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

 

SDR SDRAM

DDR SDRAM

DDR2 SDRAM

DDR3 SDRAM

Ед. измерения

Год выпуска (BEOL)

1997

2000

2004

2007*

 

Пропускная способность

66, 100, 133

200, 266, 333, 400

400, 533, 667, 800

800, 1066, 1333, 1600

Мбит/пин

Тактовая частота

66, 100, 133

100, 133, 166, 200

200, 266, 333, 400

400, 533, 667,800

Мгц

Ввод-вывод источника питания

3.3 (+/- 0.3)

2.5 (+/- 0.2)

1.8 (+/- 0.1)

1.5 (+/- 0.075)

Вольт

Длина пакета

1, 2, 4, 8

2, 4, 8

4, 8

8 (chop 4)

Бит

Время задержки сигнала

(1), 2, 3

(1.5), 2, 2.5, (3)

(2), 3, 4, 5

5, 6, 7, 8, 9, 10, (11)

Такт

Добавочное время задержки сигнала

-

-

0, 1, 2, 3, 4

0, CL-1, CL-2

Такт

Время задержки записи сигнала

0

1

RL-1

5, 6, 7, 8 + AL

Такт

Таблица 2. Дополнительные возможности DDR2 и DDR2 SDRAM

 

LP (Low-Power) DDR2

DDR2 "1v5"

DDR2-1066

Ед. измерения

Пропускная способность

800, (1066)

400, 533, 667, (800)

400, 533, 667, 800, 1066

Мбит/пин

Тактовая частота

400 (533)

200, 266, 333, (400)

200, 266, 333, 400, 533

Мгц

Ввод-вывод источника питания

1.2 (±0.8)

1.50 - 1.90 (1.55 nom)

1.8 (+/- 0.1)

Вольт

Длина пакета

4, 8, 16

аналогично DDR2

аналогично DDR2

Бит

Время задержки сигнала

3, 4, 5, 6, 7, 8

аналогично DDR2

аналогично DDR2

Такт

Добавочное время задержки сигнала

TBD

аналогично DDR2

аналогично DDR2

Такт

Время задержки записи сигнала

TBD

аналогично DDR2

аналогично DDR2

Такт

Главное преимущество

Почти на порядок снижение абсолютной величины текущего потребления энергии при автоматическом вызове Idd2p, Idd3p, Idd6

20-30% экономия энергии при любых условиях

увеличение скорости на 33%

 

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

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF