Vyvíjet nové čipy bude složitější - první část
16.8.2004, Eagle , článek
Spotřeba procesorů a grafických karet roste. Není to tak dávno, kdy jsme si od menších tranzistorů slibovali vyšší frekvence a nižší spotřebu. To je dnes minulost. V první části se podíváme, co ovlivňovalo výkon v minulosti a jak inovace zvyšovaly spotřebu.
Kapitoly článku:
- Vyvíjet nové čipy bude složitější - první část
- Výpočetní výkon
- Spotřeba energie
Spotřeba energie
To je graf spotřeby jednotlivých částí procesoru Pentium Pro. Když jsem ho poprvé viděl, byl jsem dost překvapen. Čekal jsem, že drtivá většina spotřeby "půjde" z výpočetních částí, tedy jednotek ALU a FPU (FPU - jednotka pro výpočet čísel s desetinnou čárkou). Ale ouha, vykonávání celočíselných výpočtů se podílí šesti procenty, vykonávání výpočtů s desetinnou čárkou pěti. Samotné vykonání instrukcí je energeticky poměrně nenáročné!
Pentium sice bylo schopné dosahovat místy až dvojnásobného výkonu na stejné frekvenci, ale za cenu dvaapůlkrát vyšší spotřeby. Ta prakticky lineárně vzrostla s počtem transistorů.
Opět nepěkný pohled. Pentium Pro sice dále zdokonalilo architekturu (RISC jádro, out-of-order zpracování instrukcí, spekulativní vykonávání kódu, více instrukčních dekodérů a více výpočetních jednotek...), ale jeho výkonnostní náskok proti Pentiu je v průměru cca. 30 procent na stejné frekvenci. Přitom spotřeba je více než trojnásobná! Ať se nám to líbí nebo ne, další transistory v jádře, ať už se jedná o klíčové změny (výpočetní jádro) nebo jen menší (zvětšení cache, bufferů), vždy zvyšují spotřebu. A to většinou tak, že přepočteno na počet transistorů se výkon procesorů snižuje, tj. každý další přidaný transistor má menší a menší vliv na výkon.
Co drželo spotřebu na uzdě, byly stále menší a menší transistory. Graf výše ukazuje, že u Intel procesorů při přechodu z 0.18um na 0.13um klesla spotřeba na zhruba 70 procent původní hodnoty. U starší generace 0.25 se snížila dokonce na 60 procent.
Výhodou stále menších transistorů není jen to, že jsou fyzicky menší - běžně 30 procent v obou směrech, plocha transistoru se tak zmenšuje na cca. 50 procent původní velikosti, neboli na stejnou plochu lze umístit dvojnásobek transistorů. Důležitým faktorem, tím, který ovlivňuje výše zmíněný pokles spotřeby, je, že menší transistory potřebují méně energie k přepnutí. Jsou tedy rychlejší a stačí jim menší napětí.
"Drobným" problémem této logiky je, že pokles napětí se neustále snižuje. Minimální napětí je 0V a k tomu se technika stále více přibližuje. V absolutních hodnotách tak dochází ke stále menším a menším poklesům. A co je ještě více špatné, v honbě za extrémními frekvencemi se stále snižuje rezerva mezi běžně použitým napětím a průrazným napětím, tedy takovým napětím, které transistor při provozu v běžných podmínkách zničí nebo poškodí.
Všimněte si, že v dobách, kdy na trhu nebyla silná konkurence (v dobách Pentia II a starších procesorů) Intel držel standardní napětí čipu na cca. 70 až 80 procentech maxima. V posledních dvou generacích však oba výrobci "přitlačili" a posunuli hranici na 90 procent. To značí, že výrobci se snaží vymačkat z transistorů maximum, získat náskok před konkurencí a vydělávat. Konkurence sice stlačila ceny, ale také kvalitu. Starší generace Pentií II ještě dnes mohou bez problémů pracovat, často i jen s pasivním chlazením. U relativně nových Pentií 4 a Athlonů bych na dlouhodobou životnost v řádu deset a více let příliš nespoléhal. Podobné trendy je možné pozorovat i v jiných odvětvích, např. v bílé technice pro domácnosti.
