Борьба с горячими точками процессоров

Исследователи из корпорации Intel разработали новую технологию, позволяющую повысить производительность процессора и снизить тепловыделение, которое всегда было одной из самых серьезных проблем при работе полупроводниковых устройств любого размера. С каждый годом эта проблема становится все более и более актуальной — возрастает плотность размещения транзисторов на кристалле, увеличивается, соответственно, и тепловыделение.

В 2001 году директор корпорации Intel по технологиям Патрик Гелсингер отметил, что<если мы будем продолжать использовать современные методы дизайна процессоров, то к 2010 году процессоры будут вырабатывать больше тепла на квадратный миллиметр, чем это делает ядерный реактор>. По его словам, справиться с этой проблемой можно только при помощи творческого мышления и поиска новых, революционных путей решения.

Именно один из таких путей и нашли исследователи из лаборатории изучения цепей корпорации Intel под руководством Рэма Кришнамурти (Ram Krishnamurthy). Исследователи решили более подробно разобраться, какие конкретно участки процессора выделяют больше тепла, а какие — меньше. Для этого они использовали широко известную технологию<тепловидения>, с помощью которой спасатели с вертолета находят выживших жертв кораблекрушения в море, а пограничники перехватывают нарушителей границы. Исследователи обнаружили, что совсем небольшой участок — место сосредоточия так называемых ALU (Arithmetic and Logic Unit — элемент для логических и арифметических операций) нагревается до 127 градусов Цельсия, в то время как вся остальная часть — скажем, область кэш-памяти, существует при вполне приемлемой температуре 65 градусов.

Если бы процессор выполнял лишь простую пересылку данных из одного участка памяти в другой, то это не приводило бы к серьезному перегреву. Но процессор постоянно задействует ALU в математических операциях — сложении, вычитании, умножении и делении, причем ALU может действовать со скоростью, в два раза превышающей частоту процессора. Мало того, современные процессоры корпорации Intel используют не один, а от 4 до 24 ALU, а в будущих процессорах их будет еще больше. Поскольку все эти ALU постоянно обмениваются данными, они располагаются поблизости друг от друга, что еще больше увеличивает плотность выделения тепла.

Чтобы снизить тепловыделение, исследователи под руководством Рэма Кришнамурти разработали новую схему ALU, которая позволяет повысить производительность процессора и снизить тепловыделение. За свою работу они получили в 2003 году специальную премию корпорации Intel<За выдающиеся достижения>.

<Новая технология позволяет в четыре раза снизить потери мощности на тепловыделение, — говорит директор Microprocessor Technology Lab и почетный сотрудник Corporate Technology Group Стив Павловски (Steve Pawlowski). — Группе Кришнамурти удалось получить микропроцессорные элементы с наивысшими показателями быстродействия в отрасли: работающий с частотой 10 ГГц 32-разрядный целочисленный ALU, изготовленный по технологии 130 нм, и работающий с частотой 7 ГГц 64-битный целочисленный ALU, изготовленный по технологии 90 нм>.

Группа Кришнамурти разработала также дизайн ALU, который делает возможным использование как 32-, так и 64-разрядного кода, что позволяет Intel изготавливать чипы, работающие с обоими типами ПО. Новому ALU дали кодовое имя Nozomi в честь высокоскоростного японского поезда.

Nozomi производится по технологии 90 нм и готов к тому, чтобы встраиваться в настольные ПК, серверы и карманные компьютеры, поскольку технология с одинаковым успехом вписывается в 32- и 64-битные архитектуры, а также в архитектуру Intel XScale. Сегодня группа Кришнамурти разрабатывает оптимальный метод<изъятия>старых ALU и установки новых на их место.

"Мы осознали, что именно ALU являются<горячими точками>микропроцессора, потребляя львиную долю мощности и только усугубляя ситуацию в будущем, — рассказывает сам Рэм Кришнамурти. — Мы разработали две совершенно новые технологии, которые позволяют с высокой эффективностью объединять несколько ядер на кристалле или несколько ALU в одном ядре, достигая большого выигрыша по производительности. При этом эффективность разработки в сфере тепловыделения облегчает в будущем переход к большей разрядности. Скажем, 64-битный ALU типа Nozomi, протестированный в нашей лаборатории, потребляет всего-навсего 300 милливатт, что в два с лишним раза меньше, чем аналогичные устройства".