Войти
Масштабирование Деннарда, также известное как масштабирование MOSFET, представляет собой закон масштабирования, основанный на статье 1974 года, в соавторстве с Робертом Х. Деннардом, в честь кого назван. Первоначально сформулированный для полевых МОП-транзисторов, он грубо заявляет, что по мере уменьшения размеров транзисторов их удельная мощность остается постоянной, так что потребление энергии остается пропорциональным площади; как напряжение, так и ток масштабируются (вниз) с длиной.
Деннард отмечает, что размеры транзисторов можно масштабировать на -30% (0,7x) при каждом поколении технологий, таким образом уменьшение их площади на 50%. Это уменьшит задержки в цепи на 30% (0,7x) и, следовательно, повысит рабочую частоту примерно на 40% (1,4x). Наконец, чтобы поддерживать постоянное электрическое поле, напряжение снижается на 30%, энергия снижается на 65%, а мощность (при частоте в 1,4 раза) - на 50%. Следовательно, в каждом поколении технологий, если плотность транзисторов удваивается, схема становится на 40% быстрее, а энергопотребление (с удвоенным количеством транзисторов) остается прежним.
Закон Мура гласит, что количество транзисторов удваивается примерно каждые два года. В сочетании с масштабированием Деннарда это означает, что производительность на ватт растет еще быстрее, удваиваясь примерно каждые 18 месяцев. Эту тенденцию иногда называют законом Куми. Первоначально Куми предположил, что скорость удвоения составляет 1,57 года (несколько быстрее, чем период удвоения по закону Мура), но более поздние оценки показывают, что она замедляется.
Динамическое (коммутационное) энергопотребление КМОП схем пропорционально частоте. Исторически сложилось так, что снижение мощности транзисторов, обеспечиваемое масштабированием по Деннарду, позволяло производителям резко повышать тактовые частоты от одного поколения к другому без значительного увеличения общего энергопотребления схемы.
Примерно с 2005–2007 гг. Масштабирование Деннарда, похоже, сломалось. По состоянию на 2016 год количество транзисторов в интегральных схемах все еще растет, но результирующие улучшения в производительности более постепенные, чем ускорение, вызванное значительным увеличением частоты. Основная причина поломки заключается в том, что при небольших размерах утечка тока создает большие проблемы, а также вызывает нагрев микросхемы, что создает угрозу теплового разгона и, следовательно, еще больше увеличивает затраты на электроэнергию.
Нарушение масштабирования Деннарда и, как следствие, невозможность значительного увеличения тактовой частоты заставили большинство производителей ЦП сосредоточиться на многоядерных процессорах как на альтернативном способе повышения производительности. Увеличение числа ядер приносит пользу многим (хотя и далеко не всем) рабочим нагрузкам, но увеличение количества активных переключающих элементов из-за наличия нескольких ядер по-прежнему приводит к увеличению общего энергопотребления и, таким образом, ухудшает проблемы с рассеянием мощности ЦП. Конечным результатом является то, что только некоторая часть интегральной схемы может фактически быть активной в любой данный момент времени без нарушения ограничений мощности. Оставшаяся (неактивная) область обозначается как темный кремний.
