Переоценка подхода к снижению потребления энергии

Наиболее успешной попыткой свести до минимума постоянно растущее потребление энергии для многих видится внедрение новых технологий и переход к производству продуктов меньшего размера. Тем не менее, не исключено, что и этот процесс зайдет в тупик, а использование внутреннего параллелизма и более высокого уровня интеграции компонентов более не будет лучшим решением для снижения энергопотребления. В то время как современные технологии уменьшают размер микросхем и позволяют достичь 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, уделить внимание экономии энергии на каждой стадии разработки продукта.

Стремление к снижению энергопотребления и вырабатываемого тепла в своё время привело к переходу от биполярных к комплементарным металло-оксидным полупроводниковым (КМОП) процессам, но уже сегодня КМОП не является решением проблемы. Когда плотность электроэнергии модуля достигает 12 Ватт/1см², становится неэкономно и нецелесообразно рассеивать тепло.

Как показано на рис.1, биполярные процессы достигли этого уровня в 1990 году, и в том же году КМОП был принят за основной процесс. Сегодня КМОП достиг той же точки в развитии, что и биполярная структура в 1990 году (Рис.1). Меньшая плотность упаковки и напряжения микросхем КМОП уменьшают потребление энергии, однако огромное количество меньших по размеру транзисторов, 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 Low-K диэлектриков могут снизить выработку тепла примерно на 20%, однако для этого необходимо внести изменения в производственное оборудование, что повлечет существенные затраты. Даже подход к снижению напряжения для энергосбережения вскоре исчерпает себя, поскольку 1В, уже используемый в некоторых приложениях, - это тот лимит, который трудно преодолеть на практике, где необходимо одновременно обеспечивать высокую скорость работы и значительный запас помехоустойчивости. За неимением 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 токопереключательную логику (ТПЛ) и дифференциальные сигнальные методы со скоростью передачи данных более 10Гбит/сек, 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 компонентов 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 энергосберегающих и надежных продуктов. Так, например, снижение рабочего напряжения DDR2 SDRAM до 1,5В, 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 её эволюции. Например, поставщики памяти, такие, как компания Qimonda, могут создать два технологических направления с соответствующими продуктами, ориентированными на небольшую мощность и адекватные показатели производительности, или же, 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 и пере-зарядке, 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 традиционных 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 увеличивающего затраты (см. Таблицу 1). Дополнительные возможности DDR2 и DDR2 SDRAM позволят им дольше продержаться на рынке, прежде чем станет необходимым переход к архитектуре следующего поколения. (Таблица 2)

Таблица 1. Сравнение разных видов памяти DDR SDRAM

Таблица 2. Дополнительные возможности DDR2 и DDR2 SDRAM

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, т.е. работать без постоянно включенных и раздражающих 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 настольных компьютерах 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 блейд-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 SDRAM архитектура была низкозатратной, к чему привела огромная экономия 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 буфером 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 FB-DIMM архитектура в настоящее время усиливается благодаря использованию DDR2 SDRAM и AMB, работающих на напряжении 1,5 В, что снижает потребление энергии на 20%. Это решение представляется наиболее целесообразным, т.к. не требует какой-либо специальной поддержки от центрального процессора или набора микросхем 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/сек при более низком потреблении энергии, чем в дифференциальном сигнальном протоколе, который потребуется для получения более высоких скоростей приема и обработки данных.

Руководство для будущего

Для того чтобы удовлетворять постоянно ужесточающиеся требования снижения потребления энергии, более не обязательно использовать последнее поколение высокоскоростных микросхем. 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.

Маурицио Скерлж (Maurizio Skerlj), технический консультант компании Qimonda AG