ПО ЗАРУБЕЖНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ - Экспресс-информация - ЦНИИ "Электроника
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
Экспресс-информация
ПО ЗАРУБЕЖНОЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ
Превратится ли Intel
в fabless-фирму?
Оживление интереса
к технологии FD-SOI
К вопросу об оптимизации
энергопотребления
Рост проблем при
масштабировании
схем памяти
Обучение подключенных
машин с помощью ИИ
ISSN 2500-3844
СЕГОДНЯ В ВЫПУСКЕ
1 Компетентное мнение Издатель
АО «ЦНИИ «Электроника»
Главный редактор
4 Превратится ли Intel в fabless-фирму? Алена Фомина, д. э. н., доц.
Авторы материалов
Михаил Макушин,
13 Оживление интереса к технологии
Анастасия Хомчик,
Иван Черепанов
FD‑SOI
Над выпуском работали
Григорий Арифулин,
18 К вопросу об оптимизации Людмила Железнова,
энергопотребления Анастасия Никитина
Реклама
24 Рост проблем при масштабировании publish@instel.ru
схем памяти +7 (495) 940-65-24
Адрес редакции
29 Обучение подключенных машин 127299, г. Москва,
ул. Космонавта Волкова, д. 12
с помощью ИИ +7 (495) 940-65-24
www.instel.ru
33 Платформа безопасности QuarkLink publish@instel.ru
для Интернета вещей Экспресс-информация
по зарубежной электронной
36 Платформа 5G для использования технике издается с 1971 г.,
в электронной версии – с 2003 г.
внутри помещений
Издание зарегистрировано
39 Некоторые тенденции развития
в Федеральной
службе по надзору
тонкопленочных IPD за соблюдением
законодательства в сфере
массовых коммуникаций
и охране культурного наследия
42 System Plus: структура цены IGBT (свидетельство ПИ № 77–13626
от 20 сентября 2002 г.).
44 Глоссарий
Компетентное мнение Дальнейшее масштабирование и усложне- корпорации нет ни финансов, ни времени, ние технологических процессов и конструк- ни технологий для создания соответствующих ций ИС приводят к росту затрат на разработку производственных мощностей. Выход один – и производство. Подобный уровень расходов обратиться к услугам Samsung и TSMC. Кста- оказывается по силам не всем фирмам, и мно- ти, TSMC уже выразила готовность построить гие из них бывают вынуждены либо уйти из по- новый завод по обработке 300‑мм пластин лупроводникового бизнеса, либо прибегнуть по 4‑нм техпроцессу. Некоторые обозревате- к укрупнению за счет слияний и поглощений, ли рынка полупроводниковых приборов по- либо изменить бизнес-модель. лагают, что Intel передаст на аутсорсинг TSMC Как известно, на рубеже перехода к техноло- 100% своих 4‑нм центральных процессоров. гическим процессам с проектными нормами Другие предполагают, что часть заказов смо- 45/32 нм значительное число традиционных жет получить и Samsung. полупроводниковых фирм, сочетавших разра- Таким образом, речь идет о частичном, ботку, проектирование и изготовление ИС (IDM), а в перспективе и полном переходе Intel отказались от собственной производственной на fabless-модель. Частичный аутсорсинг базы и превратились в fabless-фирмы, зани- поможет Intel лучше приспосабливать свои мающиеся только проектированием ИС. К мо- оставшиеся производственные мощности менту освоения 10‑нм процессов производить к динамике рыночного спроса. Возможно ИС по ним оказались способны только три кор- укрепление позиций в секторе центральных порации – Intel, Samsung и TSMC. Причем если процессоров компьютеров, где часть доли Intel TSMC представляет собой крупнейший в мире захватила AMD. Но пока ответ на вопрос, пре- «чистый» кремниевый завод (foundry), занятый вратится ли Intel из IDM в fabless-фирму, дать контрактным производством ИС (с предостав- сложно. Слишком обширные технологические лением заказчикам доступа к виртуальным связи с партнерами и клиентами затрудняют инструментальным средствам САПР, библи- быстрое преобразование. В то же время, если отекам стандартных элементов, СФ-блокам1 корпорации удастся сократить отставание и т. п.), то Intel и Samsung – крупнейшие IDM, в области освоения 7/5‑нм, а далее и 4/3‑нм оказывающие услуги кремниевого завода техпроцессов, вполне возможен и другой ис- (Intel – на свободных мощностях для партне- ход: Intel останется в рамках IDM-модели, опти- ров, осваивающих технологии корпорации, мизирует предоставление услуг кремниевого а Samsung – на специально созданном авто- завода, а на аутсорсинг будет отдавать только номном подразделении в составе восьми тех- те изделия, в отношении которых это экономи- нологических линий, расположенных в США чески целесообразно. и