजी से जटिल प्रक्रियाओं के आगमन के लिए यह प्रवृत्ति 45 से अधिक वर्षों से बनी हुई है। अब 22nm प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का सक्रिय रूप से उपयोग किया जाता है, 14nm अगले 1-2 वर्षों में दिखाई देगा, और 10nm भी कोने के आसपास है। [2]
यदि यह प्रवृत्ति जारी रहती है, तो 2022 तक एक चिप के अंदर ट्रांजिस्टर की संख्या एक खरब तक पहुंच जाएगी, और धातुरूप परतों (ट्रांजिस्टर के बीच संबंध बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली) 14-18 टुकड़ों तक पहुंच जाएगी - यह इतनी बड़ी संख्या में ट्रांजिस्टर को एक ही सिस्टम में प्रभावी ढंग से संयोजित करने के लिए आवश्यक है । [३] लेकिन, दुर्भाग्य से, सब कुछ इतना बादल रहित नहीं है।

निर्भरता के अनुसार, Dennard के नियम के रूप में जाना जाता है, जब तकनीकी प्रक्रिया S समय को बढ़ाती है, कंप्यूटिंग शक्ति (आदर्श परिस्थितियों में) S ^{3 के} रूप में बढ़ जाती है। इसके अलावा, इस तरह की वृद्धि अतिरिक्त ऊर्जा ओवरहेड के बिना होती है। यह इस तथ्य से समझाया जाता है कि उसी क्षेत्र में अधिक काम करने वाले ट्रांजिस्टर एस ² में रखे जाते हैं, और ऐसे ट्रांजिस्टर उच्चतर घड़ी की आवृत्ति पर काम कर सकते हैं। इस मामले में, समाई और ऑपरेटिंग वोल्टेज को एस समय से कम किया जा सकता है। [4]
व्यवहार में, जैसे ही प्रक्रिया कम हो जाती है, एक बंद ट्रांजिस्टर वृद्धि के माध्यम से बहने वाली रिसाव धाराएं, जो ऊर्जा की खपत में वृद्धि का मुख्य कारक है, जो आदर्श स्थिति में नहीं बदलेगी। इस वृद्धि के परिणामस्वरूप, दो हज़ारवाँ गर्मी में कुछ प्रोसेसरों का अपव्यय एक परमाणु रिएक्टर के आंत्रों में देखा जा सकता है, और ऊर्जा की खपत वेल्डिंग मशीन के साथ अधिक जुड़ी हुई थी, न कि एक उच्च तकनीक वाले उपकरण के साथ। [5]
ऊर्जा की खपत की कुछ सीमाओं के भीतर बने रहने की आवश्यकता के कारण यूटिलाइजेशन वॉल नामक प्रतिबंध की उपस्थिति हुई, जिसके अनुसार, प्रत्येक नई तकनीकी प्रक्रिया के साथ और कट्टरपंथी तकनीकी परिवर्तनों की अनुपस्थिति में, सक्रिय कार्य (शाब्दिक रूप से, जहां स्विच कर सकते हैं) में शामिल क्रिस्टल क्षेत्र का अंश तेजी से घटता है। इसके अलावा, इस क्षेत्र को इकाइयों या एक प्रतिशत के अंशों में भी मापा जाता है। [६] क्रिस्टल का शेष बड़ा हिस्सा, जो वर्तमान में काम में शामिल नहीं था, उसे "डार्क" सिलिकॉन कहा जाता था।


उपयोग की दीवार

नतीजतन, नए माइक्रोप्रोसेसरों के डेवलपर्स को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि ऑपरेशन के किसी भी क्षण में, अधिकांश क्रिस्टल "अंधेरे" या "सुस्त" सिलिकॉन हैं - यह निष्क्रिय है या काफी कम घड़ी आवृत्ति पर संचालित होता है।
माइकल टेलर ने अपने लेख “क्या डार्क सिलिकॉन उपयोगी है? आने वाले डार्क सिलिकॉन एपोकैलिप्स के चार हॉर्समेन का उपयोग करते हुए "[7] में" "एपोकैलिप्स के सवार" का उल्लेख किया गया है - चार बुनियादी दृष्टिकोण जो "डार्क" सिलिकॉन के युग में माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक को पनपने की अनुमति देते हैं। ये दृष्टिकोण: नई तकनीकी प्रगति का उपयोग करना, ऊर्जा दक्षता, विशेषज्ञता और ऊर्जा प्रबंधन के लिए समानांतरकरण। इसके अलावा, सिस्टम-स्तरीय अनुकूलन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इन दृष्टिकोणों पर आगे चर्चा की जाएगी।

