Unul dintre cele mai importante puncte la proiectarea unui nou procesor, indiferent de funcția sa, este consumul de energie pe care îl are și, prin urmare, modul în care este organizat pentru a profita la maximum de energia furnizată acestuia. Aici se numește livrarea de energie Reţea sau PDN vine. Ce este și de ce este important în proiectarea unui nou procesor?
Există un mit, înrădăcinat în mintea multor oameni, potrivit căruia consumul de energie al unui procesor este ceva pe care producătorii îl descoperă brusc atunci când sare de la faza de proiectare la faza de pre-producție. Realitatea este destul de diferită, la urma urmei, un procesor nu este altceva decât un circuit electric pe o scară foarte, foarte mică. Deci, vorbim despre modul în care electronii se mișcă prin circuit este crucial și face parte din proiectarea inițială a procesorului chiar de la început.
Cum se măsoară consumul de energie al oricărui procesor?
Nu putem ști care este consumul exact de energie al unui procesor, deoarece pot apărea o serie de fenomene fizice care variază rezultatul și sunt cunoscute doar odată ce proiectul a fost fabricat și, prin urmare, acesta trece de la conceptual la real. Deci se face o aproximare, care îi ajută pe ingineri să-și facă o idee aproximativă despre care va fi consumul de energie.
Formula generală este următoarea:
Putere (wați) = numărul de porți logice * capacitate * frecvența ceasului * tensiune la pătrat.
Dar asta este o estimare foarte generică , în cadrul aceluiași procesor, proiectanții pot folosi diferite tipuri de porți logice chiar și în același tip și cu niveluri diferite de consum. Dar mai ales depinde de modul în care diferitele porți logice care alcătuiesc diferitele elemente ale procesorului sunt conectate între ele. Aici intrăm în rețeaua de livrare a energiei sau PDN. Care face parte din proiectarea fiecărui procesor și se referă la modul în care puterea este distribuită între diferitele porți logice.
Ce este rețeaua de livrare a energiei electrice?
În timpul proiectării unui procesor, se ajunge la punctul în care este necesar să organizăm diferitele blocuri care îl compun și să le interconectăm pentru comunicare. Dar fiecare element necesită un flux de curent electric pentru a funcționa. Pentru ceea ce se întâmplă atunci când se face o clădire în care trebuie proiectată distribuția rețelei electrice, același lucru se întâmplă atunci când este proiectat un procesor.
Într-o Procesor, ceea ce consumă cel mai mult sunt interconectările, astăzi între interconectările interne și externe din interior, 3/4 din consumul intern al acestora dispare și este una dintre cele mai mari provocări pentru ingineri astăzi. Ceea ce îl face o provocare atunci când creezi noi procesoare cu tot mai multe nuclee în care nu numai interfața de comunicație, ci și când alimentezi diferitele blocuri ale procesorului.
Nu contează dacă suntem în fața procesorului de 1 W al unui smartphone, a celor 45 W ai unui laptop de gaming high-end sau a celor 200 W ai unui procesor server. Toate acestea au fost proiectate cu o rețea specifică de livrare a energiei. Ceea ce înseamnă că fiecare dintre sutele de milioane, dar miliarde, trebuie să funcționeze la tensiunea adecvată. Dacă, de exemplu, tensiunea era prea mică, datele ar putea varia și procesorul nu ar funcționa numai cu date incorecte, dar ar putea afecta și stabilitatea procesorului.
Care sunt provocările actuale la proiectarea unui PDN?
Pe măsură ce timpul a trecut, tensiunea la care funcționează atât procesoarele, cât și amintirile a scăzut. Inițial, proiectarea unui computer complet a fost realizată folosind mai multe cipuri interconectate sub interfața TTL, logică tranzistor-la-tranzistor, cu o tensiune de 5 V. În prezent, cu utilizarea tranzistoarelor FinFet la 7 nm, ne deplasăm în jurul valorii de 0.5 V și 1 V. Ceea ce are ca rezultat o provocare pentru proiectanții de sisteme.