Южной Корее). Заметим, что при освоении Помимо собственных ресурсов, Intel может 10‑нм процессов Intel столкнулась с серьезны- воспользоваться и помощью государства. ми трудностями и только недавно преодолела В январе 2021 г. Конгресс США утвердил два их. Из-за этого она отстала от Samsung и TSMC, закона, обсуждавшиеся весь 2020‑й. Это за- которые стали единственными фирмами, спо- кон об американских кремниевых заводах собными производить 7‑нм и 5‑нм ИС. (American Foundries Act of 2020) и закон о сти- Такое отставание не могло не сказаться мулировании разработки и производства полу- на производственных планах Intel. Для со- проводниковых приборов в Америке (Creating хранения конкурентоспособности ей в 2022 г. Helpful Incentives to Produce Semiconductors for необходимо выпустить на рынок централь- America Act, CHIPS for America Act). Первый ные процессоры, реализованные с исполь- предусматривает реализацию федеральной зованием 4‑нм проектных норм. Но у самой программы предоставления грантов в раз- Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 1
Компетентное мнение zet.instel.ru
мере 15 млрд долл. для стимулирования соз- • создание федеральной программы со-
дания новых предприятий по производству гласования и дополнения мер стимули-
ИС и реализации программ НИОКР, а также рования штатов и местных властей, пред-
выделение 5 млрд долл. на государственно- лагаемых фирмам под строительство
частное сотрудничество по строительству или современного кремниевого завода с пе-
модернизации заводов по обработке пластин редовыми производственными возмож-
для обеспечения потребностей национальной ностями (бюджет федеральной програм-
безопасности, разведки и критической инфра- мы – 1
0 млрд долл.).
структуры. Что касается CHIPS for America Act,
то он также предусматривает меры, которы- Если корпорация Intel получит средства
ми может воспользоваться корпорация Intel, в рамках этих законов, то она сможет резко
в частности: активизировать НИОКР по наиболее перспек-
тивным направлениям и создать новейшие
• введение 40%-ного инвестиционного нало- производственные мощности. Ее конкуренто-
гового вычета (investment tax credit, ITC) для способность, несомненно, увеличится в этом
аттестованного полупроводникового обо- случае, но на это потребуется время. Таким
рудования (введенного в эксплуатацию) образом, окончательная судьба и Intel, и IDM-
или любых аттестованных инвестиционных модели в целом еще далеко не решена.
расходов на производство полупроводни-
ковых приборов до 2024 г. (с дальнейшим Михаил Макушин,
сокращением до 30% в 2025 г., 20% в 2026 главный специалист отдела научно-
и поэтапной отменой в 2027‑м); технического планирования РЭП
2 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
Бизнес
Превратится ли Intel
в fabless-фирму?
Ключевые слова: архитектуры, бизнес-модель, масштабирование,
микропроцессоры, технологический уровень.
На место традиционной бизнес-модели полупроводниковой промышленности – вертикально-
интегрированного производителя, занимающегося разработкой, проектированием, производством
и маркетингом ИС (IDM), – все увереннее приходит дуэт fabless-foundry, где первые сосредоточены
на проектировании, а вторые – на технологических процессах производства ИС на контрактной
основе. Крупнейшие IDM, корпорации Intel и Samsung, уже около десятилетия практикуют дополни-
тельно foundry-модель, а теперь, похоже, Intel намерена опробовать и модель fabless. По большому
счету главным оплотом IDM-модели было производство центральных процессоров, но ситуация
изменилась и последним «заповедником» остались схемы памяти, прежде всего – ДОЗУ. Однако
наступление модели fabless-foundry заметно и там.
По мере того как технологический уровень водниковых приборов существуют заметные
ведущих кремниевых заводов стал превышать разногласия относительно многих определе-
собственные возможности корпорации Intel, ний, что затрудняет сопоставление их ИС. На-
ее представители все чаще начали заявлять, пример, плотность размещения транзисторов
что номинальное технологическое поколение 10‑нм ИС корпорации Intel значительно пре-
(14/10/7 нм и т. д.) – менее важный фактор, восходила аналогичный показатель 10‑нм ИС
чем целостная производительность собствен- ведущих кремниевых заводов и была пример-
но ИС. Утверждение не лишено оснований: но эквивалентна площади размещения тран-
между ведущими производителями полупро- зисторов в 7‑нм ИС корпорации TSMC.