"डेस एक्स माचिना हॉर्समैन" या प्रक्रिया प्रगति।

“MOSFETs मूलभूत समस्या है। "

हम FinFets, Trigate, High-K पर स्विच कर सकते हैं,
एक बार के सुधारों के लिए नैनोट्यूब, 3 डी,
लेकिन कोई भी स्थायी समाधान नहीं है
पीढ़ियों की प्रक्रिया।

सिलिकॉन सर्वनाश के सभी चार सवारों में से, यह अब तक का सबसे अप्रत्याशित है। साहित्य या रंगमंच में, ड्यूस एक्स माचीना एक ऐसे भूखंड को संदर्भित करता है जिसमें मुख्य पात्र पूरी तरह से बर्बाद लगते हैं, लेकिन तब पूरी तरह से अप्रत्याशित और अप्रत्याशित स्थिति से बचने के लिए कहीं से भी बाहर निकलता है।
डार्क सिलिकॉन के मामले में, ड्यूस एक्स मचिना सेमीकंडक्टर तकनीक में एक वैज्ञानिक सफलता हो सकती है। हालांकि, ऐसी सफलताएं काफी मौलिक होनी चाहिए। और, सबसे अधिक संभावना है, निकट भविष्य में, इस तरह की सफलता के लिए पारंपरिक MOSFET प्रौद्योगिकी के अलावा अन्य ट्रांजिस्टर के उपयोग की आवश्यकता होगी। कारण यह है कि रिसाव धाराओं को मूलभूत भौतिक सिद्धांतों द्वारा निर्धारित किया जाता है। जबकि नवाचार जैसे कि FinFET / ट्राई-गेट ट्रांजिस्टर का आविष्कार या हाई-के डाइलेट्रिक्स का उपयोग आदि महत्वपूर्ण उपलब्धियों का प्रतिनिधित्व करते हैं। लेकिन वे एक बार होने वाले सुधारों की अधिक संभावना रखते हैं, न कि स्केलेबल परिवर्तनों की। [[] मैं ट्राई-गेट के लाभों पर ध्यान केन्द्रित नहीं करूंगा एक बार से अधिक उनके बारे में लिखा गया था :)

प्रौद्योगिकियों का विकास जो MOSFET को बदल सकता है, लंबे समय से चल रहा है। दो संभावित और (फिलहाल) सबसे आशाजनक उम्मीदवार: ये टीएफईटी ट्रांजिस्टर और नैनो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल स्विच हैं। यह विश्वास करने के कारण हैं कि ये दोनों प्रौद्योगिकियां वर्तमान में उपयोग में आने वाले समाधानों की तुलना में परिमाण के आदेशों से रिसाव की धाराओं को कम कर सकती हैं, लेकिन साथ ही, वे अभी भी औद्योगिक उपयोग से बहुत दूर हैं।

सफलता प्रौद्योगिकियों के अस्तित्व के बारे में आशावाद का एक स्रोत मानव मस्तिष्क का प्रदर्शन, ऊर्जा दक्षता और घनत्व है। मस्तिष्क 100 ट्रिलियन सिनैप्स को जोड़ती है जो 20W से कम खपत करके काम करते हैं, और अत्यधिक समानांतर की संभावना के जीवित प्रमाण के रूप में काम करते हैं और एक ही समय में ज्यादातर "अंधेरे" गणना करते हैं।
नतीजतन, तकनीकी विकास अभी भी विस्मित करना जारी रखते हैं, अब पारंपरिक MOSFET इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए कई दिलचस्प विकल्प हैं। लेकिन यह अनुमान लगाने के लिए कि इन विकल्पों का औद्योगिक उपयोग कब होता है, और इससे भी अधिक, नए लोगों की उपस्थिति संभव नहीं है।

सिकुड़ते घुड़सवार और ऊर्जा दक्षता के लिए समानांतरकरण

“क्षेत्र महंगा है। चिप डिजाइनर करेंगे
बस होने के बजाय छोटे चिप्स का निर्माण
उनके डिजाइनों में डार्क सिलिकॉन "

(यदि आप डार्क सिलिकॉन अनुसंधान पर काम करते हैं, तो आप इसे बहुत सुनेंगे ...)

