İşlevi ne olursa olsun yeni bir işlemci tasarlarken en önemli noktalardan biri sahip olduğu enerji tüketimi ve dolayısıyla kendisine sağlanan enerjiden en iyi şekilde yararlanacak şekilde nasıl organize edildiğidir. Güç Dağıtımı denilen şey budur. ağ veya PDN devreye giriyor. Nedir ve yeni bir işlemcinin tasarımında neden önemlidir?
Bir işlemcinin güç tüketiminin, üreticilerin tasarım aşamasından üretim öncesi aşamaya geçerken aniden keşfettikleri bir şey olduğuna dair birçok insanın zihnine yerleşmiş bir efsane vardır. Gerçek çok farklı, sonuçta işlemci çok, çok küçük ölçekte bir elektrik devresinden başka bir şey değil. Elektronların devre boyunca nasıl hareket ettiği hakkında konuşuyoruz ve bu çok önemli ve en başından itibaren ilk işlemci tasarımının bir parçası.
Herhangi bir işlemcinin güç tüketimi nasıl ölçülür?
Bir işlemcinin tam enerji tüketiminin ne olduğunu bilemeyiz, çünkü sonucu değiştiren ve yalnızca tasarım üretildikten sonra bilinen bir dizi fiziksel olay meydana gelebilir ve bu nedenle kavramsaldan gerçeğe geçer. Böylece, mühendislerin enerji tüketiminin ne olacağı konusunda yaklaşık bir fikir edinmelerine yardımcı olan bir tahmin yapılır.
Genel formül aşağıdaki gibidir:
Güç (watt) = mantık kapısı sayısı * kapasitans * saat frekansı * voltajın karesi.
Ama bu çok genel bir tahmin , aynı işlemci içinde tasarımcılar, aynı tipte ve farklı tüketim seviyelerinde bile farklı tipte mantık kapılarından yararlanabilirler. Ancak özellikle, işlemcinin farklı öğelerini oluşturan farklı mantık kapılarının birbirine bağlanma şekline bağlıdır. Güç Dağıtım Ağı veya PDN'ye girdiğimiz yer burasıdır. Bu, her işlemcinin tasarımının bir parçasıdır ve gücün farklı mantık kapıları arasında nasıl dağıtıldığını ifade eder.
Güç Dağıtım Ağı nedir?
Bir işlemcinin tasarımı sırasında, onu oluşturan farklı blokları organize etmenin ve bunları birbirleriyle iletişim için birbirine bağlamanın gerekli olduğu noktaya gelinir. Ancak her elemanın çalışması için bir elektrik akımı akışı gerekir. Elektrik şebekesinin dağıtımının tasarlanması gereken bir bina yapıldığında ne olur, aynısı bir işlemci tasarlandığında da olur.
İçinde işlemci, en çok tüketen şey arabağlantılardır, günümüzde iç ve dış arabağlantılar arasındaki iç tüketimin 3/4'ü gider ve günümüz mühendisleri için en büyük zorluklardan biridir. Sadece iletişim arayüzünün değil, aynı zamanda işlemcinin farklı bloklarını beslerken, giderek daha fazla çekirdeğe sahip yeni işlemciler yaratırken bunu zorlaştıran şey.
Bir akıllı telefonun 1 W işlemcisinin, üst düzey bir oyun dizüstü bilgisayarının 45 W'sinin veya bir sunucu işlemcisinin 200 W'ının önünde olmamız önemli değil. Hepsi belirli bir Güç Dağıtım Ağı ile tasarlanmıştır. Bu, yüz milyonlarca, ancak milyarlarca kişiden her birinin uygun voltajda çalışması gerektiği anlamına gelir. Örneğin, voltaj çok düşük olsaydı, veriler değişebilir ve işlemci yalnızca yanlış verilerle çalışmakla kalmaz, aynı zamanda işlemcinin kararlılığını da etkileyebilir.
Bir PDN tasarlarken mevcut zorluklar nelerdir?
Zaman geçtikçe hem işlemcilerin hem de belleklerin çalıştığı voltaj düşüyor. Başlangıçta, tam bir bilgisayarın tasarımları, 5 V'luk bir voltajla TTL arayüzü, transistörden transistöre mantığı altında birbirine bağlı birkaç çip kullanılarak yapıldı. Şu anda 7 nm'de FinFet transistörlerinin kullanımıyla 0.5 V ve 1 civarında hareket ediyoruz. V. Bu, sistem tasarımcıları için bir zorlukla sonuçlanır.