Современное состояние корпорации Intel
Однако приведенное утверждение не мо- строит отдельный завод по обработке 300‑мм
жет оставаться верным постоянно, и недавние пластин [2]. Вопрос, в какой мере мощности
решения самой Intel тому подтверждение [1]. TSMC будут использованы Intel, в долгосроч-
Предполагается, что в 2022 г. Intel будет заказы- ном плане пока остается неопределенным,
вать TSMC производство своих центральных однако перенос на тайваньский кремниевый
процессоров по 4‑нм процессу (и, возможно, завод до 100% аутсорсинга американской кор-
разместит аналогичный заказ на мощностях порации по производству ЦП становится все
foundry-отделения Samsung), для чего TSMC по- более вероятным [3]. В целом Intel уже пред-
4 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
zet.instel.ru Бизнес принимает шаги по избавлению от собствен- с Intel позволит SK Hynix занять второе место ных производственных мощностей. Так, она на рынке после Samsung [4]. продает свое подразделение по производству Для перехода к новому технологическому флэш-памяти NAND-типа и твердотельных поколению с меньшими проектными нормами накопителей (SSD) южнокорейской фирме требуется огромный объем капиталовложе- SK Hynix за 9 млрд долл. В сделку включен ний. Схемы, создаваемые на новом техноло- завод по производству флэш-памяти NAND- гическом уровне, должны демонстрировать типа в Даляне (КНР). Закрытие сделки на- достаточные выгоды с точки зрения пропор- мечено на конец 2021 г., когда SK Hynix пере- ционального уменьшения размеров (мас- ведет первый транш в размере 7 млрд долл. штабирования) прибора, прироста произво- (окончательный платеж планируется в марте дительности и потребляемой мощности. При 2025 г.). Она зависит от одобрения со сторо- этом необходимо добиться рентабельности ны правительств США, Южной Кореи и КНР. инвестиций (приемлемой прибыли на инве- Intel оценивала возможность отказа от произ- стированный капитал, ROI). Предполагает- водства флэш-памяти NAND-типа по крайней ся, что разработчики Intel уже создали новое мере через год после того, как рынок памяти технологическое поколение ИС – по крайней сократился в 2018 г. из-за переизбытка пред- мере на бумаге. Возможно, есть и разработ- ложения. Несмотря на то что крупные центры ки, балансирующие на грани рентабельности обработки данных и облачные операторы все инвестиций – реализация таких проектов свя- больше полагаются на флэш-память, корпора- зана с рисками для вкладываемого капита- ция, по-видимому, не смогла воспользоваться ла. Например, не гарантируется необходимый этой кривой роста. По иронии судьбы, Intel на- выход годных подобной продукции, или Intel чала свою деятельность в 1960‑х гг. именно просто не хочет нести все затраты, связанные как производитель схем памяти. Вырученные с разработкой, проектированием и освоением от сделки средства будут использованы для на своих производственных линиях полного усиления направлений, связанных с «долго- диапазона конкретной продукции – все это срочными приоритетами роста», такими как также требует значительных капиталовло- искусственный интеллект, сети 5G и краевой жений. Обращаясь в данном случае к своему искусственный интеллект. При этом аналити- партнеру – кремниевому заводу, Intel отде- ки консалтинговой группы Trend Force заявля- ляет риск, вызванный длительностью цикла ют, что компания в последнее время «велико- вывода на рынок (от разработки до выпуска лепно работала на рынке корпоративных SSD серийной продукции) своей новой линейки и находится на одном уровне с Samsung в этой процессоров, от риска, связанного с освоени- области, занимая 50% китайского рынка». ем следующего технологического поколения. Intel занимает пятое место на мировом рынке По существу, это и есть экономическое обо- флэш-памяти NAND-типа, SK Hynix находится снование решения многих полупроводнико- чуть впереди с 11,7%, а доля Samsung состав- вых IDM переходить на fabless-модель, в том ляет 31,4%, что делает ее лидером. Сделка числе и через этап fab-lite2. Возможный переход Intel на fabless-модель В подобном переходе, безусловно, есть вок собственных процессоров, благодаря чему и конкурентный аспект. В недавнем прошлом ее давний соперник, корпорация AMD, суме- корпорация Intel столкнулась с широко осве- ла расширить свою долю рынка ЦП (рис. 1). щавшейся в СМИ проблемой дефицита поста- Аутсорсинг изготовления части продукции Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 5
Бизнес zet.instel.ru
поможет Intel лучше приспосабливать свои Положение Intel в настоящее время так-
производственные мощности под рыночную же осложняется появлением четырех новых
конъюнктуру, что, в свою очередь, поможет фронтов конкуренции.
избежать дальнейшего сокращения контро- Во-первых, продолжает обостряться об-
лируемой доли рынка. Теперь, когда продаж- становка на рынках телекоммуникационного
ная цена определенных продуктов складыва- оборудования и сетевых центров обработки
ется из затрат на услуги кремниевого завода данных (ЦОД). Это вызвано тем, что корпора-
и плановой прибыли, рентабельность таких ция Xilinx переводит свои вентильные матри-
изделий может оказаться ниже, чем ранее. Од- цы, программируемые пользователем (FPGA),
нако руководство Intel считает, что лучше по- и конфигурируемые «системы-на-кристалле»
терять часть маржи (разницы между продаж- (SoC) следующего поколения на 7‑нм техно-
ной ценой и себестоимостью ИС), разделив логический процесс, а также внедряет адап-
ее с производственным партнером, чем про- тивные платформы ускорения вычислений.