रिसाव की धाराओं में वृद्धि के कारण प्रक्रिया में वृद्धि हुई, मल्टी-कोर माइक्रोप्रोसेसर अब उसी तरह से पैमाने पर नहीं हो सकते हैं जैसे कि एक एकल कोर के कब्जे वाले क्रिस्टल क्षेत्र में कमी आती है। उसी समय, "अंधेरे" या "सुस्त" सिलिकॉन ऊर्जा की खपत के संदर्भ में एक तेजी से सस्ता संसाधन है। इससे हम वास्तुशिल्प समाधानों की ओर मुड़ते हैं जो हमें ऊर्जा दक्षता को "हासिल" करने के लिए क्रिस्टल के क्षेत्र को "व्यय" करने की अनुमति देते हैं। आकृति में दिखाए गए उदाहरण से पता चलता है कि कैसे दो के साथ एक तुलनित्र को प्रतिस्थापित किया जा रहा है, समानांतर में काम कर रहा है, लेकिन आधी आवृत्ति पर, बिजली की खपत को 2.5 गुना कम कर सकता है! [९] व्यवहार में, सभी नोड्स को आदर्श के करीब तरीके से समानांतर नहीं किया जा सकता है, लेकिन ऊर्जा की खपत के संदर्भ में लाभ अभी भी ध्यान देने योग्य होगा।


व्यापार बंद क्षेत्र और ऊर्जा की खपत

कई डेवलपर्स के इस दृष्टिकोण के लिए एक तत्काल प्रतिक्रिया यह थी कि "क्रिस्टल का क्षेत्र एक महंगा संसाधन है, क्यों न केवल माइक्रोप्रोसेसरों को अंधेरे सिलिकॉन का उपयोग करने के बजाय छोटा किया जाए?" हालांकि, यह सबसे निराशावादी परिदृश्य है। और यद्यपि सभी चिप्स अंततः क्षेत्र में कमी से गुजरते हैं, यह दृश्य कई माध्यमिक कारकों को याद करता है जो एक निर्णायक भूमिका निभाते हैं।

सबसे पहले, यह कहने योग्य है कि "डार्क" सिलिकॉन का अर्थ "खाली", "बेकार" या "अप्रयुक्त" सिलिकॉन नहीं है। यहां तक ​​कि सीएमओएस तकनीक के सबसे अच्छे दिनों में, माइक्रोप्रोसेसर और अन्य सर्किट अंधेरे तर्क से भरे हुए थे, जिसका उपयोग केवल कुछ कार्यों के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, x86 SSE अनुदेश निष्पादन ब्लॉक का उपयोग अनियमित गणनाओं के लिए नहीं किया जाता है, और LLC (कैश का अंतिम स्तर) दोहरीकरण से कार्यों की एक छोटी श्रृंखला के लिए लाभ मिलता है।

इसके अलावा, उल्लेखनीय क्रिस्टल के क्षेत्र को कम करने का वित्तीय पक्ष है । इस तथ्य में कुछ सच्चाई है कि छोटे क्रिस्टल का उत्पादन अधिक लाभदायक है। अंत में, माइक्रोप्रोसेसर डेवलपर्स फुटप्रिंट के लिए किफायती बजट में आने के लिए बहुत प्रयास करते हैं। छोटे प्रोसेसर क्रिस्टल रैखिक रूप से (या इससे भी अधिक) सस्ते होते हैं। इसके अलावा, उनके पास उत्पादन में उच्च उपज दर है। लेकिन एक्सपोनेंशियल रूप से छोटे प्रोसेसर विकासशील, लिथोग्राफिक मास्क, पैकेजिंग इत्यादि की लागत के कारण तेजी से सस्ते नहीं होंगे और इन लागतों को भी किसी तरह से परिशोधन किया जाना चाहिए, जिससे सिलिकॉन की प्रति यूनिट क्षेत्र में लागत बढ़ेगी। जो बदले में, एक नई प्रक्रिया को कम आर्थिक रूप से आकर्षक बना देगा और मूर के कानून से नाखुश आर्थिक अंत तक ले जाएगा। एक प्रतिस्पर्धी अर्थव्यवस्था के कानूनों के आधार पर कई अन्य कारण भी हैं जो बताते हैं कि अंतरिक्ष में कमी एक अत्यंत संभावना वाला परिदृश्य क्यों है, लेकिन मैं विवरणों में नहीं जाता हूं जो तकनीकी पाठकों के लिए बहुत दिलचस्प नहीं हैं।

