La escala de Dennard , también conocida como escala MOSFET , es una ley de escala que establece aproximadamente que a medida que los transistores se hacen más pequeños, su densidad de potencia se mantiene constante, de modo que el uso de potencia se mantiene en proporción con el área; tanto de voltaje y corriente escala (hacia abajo) con la longitud. [1] [2] La ley, originalmente formulada para los MOSFET , se basa en un artículo de 1974 escrito en coautoría por Robert H. Dennard , de quien lleva su nombre. [3]
Derivación
Dennard observa que las dimensiones de los transistores se podrían escalar en un -30% (0,7x) en cada generación de tecnología, reduciendo así su área en un 50%. Esto reduciría los retrasos del circuito en un 30% (0,7x) y, por lo tanto, aumentaría la frecuencia de funcionamiento en aproximadamente un 40% (1,4x). Finalmente, para mantener el campo eléctrico constante, el voltaje se reduce en un 30%, reduciendo la energía en un 65% y la potencia (a una frecuencia de 1.4x) en un 50%. [nota 1] Por lo tanto, en cada generación de tecnología, si la densidad del transistor se duplica, el circuito se vuelve un 40% más rápido y el consumo de energía (con el doble de transistores) permanece igual. [4]
Relación con la ley de Moore y el rendimiento informático
La ley de Moore dice que el número de transistores se duplica aproximadamente cada dos años. Combinado con la escala de Dennard, esto significa que el rendimiento por vatio crece aún más rápido, duplicándose aproximadamente cada 18 meses (1,5 años). Esta tendencia a veces se denomina ley de Koomey . Koomey sugirió originalmente que la tasa de duplicación era de 1,57 años, [5] pero estimaciones más recientes sugieren que se está desacelerando. [6]
Desglose de la escala de Dennard alrededor de 2006
El consumo de energía dinámica (conmutación) de los circuitos CMOS es proporcional a la frecuencia. [7] Históricamente, la reducción de potencia del transistor proporcionada por la escala de Dennard permitía a los fabricantes aumentar drásticamente las frecuencias de reloj de una generación a la siguiente sin aumentar significativamente el consumo de potencia general del circuito.
Desde aproximadamente 2005–2007, la escala de Dennard parece haberse roto. A partir de 2016, el número de transistores en los circuitos integrados sigue creciendo, pero las mejoras resultantes en el rendimiento son más graduales que las aceleraciones resultantes de aumentos significativos de frecuencia. [1] [8] La razón principal citada para la avería es que en tamaños pequeños, la fuga de corriente plantea mayores desafíos y también hace que el chip se caliente, lo que crea una amenaza de fuga térmica y por lo tanto aumenta aún más los costos de energía. [1] [8]
El colapso de la escala de Dennard y la incapacidad resultante para aumentar las frecuencias de reloj de manera significativa ha provocado que la mayoría de los fabricantes de CPU se centren en los procesadores multinúcleo como una forma alternativa de mejorar el rendimiento. Un mayor recuento de núcleos beneficia a muchas (aunque no a todas) cargas de trabajo, pero el aumento de los elementos de conmutación activos por tener múltiples núcleos aún resulta en un mayor consumo de energía general y, por lo tanto, empeora los problemas de disipación de energía de la CPU . [9] [10] El resultado final es que solo una fracción de un circuito integrado puede estar realmente activo en un momento dado sin violar las restricciones de potencia. El área restante (inactiva) se conoce como silicio oscuro .
Ver también
- MOSFET (para obtener antecedentes técnicos sobre el escalado de MOSFET y los desafíos que se vuelven más pronunciados en tamaños más pequeños)
- Ley de Moore , transistores por chip
- Ley de Koomey , cálculos por julio
- Rendimiento por vatio
Notas
- ^ Potencia activa = CV 2 f
Referencias
- ↑ a b c McMenamin, Adrian (15 de abril de 2013). "El final de la escala de Dennard" . Consultado el 23 de enero de 2014 .
- ^ Streetman, Ben G .; Banerjee, Sanjay Kumar (2016). Dispositivos electrónicos de estado sólido . Boston: Pearson. pag. 341. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC 908999844 .
- ^ Dennard, Robert H .; Gaensslen, Fritz; Yu, Hwa-Nien; Rideout, Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre (octubre de 1974). "Diseño de MOSFET implantados con iones con dimensiones físicas muy reducidas" (PDF) . Revista IEEE de circuitos de estado sólido . SC-9 (5).
- ^ Borkar, Shekhar; Chien, Andrew A. (mayo de 2011). "El futuro de los microprocesadores" . Comunicaciones de la ACM . 54 (5): 67. doi : 10.1145 / 1941487.1941507 . Consultado el 27 de noviembre de 2011 .
- ^ Greene, Katie (12 de septiembre de 2011). "Una nueva y mejorada ley de Moore: según la" ley de Koomey, "es la eficiencia, no la potencia, lo que se duplica cada año y medio" . Revisión de tecnología . Consultado el 23 de enero de 2014 .
- ^ Koomey PhD, Jonathan G (29 de noviembre de 2016). "Nuestro último en eficiencia energética de la informática a lo largo del tiempo, ahora en Diseño Electrónico" . koomey.com . Consultado el 15 de enero de 2021 .
- ^ "Consumo de energía CMOS y cálculo de CPD" (PDF) . Texas Instruments . Junio de 1997 . Consultado el 9 de marzo de 2016 .
- ^ a b Bohr, Mark (enero de 2007). "Una retrospectiva de 30 años sobre el papel de escala MOSFET de Dennard" (PDF) . Sociedad de circuitos de estado sólido . Consultado el 23 de enero de 2014 .
- ^ Esmaeilzedah, Hadi; Blem, Emily; St. Amant, Renee; Sankaralingam, Kartikeyan; Hamburguesa, Doug (2012). "Dark Silicon y el fin del escalado multinúcleo" (PDF) .
- ^ Hruska, Joel (1 de febrero de 2012). "La muerte del escalado de la CPU: de un núcleo a muchos, y por qué seguimos estancados" . ExtremeTech . Consultado el 23 de enero de 2014 .