WikiSort.ru - Не сортированное

Закон масштабирования Деннарда — «уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность». Закон масштабирования Деннарда (англ. Dennard scaling также известен как закон масштабирования MOSFET, англ. MOSFET scaling) — эмпирический закон масштабирования открытый в работе 1974 года, одним из авторов которого выступили Роберт Деннард, чьим именем и назван закон^[1].

Смысл закона

В процессе исследований Деннарду удалось показать, что МОП-структуры имеют огромный потенциал для миниатюризации: при уменьшении линейных размеров можно пропорционально уменьшать подаваемое на затвор напряжение, и при этом переключающие свойства транзистора сохраняются, а скорость переключения повышается. Иными словами, чем меньше транзистор по размеру, тем быстрее он может переключаться; чем быстрее транзистор может переключаться, тем быстрее работает процессор. Значит, уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность.

Из этого следовало предсказание, определившее будущее технологий на несколько десятилетий: для повышения производительности надо повышать плотность, частоту и снижать энергопотребление^[2].

Связь с Законом Мура

Статья о масштабировании не только объяснила закон Мура, но и расширила его: в самом Законе Мура говорится о повышении плотности (т.е. количества транзисторов на единицу площади), но не о том, что это ведет к повышению производительности. Заслуга Роберта Деннарда в том, что он соотнес масштабирование с производительностью, и если Гордон Мур задал вектор для развития полупроводниковой индустрии, то Деннард объяснил, каким именно способом следует двигаться в его направлении. С тех пор постоянно уменьшающаяся ширина (технологический фактор) проводника стала главным показателем прогресса в индустрии микропроцессорной техники.

Несоблюдение закона с 2006 года

Примерно в 2005—2007 годах Закон масштабирования перестал работать. Так, на момент 2016 года число транзисторов по-прежнему продолжает расти, но темпы роста производительности процессоров замедлились. Главная причина состоит в том, что при уменьшении размеров транзисторов токи утечки (leakage currents) создают все большие и большие проблемы: они приводят к нагреванию микросхемы, что ведет в свою очередь к тепловому разгону процессора и выходу его из строя. Таким образом Закон масштабирования упирается в определенные пределы выделяемой мощности процессора (power wall), после которых процессоры просто плавятся от перегревания. И преодолеть эти пределы невозможно без использования нетрадиционных, громоздких и дорогих систем охлаждения. Как результат с 2006 года частота массовых микропроцессоров не растет выше примерно 4ГГц.

Несоблюдение Закона Деннарда и как следствие невозможность наращивать больше тактовую частоту процессоров привели к тому, что производители обратились к другой альтернативе: производству многоядерных процессоров. Таким образом выросший благодаря Закону Мура бюджет транзисторов тратится теперь уже не на увеличение производительности самого вычислительного ядра, а на увеличение количества этих ядер в процессоре и размещении других компонентов на подложке процессора (многоуровневый кэш, видеосистема, сетевые интерфейсы, специализированные ускорители), которые до этого приходилось размещать на плате отдельно.

Примечания

Ссылки

• Закон масштабирования Деннарда // «Открытые системы», № 02, 2012
• Lecture 15: Moore’s Law and Dennard Scaling, William Gropp  (англ.)
• The impact of Moore’s Law and loss of Dennard scaling: Are DSP SoCs an energy efficient alternative to x86 SoCs? / L Johnsson and G Netzer 2016 J. Phys.: Conf. Ser. 762 012022  (англ.)
• Moore’s Law Smells Funny …maybe we need «Integrated Cleverness Law» / Ed’s Threads, Solid State Technology  (англ.)
• Appendix E: Dennard Scaling and Implications / The New Global Ecosystem in Advanced Computing: Implications for U.S. Competitiveness and National Security. National Research Council. 2012 ISBN 978-0-309-26235-4, doi:10.17226/13472  (англ.)
• Bohr, Mark. "A 30 year retrospective on Dennard's MOSFET scaling paper." / IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter 12.1 (2007): 11-13.  (англ.)
• The Impact of Moore’s law and loss of Dennard Scaling - Lennart Johnsson, 2015-02-06  (англ.)