ठीक है, एक क्रिस्टल क्षेत्र कम होने पर होने वाली गर्मी की पैकिंग और अपव्यय से जुड़ी समस्याओं का उल्लेख करने में विफल नहीं हो सकता। क्षेत्र में घातीय कमी का एक महत्वपूर्ण परिणाम विशिष्ट बिजली की खपत में घातीय वृद्धि है। मल्टीकोर प्रोसेसर चिप्स [10] के थर्मल विशेषताओं के विश्लेषण में हाल के अध्ययनों से पता चला है कि एक गर्म स्थान (हॉटस्पॉट) के शिखर तापमान को Tmax = TDP * (Rconv + k / A) के रूप में मॉडलिंग की जा सकती है। जहां टीडीपी एक गर्मी उत्पादन का संकेत है जिसके लिए प्रोसेसर के शीतलन प्रणाली को डिज़ाइन किया गया है, Rconv हीट सिंक की विशेषता है (कम बेहतर है), k माइक्रोप्रोसेसर गुणों की सामूहिक विशेषता है, और ए व्याप्त क्षेत्र है। क्षेत्र में एक घातीय कमी के साथ, दूसरा शब्द प्रमुख हो जाता है और तापमान में एक घातीय वृद्धि की ओर जाता है। प्रोसेसर को ओवरहिटिंग से बचाने की आवश्यकता को इसके प्रदर्शन के भाग का त्याग करने की आवश्यकता होगी।
इसके अलावा, क्षेत्र में कमी भी कई व्यावहारिक इंजीनियरिंग मुद्दों को प्रस्तुत करती है। उदाहरण के लिए, डाई स्टैकिंग जैसी तकनीकों का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स के ऊर्ध्वाधर बंधन को सिलिकॉन (टीएसवी) में पैड और स्लॉट की आवश्यकता होती है, जिसका आकार आसानी से कम नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, I / O कनेक्शन क्षेत्र भी मूर के कानून की गति के पैमाने पर नहीं हैं।


तस्वीरों में 3-डी एकीकरण और TSV :)

नतीजतन: माइक्रोप्रोसेसर क्षेत्र में और कमी होगी, सबसे अधिक संभावना है कि यह नहीं होगा (और यदि यह करता है, तो यह बहुत धीमा होगा)। लेकिन अगर पहले प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के प्रत्येक नई पीढ़ी द्वारा लाए गए अतिरिक्त ट्रांजिस्टर का उपयोग उत्पादकता बढ़ाने के लिए किया गया था (प्रत्येक पीढ़ी के लिए लगभग 1.4 गुना), अब उनका उपयोग ऊर्जा की खपत को कम करने के लिए किया जाता है (प्रत्येक पीढ़ी के लिए लगभग 40%)

जारी रखा जाए ।

सूत्रों का कहना है

1. गॉर्डन मूर (1965)। "एकीकृत परिपथों पर अधिक घटकों का क्रैमिंग"
2. मार्क बोहर, इंटेल, 2011
3. शेखर बोरकर, इंटेल, 2010
4. मार्क बोह्र, (2007) "देनार्ड के MOSFET स्केलिंग पेपर पर एक 30 साल की पूर्वव्यापी"
5. फ्रेड पोलाक, (1999) "नई माइक्रोआर्किटेक्चर चुनौतियां आने वाली जेनरेशन ऑफ सीएमओएस प्रोसेस टेक्नोलॉजीज", माइक्रो में मुख्य वक्ता
6. गणेश वेंकटेश एट अल, (2010) "संरक्षण कोर: परिपक्व संगणना की ऊर्जा को कम करना", ASPLOS 2010
7. माइकल टेलर, (2012) डार्क सिलिकॉन उपयोगी है? कमिंग डार्क सिलिकन एपोकैलिप्स के चार घुड़सवारों का दोहन ", डीएसी 2012
8. इयान यंग, ​​इंटेल, 2012
9. अनंत चंद्रकासन एट अल, (1992) "लो-पॉवर सीएमओएस डिजिटल डिज़ाइन"
10. डब्ल्यू। हुआंग एट अल, (2008) "एक थर्मल परिप्रेक्ष्य से कई-कोर डिजाइन।" डीएसी 2008।