Поговорим о том, в чем слабо разбираемся - технологиях и скоростях в микросхемах/контроллерах

[Dale]

При десяти ядрах допустимо иметь общую память, а при ста ядрах накладные расходы у аппаратного менеджера памяти начнут перекрывать ожидаемый выигрыш в производительности.

У одного из серверов, с которыми мне приходится работать, число ядер не достигает сотни, но достаточно близко к этому. И проблем с эффективностью не наблюдается совершенно. Я полагаю, причиной тому тщательная разработка иерархии банков памяти на системной плате.

Накладные расходы это сложная тема, можно и десять процессов переключать так часто, что 30% ресурсов сдует моментом, но это будет платой за высокую скорость реакции.

Тут может оказаться тришкин кафтан, оставшихся ресурсов уже не хватит на быструю реакцию. Я уже упоминал курс систем реального времени в академии Або, там детально рассматривают эти вопросы.

Если рассматривать затвор, как ёмкость, то всё действительно более-менее линейно, а если прибавить омическое сопротивление проводников, то часть мощности пойдёт на нагрев дополнительно.

Если бы были только емкости, потребление было бы нулевое. Потребляемая мощность как раз и идет на нагрев сопротивлений во время переключения, потом токи успокаиваются, и потребление резко падает.

Ни и это не единственные причины, ведь есть ещё и скин-эффект и излучение.

На нескольких гигагерцах толщина скин-слоя больше толщины металлических проводников внутри микросхемы, так что скин-эффект ничего  существенно не изменит. Наружу такие сигналы выпускают нечасто.

Для эффективного излучения нужна антенна, сравнимая с длиной волны. Для гигагерца это порядка 30 см, что нереально внутри микросхемы, и даже на печатной плате нужно умудриться накрутить столько кренделей.

[RXL]

Для эффективного излучения нужна антенна, сравнимая с длиной волны. Для гигагерца это порядка 30 см, что нереально внутри микросхемы, и даже на печатной плате нужно умудриться накрутить столько кренделей.

Для качественного излучения волны достаточно половины длины волны и даже четверти, что сокращается до 75 мм. И вспомним, что импульс богат нечетными гармониками: в 1 ГГЦ меандре присутствует значительная доля частот 3 и 5 ГГЦ. Это 25 и 15 мм для 1/4. Проектировщики микросхем,  волновые процессы должны учитывать, равно как и согласование длинных и учет наводок от смежных проводников.

[Aether]

Если бы были только емкости, потребление было бы нулевое. Потребляемая мощность как раз и идет на нагрев сопротивлений во время переключения, потом токи успокаиваются, и потребление резко падает.

Во время переключения в цепи сток-исток комплементарной пары проходит интервал с малым сопротивлением. Для цепи затвора придётся ставить сопротивление, чтобы уменьшить бросок тока при заряде, и использовать сопротивление для разряда.

На нескольких гигагерцах толщина скин-слоя больше толщины металлических проводников внутри микросхемы, так что скин-эффект ничего  существенно не изменит. Наружу такие сигналы выпускают нечасто.

Удельное электрическое сопротивление алюминия 0,026 Ом*мм2/м (p). Есть формула упрощённого расчёта глубины скин слоя: 503*SQRT(p/f) результат в мм. Получается, что на 3 ГГц, толщина слоя порядка 1 мкм. Возможно, что для микросхем это довольно большой интервал, но не забываем, что этот интервал лишь показывает затухание тока по сечению в "e" раз.

Для эффективного излучения нужна антенна, сравнимая с длиной волны. Для гигагерца это порядка 30 см, что нереально внутри микросхемы, и даже на печатной плате нужно умудриться накрутить столько кренделей.

Эффективным излучателем считается антенна уже в четверть волны, однако потери на излучение могут наблюдаться и с меньшими антеннами, просто процент излучения будет меньше. В свою очередь, на 3 ГГц, длина волны составит: 10 см, а размер четвертушки будет 2,5 см.