Într-un procesor digital, semnalul este tratat într-un mod binar și, prin urmare, tensiunea fluctuează între două valori de tensiune, una activă și cealaltă cu procesorul oprit. Datorită acestui fapt, valorile sunt suficient de separate, astfel încât urcările și coborârile acestora să nu ajungă să provoace confuzia semnalului trimis. In orice caz, cu tensiunea din ce în ce mai scăzută apare o problemă și anume că, pentru a alimenta cele mai puternice procesoare cu suficientă putere, atunci trebuie să creștem cantitatea de amperi care îl alimentează. Deoarece consumul oricărui circuit electronic este proporțional cu pătratul tensiunii sale, majoritatea proiectanților s-au dedicat să îl mențină cât mai scăzut în cadrul specificațiilor.
Paradigma de joasă tensiune și amperaj ridicat este provocatoare deoarece sunt necesare mai multe cabluri pentru a transporta cantitatea mai mare necesară de curent. Efectuarea rețelei de livrare a energiei mai complicată decât ar trebui să fie, nu numai în cadrul procesorului în sine, ci și extern. În cazul în care organizarea VRM pe Plăci de bază sau cardul de expansiune este important în sistemul electric complex.
Rețele de livrare a energiei astăzi și în viitor
În ultimii ani au existat măsuri pentru economisirea energiei și creșterea eficienței procesorilor. Acestea includ utilizarea rețelelor de livrare a energiei construite într-un mod modular. Care sunt proiectate astfel încât părțile procesorului să se oprească complet atunci când nu sunt utilizate pentru a utiliza mai puțină energie. Nici nu putem uita mecanismele care permit variația dinamică a tensiunii unui procesor pentru a fluctua viteza ceasului și consumul de energie.
Un procesor care funcționează la 1 GHz cu o tensiune de 1.2 V va funcționa la fel ca un procesor de 0.6 V la aceeași viteză de ceas, dar va consuma de 4 ori mai mult pentru aceeași muncă. Acesta este motivul pentru care multe procesoare și GPU-uri moderne au rețelele de livrare a energiei concepute pentru a reduce tensiunea la minimul necesar când viteza de ceas este scăzută. Acest lucru crește nivelul de complexitate al procesorului, deoarece este necesar să proiectați procesorul, astfel încât să poată funcționa cu diferite tensiuni în proiectarea sa.
Procesoarele de astăzi sunt alcătuite din miliarde de tranzistoare care formează sute de milioane de porți logice și cu ele zeci de milioane de sisteme combinaționale și secvențiale. Prin urmare, proiectarea PDN a devenit extrem de complexă în timp și dacă adăugăm ceea ce am menționat acum câteva rânduri, acesta devine, prin urmare, una dintre cele mai importante părți în proiectarea oricărui procesor.
Lucrurile se complică cu chiplets
Adoptarea chipletelor înseamnă că rețeaua de livrare a energiei nu este integrată doar în fiecare dintre chiplets, ci și în interpozitorul care le intercomunică între ele. Ținând cont de faptul că interfonul consumă cel mai mult energie într-un procesor monolitic și cablarea într-un sistem chiplet își mărește lungimea între diferitele cipuri, atunci se dovedește că cea mai mare provocare constă în distribuirea puterii în aceste configurații.
Soluția? A venit prin utilizarea interconectărilor verticale, care sunt mult mai scurte și sunt în cantitate mai mare. Acesta din urmă le permite să funcționeze la o viteză de ceas mai mică și, prin urmare, la o tensiune mai mică. Ceva care este crucial pentru a muta cantitatea enormă de date de care au nevoie aplicații precum inteligența artificială sau redarea grafică. Dar, în același timp, acest lucru pune o serie de probleme în proiectarea interpozitorilor, despre care departamentele de marketing nu vorbesc de obicei în public, dar care pentru ingineri devine o durere de cap imensă.
În orice caz, în conceptul chiplet, în ciuda faptului că avem diferențe fizice de chip, PDN-ul său este conceput de parcă ar fi un singur procesor.