Dijital bir işlemcide, sinyal ikili bir şekilde işlenir ve bu nedenle voltaj, biri aktif, diğeri işlemci kapalıyken iki voltaj değeri arasında dalgalanır. Bu sayede değerler birbirinden yeterince ayrılarak aynı iniş çıkışların sonlanarak gönderilen sinyalin karıştırılmasına neden olmaz. Ancak, Gittikçe düşük voltajla birlikte bir sorun ortaya çıkıyor ve en güçlü işlemcileri yeterli güçle beslemek için onu besleyen amper miktarını artırmamız gerekiyor. Herhangi bir elektronik devrenin tüketimi, voltajının karesi ile orantılı olduğundan, çoğu tasarımcı, bunu spesifikasyon dahilinde mümkün olduğunca düşük tutmaya kendini adamıştır.
Düşük voltaj, yüksek amper paradigması zorlu çünkü gereken daha fazla akımı taşımak için daha fazla kablo gerekir. Güç Dağıtım Ağı'nı, yalnızca işlemcinin kendi içinde değil, harici olarak da olması gerekenden daha karmaşık hale getirmek. VRM'lerin organizasyonu nerede anakart veya genişletme kartı karmaşık elektrik sisteminde önemlidir.
Bugün ve gelecekte Güç Dağıtım Ağları
Son yıllarda işlemcilerde enerji tasarrufu ve verimliliği artırmaya yönelik önlemler alınmıştır. Bunlar, modüler bir şekilde oluşturulmuş Güç Dağıtım Ağlarının kullanımını içerir. Daha az güç kullanmak için kullanılmadıklarında işlemcinin parçaları tamamen kapanacak şekilde tasarlanmıştır. Saat hızını ve enerji tüketimini değiştirmek için bir işlemcinin voltajının dinamik olarak değişmesine izin veren mekanizmaları da unutamayız.
1 V voltaj ile 1.2 GHz'de çalışan bir işlemci, aynı saat hızında 0.6 V'luk bir işlemci ile aynı performansı gösterecek ancak aynı iş için 4 kat daha fazla tüketecektir. Bu yüzden birçok modern CPU ve GPU'nun Güç Dağıtım Ağları, saat hızı düşükken voltajı gerekli olan minimum seviyeye düşürmek için tasarlanmıştır. Bu, işlemcinin tasarımında farklı voltajlarla çalışabilecek şekilde tasarlanması gerektiğinden, işlemcinin karmaşıklık düzeyini artırır.
Günümüz işlemcileri, yüz milyonlarca mantık kapısı ve onlarla birlikte on milyonlarca kombinasyonel ve sıralı sistem oluşturan milyarlarca transistörden oluşmaktadır. Bu nedenle PDN'nin tasarımı zamanla çok daha karmaşık hale geldi. ve birkaç satır önce bahsettiklerimizi eklersek, bu nedenle herhangi bir işlemcinin tasarımında en önemli parçalardan biri haline gelir.
Chiplets ile işler karmaşıklaşıyor
Chiplet'lerin benimsenmesi, Güç Dağıtım Ağının yalnızca chipletlerin her birine değil, aynı zamanda bunları birbirleriyle iletişim kuran aracıya da entegre olduğu anlamına gelir. Monolitik bir işlemcide interkomun en fazla enerji tüketen şey olduğu ve bir yonga sistemindeki kablolamanın farklı yongalar arasındaki uzunluğunu artırdığı dikkate alındığında, en büyük zorluğun bu konfigürasyonlarda gücün dağıtımında olduğu ortaya çıkıyor.
Çözüm? Çok daha kısa ve daha fazla miktarda olan dikey ara bağlantıların kullanılmasıyla geldi. İkincisi, daha düşük bir saat hızında ve dolayısıyla daha düşük bir voltajda çalışmalarına izin verir. Yapay zeka veya grafik işleme gibi uygulamaların gerektirdiği muazzam miktarda veriyi taşımak için çok önemli bir şey. Ancak aynı zamanda bu, aracıların tasarımında pazarlama departmanlarının genellikle kamuoyunda bahsetmediği, ancak mühendisler için büyük bir baş ağrısı haline gelen bir dizi sorunu ortaya çıkarır.
Her halükarda chiplet konseptinde fiziksel olarak chip farklılıklarımız olmasına rağmen aslında PDN'si tek bir işlemci gibi tasarlanmıştır.