Мне сложно привести результаты испытаний в цифрах, так как я их самолично не проводил. К тому же для нас, пользователей микросхем, эта характеристика в 3 ГГц достаточно условна, она может подразумевать лишь коммерческий показатель скорости, а в реальном кристалле может быть как 1, так и 5 ГГц.

[Dale]

Во время переключения в цепи сток-исток комплементарной пары проходит интервал с малым сопротивлением. Для цепи затвора придётся ставить сопротивление, чтобы уменьшить бросок тока при заряде, и использовать сопротивление для разряда.

В реальных схемах так не делают, потому что это полностью зарежет быстродействие (постоянная времени RC-цепочки ограничивает полосу рабочих частот). Броски тока необходимы для высоких скоростей вычислений, с ними не нужно бороться. Тем более что сами токи не столь уж велики, чтобы быть проблемой.

Получается, что на 3 ГГц, толщина слоя порядка 1 мкм.

Примерно так. А поскольку нормы проектирования давно уже субмикронные, а толщина дорожки не может быть больше ее ширины (на самом деле существенно меньше), поскольку иначе ее не вытравить химией, скин-слой все равно толще. Дорожка работает равномерно по всей толщине.

Для качественного излучения волны достаточно половины длины волны и даже четверти, что сокращается до 75 мм.

на 3 ГГц, длина волны составит: 10 см, а размер четвертушки будет 2,5 см.

Верно. Но, насколько я видел в литературе, современные архитектуры состоят из компактных модулей, соединенных конвейерами. Так что ни один сигнал даже сантиметра по кристаллу не пробегает. Иначе у них начались бы проблемы со сдвигами фазы на длинной линии.

[Aether]

В реальных схемах так не делают, потому что это полностью зарежет быстродействие (постоянная времени RC-цепочки ограничивает полосу рабочих частот). Броски тока необходимы для высоких скоростей вычислений, с ними не нужно бороться. Тем более что сами токи не столь уж велики, чтобы быть проблемой.

Если сопротивление будет стремиться к нулю, то ток будет стремиться к бесконечности. В итоге что-то может и испариться. Дело в том, что все элементы нужно рассчитать (согласовать) и технологически обеспечить. Параметр T = RC при C = 1 пФ и времени порядка T = 10^-10 с, ограничит сопротивление значением не более 100 Ом, но не равным нулю.

Кстати, если рассматривать схему более полноценно, как R-C-L, то при нулевом сопротивлении может начаться колебательный процесс. В общем, у меня тут опять нет фактических данных, чтобы всё показать в числах досконально.

Примерно так. А поскольку нормы проектирования давно уже субмикронные, а толщина дорожки не может быть больше ее ширины (на самом деле существенно меньше), поскольку иначе ее не вытравить химией, скин-слой все равно толще. Дорожка работает равномерно по всей толщине.

Есть интересная формула: R = p * l / S, так вот, если ввести некий коэффициент пропорционального масштаба M, получится:
l = l0 * M
S = S0 * M²
R = p * l0 / (S0 * M)

То есть, уменьшая проводник пропорционально, его сопротивление будет расти. Это отчасти значит, что в микромире отношение сечения к длине должно быть бо'льшим, встают вопросы паразитных ёмкостей и индуктивностей. Я думаю, что несмотря на общее уменьшение масштаба техпроцесса, некоторые элементы будут исполняться в требуемом габарите, так связь между двумя логическими элементами может оказаться шире, чем сам этот элемент. Возможно, мы не догадываемся о достижении технологии, и уже придуманы способы вертикального расположения элементов, такие что при взгляде на кристалл сверху проекция дорожки окажется меньше её высоты.

[Dale]

Если сопротивление будет стремиться к нулю, то ток будет стремиться к бесконечности.

Верно, при условии постоянного напряжения.

В итоге что-то может и испариться.

Тут не обязательно. Выделяемая на участке цепи мощность равна I²*R. Так что тут как сложится, что быстрее - квадрат тока стремится к бесконечности или сопротивление к нулю.

Но на самом деле это абстракция, каналы реальных слаботочных транзисторов настолько далеки от сверхпроводимости, что токи даже близко не разгоняются до величин плавления кристалла.

