Основные проблемы проектирования современных микропроцессоров.

16 октября 2001 в Сан-Хосе, Калифорния, прошёл очередной Микропроцессорный Форум. Генеральный директор технического отдела компании Sun Дейвид Таттл (David Tuttle) выступил с докладом "Триатлеты против спринтеров: направления в проектировании микропроцессоров в новом тысячелетии". Его речь была посвящена стремительному развитию рынка микропроцессоров, сложностям, возникающим при создании процессоров с более чем 50 миллионами транзисторов, и фундаментальным сдвигам в философии дизайна процессоров вообще. Попытки достичь высокой тактовой частоты любой ценой становятся менее актуальными в условиях существенных ограничений, связанных с энергопотреблением транзисторов, более медленными скоростями модулей памяти и шин по сравнению с процессорами, а также сложностью конструирования устройств с миллионами электронных компонент. Сегодня на первый план выходят не популярные последнее десятилетие "процессоры-спринтеры", а "процессоры-триатлеты", поддерживающие сложный баланс между производительностью и затратами электроэнергии и ориентирующиеся на использование внутреннего параллелизма на уровне инструкций. При этом немаловажно быстрое продвижение на рынок

Дейвид Таттл выделил 4 основные проблемы проектирования современных процессоров:

• В течение последнего десятилетия наблюдалось значительное снижение энергопотребления одновременно с быстрым возрастанием плотности размещения транзисторов на чипе. Вместе с тем, технология CMOS (complimentary metal oxide silicon) вряд ли претерпит такой же уровень уменьшения напряжения питания в ближайшие годы. Эта серьёзная инженерная проблема стоит особенно остро для "процессоров-спринтеров". Процессоры с несбалансированной архитектурой требуют значительно более дорогостоящего охлаждения чипа, компонент системы и модулей памяти. Эффект от миллиона процессоров с таким дисбалансом между энергопотреблением и производительностью сравним с эффективностью прожорливого автомобиля семидесятых, потребляющего один галлон газа на каждые 10 миль пути.
• Вторая проблема связана с невозможностью постоянного уменьшения размеров чипа в рамках CMOS -технологии. Но замена этой преобладающей сегодня технологии ещё не существующей новой потребует серьёзных капиталовложений. Одним из примеров непреодолимых барьеров, встающих на пути CMOS, является толщина слоёв изоляции, зачастую достигающая нескольких атомов. В случае крайне малых размеров такие простейшие тормозящие факторы, как соединения кремниевых транзисторов и металлических проводников, приводят к значительно большей задержке сигнала и требуют новых архитектурных решений для обеспечения надёжной работы.
• Третья проблема заключается в установлении безопасной тактовой частоты работы процессора. Так как невозможно включать и выключать миллионы транзисторов точно в один и тот же момент в соответствии с сигналами тактогенератора, то проектировщикам приходится учитывать время установления сигнала, электрические шумы и колебания, испытываемые транзисторами при переходе из одного состояния в другое. Все эти процессы уже занимают 10-20 процентов от времени такта в связи с увеличением тактовой частоты.
• Четвёртая проблема заключается в том, что за последние двадцать лет скорость процессора значительно превысила скорость системной памяти, каналов ввода-вывода и коммуникационных шин. Известно, что производительность системы в значительной степени определяется самым медленным её компонентом.

Большинство современных важнейших задач возможно решить только на параллельных компьютерах. Требования к этим машинам включают сбалансированную совокупность свойств процессора, позволяющих обеспечить высокую скорость доступа к большим объёмам памяти, высокую масштабируемость и надёжность, а также лёгкость обслуживания. Погоня же за высокой тактовой частотой приводит лишь к удорожанию транзисторов и соединений, увеличению энергозатрат и, в конечном счёте, цены.

Смотрите также:

• IBM анонсирует микропроцессор PowerPC на медной основе с тактовой частотой 400 MHz.
• Sun закладывает возможности параллельной обработки в микропроцессорную архитектуру MAJC.
• Компания Sun Microsystems анонсировала планы развития процессоров UltraSPARC до 2002 года.

© Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