Po krátkém seznámení se základními principy architektury a determinanty výkonu procesorů následuje graf z trochu jiného soudku:
To je graf spotřeby jednotlivých částí procesoru Pentium Pro. Když jsem ho poprvé viděl, byl jsem dost překvapen. Čekal jsem, že drtivá většina spotřeby "půjde" z výpočetních částí, tedy jednotek ALU a FPU (FPU - jednotka pro výpočet čísel s desetinnou čárkou). Ale ouha, vykonávání celočíselných výpočtů se podílí šesti procenty, vykonávání výpočtů s desetinnou čárkou pěti. Samotné vykonání instrukcí je energeticky poměrně nenáročné!
Mnohem větší porci si vezmou "obslužné" části - ty části, které byly přidány kvůli superskaláru, predikci větvení kódu a out-of-order vykonávání instrukcí. Největší porci má na svědomí přísun instrukcí a jejich dekódování (dohromady 28 procent spotřebované energie!), datová cache, buffery pro určení vhodné sekvence zpracování instrukcí a paměťová pole registrů. Už i relativně bezvýznamné spojení s FSB spolkne pět procent, stejně tak tvorba hodinového signálu násobením hodin z FSB si vezme pět procent.
Ostatně srovnejme spotřebu čipů 80486 a Pentium:
Pentium sice bylo schopné dosahovat místy až dvojnásobného výkonu na stejné frekvenci, ale za cenu dvaapůlkrát vyšší spotřeby. Ta prakticky lineárně vzrostla s počtem transistorů.
Nyní srovnejme Pentium a Pentium Pro:
Opět nepěkný pohled. Pentium Pro sice dále zdokonalilo architekturu (RISC jádro, out-of-order zpracování instrukcí, spekulativní vykonávání kódu, více instrukčních dekodérů a více výpočetních jednotek...), ale jeho výkonnostní náskok proti Pentiu je v průměru cca. 30 procent na stejné frekvenci. Přitom spotřeba je více než trojnásobná! Ať se nám to líbí nebo ne, další transistory v jádře, ať už se jedná o klíčové změny (výpočetní jádro) nebo jen menší (zvětšení cache, bufferů), vždy zvyšují spotřebu. A to většinou tak, že přepočteno na počet transistorů se výkon procesorů snižuje, tj. každý další přidaný transistor má menší a menší vliv na výkon.
Co drželo spotřebu na uzdě, byly stále menší a menší transistory. Graf výše ukazuje, že u Intel procesorů při přechodu z 0.18um na 0.13um klesla spotřeba na zhruba 70 procent původní hodnoty. U starší generace 0.25 se snížila dokonce na 60 procent.
Výhodou stále menších transistorů není jen to, že jsou fyzicky menší - běžně 30 procent v obou směrech, plocha transistoru se tak zmenšuje na cca. 50 procent původní velikosti, neboli na stejnou plochu lze umístit dvojnásobek transistorů. Důležitým faktorem, tím, který ovlivňuje výše zmíněný pokles spotřeby, je, že menší transistory potřebují méně energie k přepnutí. Jsou tedy rychlejší a stačí jim menší napětí.
"Drobným" problémem této logiky je, že pokles napětí se neustále snižuje. Minimální napětí je 0V a k tomu se technika stále více přibližuje. V absolutních hodnotách tak dochází ke stále menším a menším poklesům. A co je ještě více špatné, v honbě za extrémními frekvencemi se stále snižuje rezerva mezi běžně použitým napětím a průrazným napětím, tedy takovým napětím, které transistor při provozu v běžných podmínkách zničí nebo poškodí.
Všimněte si, že v dobách, kdy na trhu nebyla silná konkurence (v dobách Pentia II a starších procesorů) Intel držel standardní napětí čipu na cca. 70 až 80 procentech maxima. V posledních dvou generacích však oba výrobci "přitlačili" a posunuli hranici na 90 procent. To značí, že výrobci se snaží vymačkat z transistorů maximum, získat náskok před konkurencí a vydělávat. Konkurence sice stlačila ceny, ale také kvalitu. Starší generace Pentií II ještě dnes mohou bez problémů pracovat, často i jen s pasivním chlazením. U relativně nových Pentií 4 a Athlonů bych na dlouhodobou životnost v řádu deset a více let příliš nespoléhal. Podobné trendy je možné pozorovat i v jiných odvětvích, např. v bílé technice pro domácnosti.
Pokračujte druhou částí...
