Nedir ve ne gibi zorluklar içerir?

Koyu silikon veya koyu silikon, yarı iletken endüstrisinde, özellikle de GPU’lar, CPU’lar, TPU’lar ve ayrıca SoC’ler gibi ASIC’ler gibi gelişmiş işleme yongalarında var olan gizemli terimlerden bir diğeridir. Ne olduğunu ve çiplerinizi nasıl etkilediğini merak ediyorsanız, işte size çok uğursuz görünen bu terimin tüm anahtarlarını içeren eksiksiz bir rehber…

Koyu Silikon veya koyu silikon nedir?

koyu silikon

Modern işlem birimleri ve sistemleri, Dark Silicon olarak bilinen bir fenomenden muzdariptir. Giriş olarak, daha ileri gitmeden önce, transistörlerin erken mikroişlemciler çağında “kıt bir mal” olduğu zamanlarda, tasarımcıların hepsinin her zaman onlardan en iyi şekilde yararlanmak için bir şeyler yaptıklarından emin olduklarını söyleyelim. Üretim düğümlerinin iyileştirilmesi ve entegre olanların ucuzlaması ile, transistörlerin sayısı artık o kadar sınırlı değil ve bu, bu transistörlerin çoğunun genellikle boşta veya boşta olduğu anlamına geliyor.

Zaman zaman boşta kalan sürücüler ve hatta belirli iş yükleri altında kapanan çekirdekler vardır. Bununla birlikte, talimat kod çözücü gibi boru hattının ilk aşamalarında olduğu gibi diğer birimler sürekli olarak aktiftir.

Bugün sahip olduğumuz on binlerce transistörden en son CPU ve GPU’lardaki on milyarlarca transistöre kadar. Ve bu transistörlerin hepsi sürekli çalışmıyor. Öte yandan, transistörler, tüketimlerini transistörlerin boyutuyla aynı oranda azaltmıyorlar (bkz. Dennard Ölçeklendirme bölümü). Intel Pentium 4’ün karşılaştığı sorunlara bakın.

Bütün bunlar, 100W’ı ve hatta GPU’lar söz konusu olduğunda birkaç yüzü aşabilecekleri için, bugün geleneksel bir ampulün çok üzerinde tüketime sahip işlem birimlerine sahip olmamıza neden oldu, bu endişe verici. Ve bir şey çok fazla ısı ürettiğinde veya güç tükettiğinde, sıcaklığı korumak zordur, bugün milyonlarca transistörün her biri aynı anda çalıştırılsa çok daha az. Bu yüzden kapalı transistör bölgeleri var.

Tam olarak Dark Silikon veya koyu silikon olarak bilinen alanlardır. Garip bir ikilikleri olduğu için sorun veya çözüm olarak anlaşılabilecek bazı alanlar:

  • Çözüm: Kapatıldıklarında tüketmezler, güç ve sıcaklığı uzak tutarlar, bu nedenle mevcut üniteler kadar büyük üniteler için bir çözümdür, tam olarak çalışırlarsa daha aşırı sıcaklıklar üreteceklerdir. Çipin bu alanlarını karartma tekniği, diğer aktif parçaların belirli bir zamanda daha yüksek tüketim ve sıcaklık marjları ile çalışmasına izin verdiğinden, dinamik frekans teknolojileriyle de yakından ilgilidir.
  • Problem: Üretim açısından verimli değildir, çünkü tüm transistörlerin ve fonksiyonel birimlerin boşta kalmasından her zaman daha iyi olduğu için. Örneğin, VLIW tasarımları aynı sorun nedeniyle reddedildi, çünkü bazen talimatları bu tip süperskalar mimariye uyarlayamadığı için tüm uzunluğu “dolduramıyor”, bu da onları daha az üretken hale getiriyordu. Demek istediğim, onları kullanamayacaksan gemide bu kadar çok transistör bulundurmanın anlamı ne? Bu ekstra transistörler daha fazla yüzey alanı, daha yüksek maliyet, daha düşük verim anlamına gelir, bu nedenle nadiren kullanılmaları durumunda bir avantaj değildir.

Ölçekleme yasası (Dennard Ölçekleme)

5nm

Mikronlardan nanometrelere gittik ve gittikçe küçülüyorlar ve onlarla birlikte entegre transistörlerin boyutu, Dennard Ölçekleme olarak bilinen yasayla ilgili bir şey.

Dennard Ölçekleme ya da Ölçekleme Yasası, çip geliştirme tarihinin sürdürüldüğü temellerden bir diğeridir. Ek olarak, Moore Yasası ve Pollacks Yasası ile yakından ilişkilidir (üçü, endüstrinin şimdiye kadar dayandığı temel bir üçgen oluşturur). Moore ve Dennard Scaling Yasası, bir devreye entegre transistör sayısının her seferinde eşit tüketim ve performansta %40 artışla iki katına çıktığını belirlemek için kullanılabilir. Ancak, bu yasalar her zaman kesin değildir.

Ortak yazarı, 1974’te MOSFET transistörleri için ilk kez yazan Robert H. Dennard’dır, ancak daha sonra yeni FinFET’ler ve bu diğer kanat profilli transistörlerin yerini alacak diğer yeni yapılar için değiştirilmiş ve güncellenmiştir.

Kanun, transistörler küçüldükçe sabit olarak belirlediği güç yoğunluğunu ifade eder. Yani, akım yoğunluğu ve voltaj da entegre transistörlerin boyutu ile azaldığı için enerji alanla orantılı kalır. Bu nedenle, dinamik veya anahtarlama gücü saat frekansı ile orantılı olduğu için, son tasarımlar bu hakkaniyetten kurtulmaya başlasa da, bu azalma ile tüketimi önemli ölçüde artırmadan saat frekansını artırmak mümkün olmuştur.

Şu anda, giderek daha fazla transistörü düşürmeye devam etme sorunları ile bu yasalar çiğnendi. Bir örnek Intel ve nm’yi azaltma sorunları. Hatta 2016 yılından bu yana MCM veya chiplet ambalaj, hatta yeni 3D ambalaj gibi bazı firmaların sorunlarını hafifletmek için alternatifler aranıyor.

Çözümler

Birçok yarı iletken endüstrisi PnO’sunda, özellikle ARM ile ilgili olanlarda, Dark Silicon terimine birçok referans göreceksiniz. Ve başka bir pazarlama silahı olarak kullanılıyor, ancak bu sefer bir yanılgı değil, bahsettiğim gibi gerçek bir sorun. Ve şudur ki, Arm tabanlı tasarımlar, bu Dark Silicon problemlerinin bir kısmını hafifletmenin anahtarını bulmuşlardır ve bunu, problemin birkaç kısmi çözümünün bir araya getirildiği SoC’ler ile başarmışlardır:

  • Özel yardımcı işlemciler: Örneğin, kayan nokta verilerine ayrılmış bir FPU, bu verilerin tamsayı boru hattından geçirilmesinden daha verimli olabilir (öncülü unutmayın: özel silikon her zaman genelden daha verimlidir), çünkü bu, elde etmek için daha fazla işlem anlamına gelir. aynı sonuç ve bu, daha fazla saat döngüsü, dolayısıyla daha fazla tüketim anlamına gelir. Bununla birlikte, en son modern x86 SIMD FPU’lar, yazılım tarafından nadiren kullanılan garip talimatlar içerir, bu nedenle, talimatları eklemeye devam etmek ve bu birimlerin boyutunu giderek daha fazla artırmak pek mantıklı görünmeye başlıyor.
  • Heterojen çok çekirdekli: ARM’lerde ticari olarak big.LITTLE olarak bilinen şey budur, ancak artık x86 dünyasında ve Apple Silicon’da da kullanılıyor. Bazıları daha basit ve daha düşük performansa sahip ve diğerleri daha büyük ve daha karmaşık, ancak daha yüksek performansa sahip birkaç farklı işlem çekirdeğinin kullanılmasına dayanır. Enerji tüketimini optimize etmek için iş yüklerine göre bu şekilde kullanılırlar.
  • Hızlandırıcılar: Belirli hızlandırıcılar yardımcı olabilecek başka bir çözümdür. Bazı SoC’ler, bu birimlerden daha verimli çalışan bazı görevleri hızlandırmak için DSP birimleri, TPU’lar vb. ile bunları zaten kullanıyor. Ek olarak, entegre FPGA’lar ile birlikte işleme birimleri de bu tür müşteri için optimize edilmiş birimlerin programlanmasına ve uygulanmasına yardımcı olur.

İlk başta, Dark Silicon’un rahatsızlığını hafifletmeye yönelik tüm bu öneriler verimsiz görünebilir. Yani, hem ortak işlem birimleri, hem özel hızlandırıcılar hem de heterojen çekirdeklerin kullanımı, daha fazla çip karmaşıklığı, daha fazla transistör, daha fazla karanlık silikon anlamına mı geliyor? Gerçekten değil, çeşitli görevleri yürütürken ve aynı anda daha fazla parçayı aktif hale getirerek, güç geçişinden kaçınırken gerçekten fayda sağlıyor ve verimliliği artırıyorlar.

Kısma veya dinamik frekans ölçekleme gibi diğer teknikler de aktif fonksiyonel birimlerin saatinin azaltılmasına izin verir, böylece daha enerji verimli olurlar ve sıcaklıklarını düşürürler. Mevcut iş yükü gerektirmiyorsa, bir ünitenin maksimum anma frekansında çalışması gerekli değildir. Örneğin, 3,2 Ghz’de çalışan bir CPU hayal edin. 500 Mhz’de bile iyi çalışabilecek bir metin düzenleyici çalıştırırken neden bu hızda kullanalım? *Gücün akım yoğunluğunun, voltajın ve frekansın bir fonksiyonu olduğunu unutmayın…

çözüm

Kalıpların boyutundaki artış, transistör sayısı ve MCM’lerin ve 3D paketlemenin gelişiyle birlikte, yıkıcı değişiklikler dışında, yarı iletken endüstrisinin nadiren yapılan görevlere giderek daha fazla transistör tahsis etmesi bekleniyor. daha fazla yarı iletken cihaz üretmek daha ucuz olacaktır. Kısacası, kontrollü gücü sürdürmeye devam etmek için üstesinden gelinmesi gereken yeni zorluklar.

3D paketleme, güç tüketiminin yeni zorluklarını üstleniyor.

Piyasadaki en iyi işlemciler hakkındaki kılavuzumuzu okumanızı öneririz.

Kısacası, Dark Silicon ve verimlilik arayışı, son on yılda gelişmiş işlem birimleri tasarımcılarının hesaba katması gereken kısıtlamaları değiştirecek. Piyasaya yeni bir işlemci çıkarmak, mikromimarinin 3 ila 5 yıllık gelişimini gerektirir ve bu, bir şekilde üretim süreçleriyle senkronize edilmelidir. Son derece karmaşık bir şey, yani çipler üretime geçtiğinde rakamlar muhtemelen beklentileri karşılamayacaktır.

Similar Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.