Страница 4: Число транзисторов и энергопотребление
Самым большим различием между процессорами Sandy Bridge и Ivy Bridge является техпроцесс. Причём мы не только получили переход с 32-нм техпроцесса на 22 нм, но и впервые получили новую разновидность транзистора, с трёхмерным затвором. Данная технология позволяет снизить токи утечки и повысить эффективность энергопотребления процессора - в результате мы получаем экономичный процессор не только из-за снижения техпроцесса, но и из-за более эффективных транзисторов.
1,4 млрд. транзисторов в общей сложности. В случае Sandy Bridge число транзисторов составляло всего 995 млн.
Что касается размера кристалла, то Intel удалось снизить площадь с 216 мм² до 160 мм².
Модели Ivy Bridge обладают примерно на 405 млн. транзисторов больше, чем Sandy Bridge. Но на этот раз Intel не увеличила кэш-память или количество ядер. Да и контроллер памяти был оставлен во многом неизменным, системный агент тоже прежний. Куда же были потрачены 405 млн. транзисторов? По большей части - на интегрированное графическое ядро Intel. Причём Intel не только увеличила размер буферов, но и удвоила количество вычислительных блоков ядра.
Интересно сравнить размер: новый чип Ivy Bridge занимает примерно на 25 процентов меньше на подложке, но содержит существенно больше транзисторов.
Большее количество транзисторов обычно всегда давали большее количество выделяющегося тепла. Но благодаря интеллектуальным технологиям энергосбережения, потребляют энергию только те области процессора, которые активно используются. В режиме бездействия процессор может отключать отдельные ядра, кэш-память или участки интегрированного графического ядра. Добавьте технологии стробирования DDR3 и GT Power Gating. Из-за меньших структур и транзисторов Tri-Gate Intel даже удалось достичь существенной экономии по энергопотреблению. Кроме того, процессоры Intel Ivy Bridge теперь поддерживают память Low Voltage DDR3 (DDR3L), которая может работать от напряжения 1,35 В, что позволяет экономить несколько ватт.
22-нм транзисторы Intel с технологией Tri-Gate
Intel на нескольких ранее проведенных мероприятиях рассказывала о 22-нм техпроцессе. Но на этот раз мы получили кое-какую свежую информацию о 22-нм техпроцессе: принципиально все современные планарные транзисторы создаются по дизайну, разработанному ещё в 1974 году. Конечно, к нему были применены разные доработки и оптимизации, чтобы минимизировать токи утечки и управлять работой транзисторов при снижении техпроцесса - но к 2000 году с этим особых проблем не было, в отличие от токов утечки. Наши читатели могут вспомнить процессоры Northwood, Prescott и многие другие, которым приходилось бороться с проблемами тепловыделения.
В 2003 году Intel начала переход на 90-нм техпроцесс с технологией растянутого кремния (Strained Silicon) для транзисторов NMOS и PMOS с оксидными затворами, что позволило улучшить их характеристики и ток возбуждения (Drive Current). С переходом на 45-нм техпроцесс Intel анонсировала транзисторы с металлическими затворами High-K, то есть с новым диэлектриком (SiO2) и металлическими затворами на основе гафния. Это вновь позволило улучшить работу транзисторов без появления новых проблем с токами утечки.
В случае же объявления 22-нм транзисторов изменилась уже сама структура этих полупроводниковых элементов.
В качестве примера можно привести слайд 22-нм техпроцесса с прошлогоднего форума Intel для разработчиков, где указаны значения токов утечки при разных токах возбуждения (Drive Current) для разных сценариев. Если требуется быстрый процессор, то можно смириться с высоким токами утечки. С другой стороны, можно оптимизировать процессор под меньшие токи утечки. В итоге, в зависимости от сценария использования, можно реализовать в чипе определенные технологии (высокая производительность, стандартная производительность, низкое энергопотребление).
Можно привести следующие основные преимущества 22-нм техпроцесса Tri-Gate:
- Существует явное преимущество по токам утечки. При меньшем напряжении транзистор переключается быстрее, поэтому его состояние утечки намного ниже (Off State Leakage).
- При оптимизации под высокое энергопотребление можно получить то же самое состояние утечки (Off State Leakage), что у планарных транзисторов при намного более высокой скорости переключения.
- В целом, транзисторы Tri-Gate дают на 37% более высокую скорость переключения при напряжении 0,7 В - или, наоборот, снижают на 50% активное энергопотребление Active Power.
- Если требуется более высокая производительность, то разработчик процессора может внести некоторые простые изменения, чтобы её получить.
Структура транзисторов хорошо видна по рисунку выше: затвор транзистора лучше "огибает" канальную область, предотвращая серьёзные токи утечки.
Intel использовала для процессоров Ivy Bridge 22-нм техпроцесс P1270. Но в 2013 году планируется переход на 14-нм техпроцесс P1272, тоже разработанный Intel. Компания будет производить новые процессоры на пяти заводах, которые будут переведены на 22-нм техпроцесс или уже работают на нем. Помимо заводов в Орегоне, процессоры будут производить ещё две фабрики в Аризоне, а также завод в Израиле.
Intel будет использовать 22-нм техпроцесс как для традиционных процессоров (Core, Xeon, ...), так и для продуктов SoC (Atom и другие). То есть Intel оптимизирует существующие дизайны под новый техпроцесс Tri-Gate. Intel видит преимущество в подобной диспозиции команд по дизайну, что вписывается в инициативу "Unified Design Approach", в результате чего нынешние команды по дизайну (SoC, CPU) быстрее реагируют на вызовы новых областей рынка.
В нашей фотогалерее вы можете посмотреть слайды, посвященные 22-нм техпроцессу Intel:
