CC BY
40Переоценка подхода
к снижению потребления энергии
На протяжении всего периода развития индустрии полупроводников упор делался на улучшение производительности, увеличение мощности и скорости элементов, что приводило к росту потребления энергии, а в итоге и к увеличению затрат, не говоря уже о совокупной стоимости собственности. Наиболее успешной попыткой свести до минимума постоянно растущее потребление энергии стало внедрение новых технологий и переход к производству продуктов меньшего размера. Тем не менее не исключено, что этот процесс зайдет в тупик, а использование внутреннего параллелизма и более высокого уровня интеграции более не будет лучшим решением для снижения энергопотребления. В то время как современные технологии уменьшают размер чипов и приводят к достижению более высоких рабочих частот, повышенная плотность и улучшенные скорости транзисторов могут свести на нет экономию энергии и, напротив, привести к увеличению ее потребления. Поэтому сейчас самое время пересмотреть подход к производству с учетом интересов конечного пользователя: изменить подбор архитектуры и, что самое главное, уделять внимание экономии энергии на каждой стадии разработки продукта.
Маурицио СКЕРЛЖ (Maurizio в^^)
Стремление к снижению энергопотребления и вырабатываемого тепла в свое время привело к переходу от биполярных к КМОП (СМ08) процессам, но уже сегодня КМОП не является решением проблемы. Когда плотность электроэнергии модуля достигает 12 Вт/1 см2, становится неэкономно и нецелесообразно рассеивать тепло.
Как показано на рисунке, биполярные процессы достигли этого уровня в 1990 году, и в том же году КМОП (СМ08) был принят в качестве основного процесса. Сегодня КМОП достиг той же точки в развитии, что и биполярная структура в 1990 году. Меньшая плотность упаковки и напряжения КМОП-схем уменьшают потребление энергии, однако огромное количество транзисто-
ров малых размеров, которыми в настоящее время комплектуются стандартные полупроводники, работают на более высоких частотах и даже при пониженном напряжении вырабатывают тепло, с которым становится все сложнее справляться. Это своего рода дилемма для КМОП, поскольку никакой конкурентоспособной альтернативы пока не создано.
Использование меди и Ьс^К диэлектриков могут снизить выработку тепла примерно на 20%, однако для этого необходимо модернизировать производственное оборудование, что повлечет существенные затраты. Даже подход к снижению напряжения для энергосбережения вскоре исчерпает себя, поскольку 1 В, уже используемый в некоторых приложениях, — это тот лимит, который
трудно преодолеть на практике, поскольку в устройствах необходимо одновременно обеспечивать высокую скорость работы и значительный запас помехоустойчивости. Не имея явной альтернативы КМОП, промышленность нуждается в иных путях снижения энергопотребления полупроводников — это и пересмотр архитектуры, и повышенное внимание к вопросам системного уровня с учетом растущих потребностей в производительности.
Выбор архитектуры
Пересмотр расхода энергии и связанных с этим ограничений приведет к изменению выбора архитектуры. Таким образом, снижение энергопотребления должно стать для разработчиков главной задачей при создании продукта и заменить традиционный подход: реализация с последующей оптимизацией. К примеру, если принять критерий энергопотребления за основополагающий, то энергозатратные архитектуры, использующие ТПЛ и дифференциальные сигнальные методы со скоростью передачи данных более 10 Гбит/с, должны быть тщательно сопоставлены с менее энергоемкими методиками, такими как КМОП и использование несимметричных архитектур.