Кстати, если рассматривать схему более полноценно, как R-C-L, то при нулевом сопротивлении может начаться колебательный процесс.

До этого очень далеко. В радиочастотных схемах добиться высокой добротности контура - непростая задача даже с использованием специальных высокочастотных материалов (низкие высокочастотные потери, высокодобротные катушки со специальными сердечниками и обмотками и т.д.), а уж получить его случайно в цифровой схеме... Максимум - звон на фронтах при ошибках согласования.

То есть, уменьшая проводник пропорционально, его сопротивление будет расти.

Обычно для конкретной технологии толщина металлизации - константа, разработчик управляет лишь длиной/шириной дорожки. Если менять их пропорционально, сопротивление остается постоянным (технологи говорят об "омах на квадрат").

Возможно, мы не догадываемся о достижении технологии, и уже придуманы способы вертикального расположения элементов, такие что при взгляде на кристалл сверху проекция дорожки окажется меньше её высоты.

Тут такая проблема. Рисунок проводящей поверхности формируется литографией: на металлическую пленку наносится фоторезист, экспонируется через фотошаблон, проявляется, а потом по полученной маске металл обрабатывают травителем (обычно кислотой). Если слой металла сделать достаточно толстым, он подтравливается под маску, поскольку травление идет не вертикально, а во всех направлениях. То есть вытравить металлические столбики таким образом не получится - кислота разъест бока. Других методов нанесения проводников я не знаю, не фрезеровать же их при таких размерах.

[Aether]

Если слой металла сделать достаточно толстым, он подтравливается под маску, поскольку травление идет не вертикально, а во всех направлениях.

Предположу:
У нас есть процессы:
- металлизации, например, покрытие алюминием;
- оксидирования, окисление Al до Al₂0₃;
- нанесение фоторезиста;
- травление металла.

1) Наносим слой Al на подложку.
2) Наносим фоторезист и вытравляем дорожку, остаются края.
3) Оксидируем, и образуем таким образом опалубку, которая будет расти и прикрывать края.
4) Наносим алюминий.
5) Наносим фоторезист.
6) Травим.
... далее повторяем необходимое число итераций.

В итоге может послойно вырасти столбик, прикрытый с боков плёнкой оксида. Возможно, столбик будет немного сужаться кверху.

[Dale]

Зело мудрено получается. Это настоящему технологу показывать нужно, а не случайному прохожему вроде меня. Но есть некоторые сомнения.

... далее повторяем необходимое число итераций.

Основные сомнения:

1. Насколько хорошо лягут металлизация и фоторезист на рифленую поверхность. (Лично у меня в домашних условиях мельчайшая пылинка, попавшая на заготовку печатной платы, создает проблемы с нанесением фоторезиста).

2. Насколько хорошо совместятся слои металлизации.

3. Каждая операция дает процент брака. Не исключено, что несколько лишних литографий с травлениями понизят выход годных изделий ниже допустимого.

4. Не даст ли окисление побочных эффектов на других областях кристалла.

В итоге может послойно вырасти столбик, прикрытый с боков плёнкой оксида.

Вроде уже лет 15 как модно делать соединения не алюминиевыми, а медными. С оксидом меди этот трюк вряд ли пройдет.

[Aether]

Зело мудрено получается.

Я просто рассуждаю в данном случае.

Вроде уже лет 15 как модно делать соединения не алюминиевыми, а медными. С оксидом меди этот трюк вряд ли пройдет.

Где-то читал, что в микросхемах распространён именно алюминий. А так, в быту, проводку конечно лучше делать медную, хотя в сельской местности от СИП далеко не убежишь, а медных их я не встречал.

[Dale]

Где-то читал, что в микросхемах распространён именно алюминий.

Я в учебниках тоже чаще видел алюминий. Но Intel для Pentium 4 с 2002 года перешел на медь и вроде обратно не собирается.

У нас в конторе для микросхем тоже в конце 80-х использовали медные соединения, хотя с ними технологи много горя поимели. Впрочем, у нас делали мелкие серии, поэтому могли позволить более дорогие технологии.

[Sla]

Вынес в отдельную ветку
А вы продолжайте...