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黑硅

一种在集成电路中通过在芯片不使用时关闭部分电源来节省功率的方法。
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随着技术节点的进步,以及在同一个芯片上封装越来越多晶体管的能力,由于功率和热影响,设计工程师正在达到一个设计的一小部分可以上电的瓶颈。

此外,迫使这种复杂电源管理的挑战只会在每个新的工艺节点上继续增长。目前的估计是,在20nm技术节点(包括16/14nm finfet)中,暗硅部分将占总面积的三分之一左右,到5nm节点将增加到80%。真正的产品可能会获得更好的结果,但显然,功耗对设计施加了越来越严重的约束。

在过去的几十年里,集成电路制造商一直致力于摩尔定律,以不变的成本增加晶体管密度。在那段时间的大部分时间里,邓纳德定律(Dennard’s Law)仍然成立:设备的尺寸越小,耗电量也越小。更小的晶体管运行速度更快,功耗更低,成本更低。

然而,这是有限度的。更小的设备,更薄的电介质和更短的通道更容易泄漏。事实上,漏电,在工业历史上可以忽略不计,在Dennard的原始论文中被忽略,现在接近与电路动态功率相同的数量级。诸如引入高介电常数栅极介电材料之类的进步有所帮助,但限制泄漏的晶体管结构现在已经成为现实。在较低的阈值电压下切换晶体管需要较薄的栅极介电,但泄漏约束对介电厚度有一个下界。结果,虽然特征尺寸继续缩小,但阈值电压却没有。

这种登纳德缩放法的失败引入了设计师所谓的“暗硅”时代。如果晶体管的数量增加一倍,但整个电路的功率预算保持不变——或者由于移动设备的普及而下降——那么每个晶体管的可用功率就会减少一半。如果阈值电压保持不变,那么一次可以工作的晶体管数量也会减少一半。这些不可操作的晶体管是暗硅,以芯片总面积的一小部分来衡量。

虽然“暗硅”不是“无用的”或“浪费的”硅,但关于通过更好的设计可以消除多少暗硅的争论正在进行中。在当今的许多设计中,许多电路路径在任何给定时刻都是“暗”的。

一些元件,如专用逻辑和缓存存储器,特别“暗硅友好”,因为它们有助于整体IC性能,而仅在特殊情况下消耗功率。事实上,这种见解导致了集成电路行业目前对多核设计的关注。如果一个问题可以分解成并行组件,那么以相对较低速度运行的几个核心仍然可以提供比以高速运行的单个核心更好的整体性能。许多问题,特别是许多计算密集型问题——数字摄影、视频渲染、数据库搜索等——很容易并行化。此外,并行处理的可用性允许设计人员和软件工程师在相同的时间内用更大的数据集解决更大的问题。


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