Более детальный подход к созданию архитектуры может вывести технологию на новый уровень, а не оставаться в пределах закона Мура: удваивать плотность компонен-
£ и \ I-
ш
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Рисунок. Сравнение плотности электроэнергии модулей КМОП: биполярная и КМОП-техника
Таблица 1. Сравнительные характеристики SDRAM
SDRSDRAM DDR SDRAM DDR2SDRAM DDR3SDRAM
Год выпуска (БЕОЬ) 1997 2000 2004 2007*
Пропускная способность, Мбит/пин 66,100,1ЗЗ 200,266, ЗЗЗ, 400 400,5ЗЗ,667, 800 800, 1066,1ЗЗЗ,1600
Тактовая частота, МГц 66,100,1ЗЗ 100,1ЗЗ, 166, 200 200,266,ЗЗЗ, 400 400,5ЗЗ,667,800
Ввод/вывод источника питания, В З,З (±0,З) 2,5 (±0,2) 1,8 (±0,1) 1,5 (± 0,075)
Длина пакета, бит 1, 2, 4, 8 2, 4, 8 4, 8 8 (chop 4)
Время задержки сигнала, такт (1), 2, З (1.5), 2, 2.5, (З) (2), З, 4, 5 5, 6, 7,8,9, 10, (11)
Добавочное время задержки сигнала, такт - - 0, 1, 2, З, 4 0, CL-1, CL-2
Время задержки записи сигнала, такт 0 1 RL-1 5, 6, 7, 8 + AL
Таблица 2. Дополнительные возможности DDR2 и DDR2 SDRAM
LP (Low-Power) DDR2 DDR2 "1v5" DDR2-1066
Пропускная способность, Мбит/пин 800 (1066) 400,533, 667 (800) 400,533,667,800,1066
Тактовая частота, МГц 400 (533) 200,266, 333(400) 200,266,333, 400, 533
Ввод/вывод источника питания, В 1,2 (±0,8) 1,50-1,90 (1,55 ном.) 1,8 (± 0,1)
Длина пакета, бит 4,8, 16 аналогично DDR2 аналогично DDR2
Время задержки сигнала, такт 3, 4, 5, 6, 7, 8 аналогично DDR2 аналогично DDR2
Добавочное время задержки сигнала, такт ТБй аналогично DDR2 аналогично DDR2
Время задержки записи сигнала, такт ТБй аналогично DDR2 аналогично DDR2
Главное преимущество Почти на порядок снижение абсолютной величины текущего потребления энергии при автоматическом вызове ^2р, Ш3р, Ы6 20-30% экономия энергии при любых условиях Увеличение скорости на 33%
тов и скорость (производительность) примерно каждые полгода (фактические темпы со временем меняются и в значительной степени зависят от экономической ситуации). Это позволит разработчикам сконцентрировать усилия на оптимизации и продлении срока работы уже существующих архитектур, дополняя их новыми характеристиками. В дальнейшем это приведет к созданию более экономичных и надежных продуктов. Так, например, снижение рабочего напряжения DDR2 SDRAM до 1,5 В, что на 17% ниже действующих стандартов, снижает потребление энергии и выработку тепла без внесения изменений в базовую платформу. Кроме того, расширение набора характеристик существующих архитектур может положительно отразиться на совокупных затратах. С точки зрения конечного пользователя системы с улучшенными характеристиками представляют собой новые продукты и могут быть выведены на рынок так, как это удобно производителю, в то время как OEM клиентам более важен контроль за развитием технологии.
Конечно же, это не означает, что проект развития технологии следует искусственно усиливать. Скорее, речь идет о том, чтобы наиболее эффективно использовать каждый этап в ее эволюции. Например, поставщики памяти, такие как Qimonda, могут создать два технологических направления с соответствующими продуктами, ориентированными либо на небольшую мощность и адекватные показатели производительности, либо, наоборот, на высокую производительность.
Увеличение срока службы продуктов
С данной точки зрения, технология может быть оптимизирована по максимуму, чтобы обеспечивать срок службы устройств до 4-5 лет, тогда как раньше технологические достижения устаревали каждые 2-3 года. Как пример — эволюция CellularRAM, Pseudo SRAM (PSRAM), имитирующая SRAM и NOR флэш-интерфейсы, использующиеся для XIP архитектур памяти в коммутаторах АТС для передачи речи и данных. CellularRAM включает логические элементы, осуществляющие операции по предварительной зарядке и перезарядке, что является неотъемлемой частью технологии SDRAM. Эта относительно несложная интеграция SDRAM и логических элементов позволила создать новую категорию памяти для мобильных систем. Это позволило производителям традиционных беспроводных платформ увеличить срок службы голосовых телефонов с шести до девяти месяцев путем внесения незначительных изменений по применению CellularRAM для достижения более высокой производительности и плотности по сравнению с SRAM, при этом с более низкими показателями тока в режиме ожидания и работы, чем у традиционной SDRAM.
Аналогично, DDR2 SDRAM изначально выступал в роли расширения формата DDR с последующим переходом на DDR3. Однако переход к DDR2 привел к улучшению производительности, что позволило использовать его в приложениях, а не применять низкопроизводительный DDR3, нуждающийся в установке нового контроллера памяти и увеличивающий затраты (табл. 1). Дополнительные возможности DDR2 и DDR2 SDRAM позволят им дольше продержаться на рынке, прежде чем станет необходимым переход к архитектуре следующего поколения (табл. 2).
До недавнего времени мобильные телефоны, портативные компьютеры и другие системы, работающие от аккумуляторных батарей, были единственными продуктами, для которых расход энергии учитывался на ранней стадии проектирования. Однако эволюционное развитие системного рынка и увеличение стоимости электроэнергии привели к необходимости рассчитывать показатели энергопотребления при проектировании практически всех систем. Сегодня к персональным компьютерам, особенно к их графическим приложениям, по-прежнему предъявляются требования высокой производительности при одновременном соблюдении экологических стандартов. Домашние игровые и развлекательные устройства должны быть бесшумными в работе, то есть работать без постоянно включенных и раздражающих слух вентиляторов. Таким образом, императивной становится задача низкого энергопотребления и рассеивания тепла.
Системные компоненты памяти
Одними из главных потребителей энергии в компьютерных и коммуникационных системах являются компоненты памяти. Так, в ноутбуках и ПК самое большое количество
энергии потребляется процессором, на долю компонентов памяти приходится около 10%. В мобильных телефонах — 20% всей потребляемой энергии, что равно потребностям в энергии процессора приложений. В серверах— от 10 до 25%, в blade-серверах— 15%. Таким образом, компоненты памяти занимают второе место после процессоров по уровню потребляемой энергии.
Хотя каждая из описанных систем имеет принципиальные отличия в потребностях энергопотребления и производительности, в их основе лежит по сути одинаковая SDRAM. Уже разработаны специализированные SDRAM, такие как графические SDRAM для высокопроизводительных систем, а также CellularRAM и Mobile-RAM для мобильных систем, но в их основе лежит та же технология SDRAM. Исторически архитектура SDRAM была низкозатратной, что привело к огромной экономии в размерах продукции. Именно от разработчика зависит определение оптимального соотношения мощности и производительности для дальнейшего выбора подходящего сочетания к конкретному приложению и схеме энергопотребления.
Широко использующиеся в настоящее время, особенно в серверных приложениях, модули FB-DIMM (Fully Buffered Dual-in-Line Memory Modules) сочетают относительно небольшие SDRAM-устройства с AMB (Advanced Memory Buffer) в едином модуле с последовательной, а не параллельной архитектурой. В том случае, если производство SDRAM, AMB и модулей памяти осуществляется одним производителем, канал связи между памятью и буфером может быть оптимизирован и общее потребление энергии модулями FB-DIMM может быть минимизировано за счет тщательно продуманной разработки продукта. Эта доказавшая свою эффективность архитектура FB-DIMM в настоящее время улучшена благодаря использованию DDR2
SDRAM и AMB, работающих на напряжении 1,5 В, что снижает потребление энергии на 20%. Это решение представляется наиболее целесообразным, так как не требует какой-либо специальной поддержки от CPU или чипсета и позволяет OEM-производителям или создателям материнских плат сразу же воспользоваться преимуществами данной архитектуры. Кроме того, несимметричный протокол связи, использующийся в DDRx (в диапазоне модификаций от DDR до DDR3), может быть расширен до 5 Гбит/с при более
низком потреблении энергии, чем в дифференциальном сигнальном протоколе, который потребуется для получения более высоких темпов приема и обработки данных.
Для того чтобы соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям снижения потребления энергии, теперь необязательно использовать последнее поколение высокоскоростных чипов. Сейчас необходимо, чтобы диапазон энергопотребления в сочетании с возможностью практического осуществления рабочих задач как в режиме ожидания,
так и в рабочем состоянии был определен на стадии разработки продукта. В этом случае диапазон энергопотребления может быть использован для оценки энергопотребляющих характеристик каждого компонента в процессе создания устойчивого продукта. На этой основе могут приниматься решения по оптимизации энергосберегающих характеристик архитектуры, предусматривающие либо ее дальнейшее совершенствование, либо усиление архитектуры за счет внесения в нее подходящих расширений. ■