должать проигрывать своему главному (в об- В результате поглощения фирмы Mellanox
ласти ЦП) конкуренту. Кстати, AMD преврати- корпорацией nVidia продолжается давление
лась в fabless-фирму около 10 лет назад, после на сетевые платформы Intel.
выхода из совместного предприятия с ATIC Во-вторых, произошло изменение позиций
(Advanced Technology Investment Company, сложнофункциональных ядер фирмы ARM. Бо-
подразделение государственного инвестици- лее десятилетия SoC на СФ-ядрах ARM отво-
онного фонда эмирата Абу-Даби) и образова- евывали себе место в секторе вычислительных
ния на основе этого СП кремниевого завода средств. Недавно появился суперкомпьютер
GlobalFoundries. Fugaku, основанный на ядрах ARM, который
Надо отметить, что процессы масштаби- вошел в верхнюю часть рейтинга 500 лучших
рования и уровень использования произ- суперкомпьютеров мира. Это разрушило миф
водственных мощностей взаимосвязаны о том, что технологиям ARM нет места в высоко-
(рис. 2). производительных вычислениях. Подобным же
Intel AMD
90%
80%
70%
60%
I 2019 .: « »
Intel
50%
AMD
Источник: Yole Développment
8%
40%
30%
20%
10%
0%
I . 2019 II . 2019 III . 2019 IV . 2019 I . 2020 II . 2020
Рисунок 1. Структура рынка центральных процессоров в натуральном выражении за 2019 г.
и I–II кв. 2020 г.
6 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
zet.instel.ru Бизнес
При задержке масштабирования
требования к площади кристалла
и числу обрабатываемых пластин
продолжают ужесточаться
При превышении
Требования к числу пластин, ежемесячно
Задержка определенного уровня
масштабирования IDM вынуждены
(перехода на меньшие
проектные нормы) увеличивать
инвестиции в мощности
Площадь кристалла
начинаемых обработкой
При масштабировании по обработке пластин
площадь кристалла
уменьшается
При увеличении
производительности
процессора без
масштабирования
Источник: Yole Développment
площадь кристалла
увеличивается
Обычное
масштабирование
Поколение процессора
Рисунок 2. Взаимосвязь масштабирования и числа обрабатываемых пластин
образом замена корпорацией Apple процессо- стать де-факто платформой искусственного
ров семейства Core корпорации Intel в ряде мо- интеллекта. Однако на этом рынке наблюдает-
делей ПК Mac процессорами на основе СФ-ядер ся как огромный спрос, так и большое разно
ARM открыла последним путь и возможность образие предлагаемых решений.
конкуренции с процессорами типа х86. Постулат о том, что искусственный ин-
В-третьих, интегрированные графические теллект (ИИ) нуждается в высокопроизво-
процессоры и прикладные процессоры, долго дительных центральных и графических про-
бывшие движущей силой развития рынков цессорах, также рушится. Теперь аппаратное
смартфонов и планшетных ПК, а также ряда обеспечение ИИ охватывает широкий диа-
других смежных рынков, теперь вышли на ры- пазон – от старших моделей сопроцессоров
нок средств вычислительной техники. Графи- ускорителей ИИ до SoC с интегрированными
ка стала важной экосистемой, лидерами кото- подсистемами ИИ и даже скромных микро-
рой являются корпорации AMD и nVidia. Intel контроллеров с интегрированными блоками
до недавнего времени существенно отстава- ускорителей ИИ. Разнообразие конкурентно-
ла от них, но сейчас выпускает собственный го ландшафта растет, а число игроков быстро
графический процессор – Xe. Таким образом, увеличивается, хотя бóльшая часть задач
у Intel появился еще один фронт конкуренции, ИИ все еще обрабатывается в ЦОД на про-
и от успеха реализации Хе зависит многое. цессорах Xeon, а Intel продолжает расширять
Наконец, возможно, самое главное: Intel поддержку ИИ за счет своих семейств FPGA
активно конкурирует с nVidia за возможность Movidius, Habana и Alterra [1].
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.7
Бизнес zet.instel.ru
Рынок микропроцессоров в 2020 г.
Помимо вышеперечисленного на состоя- вание инвестиций в компьютеры и системы
ние Intel существенно влияет еще одна про- ЦОД. В 2021 г., по оценкам, прирост продаж
блема – изменение рынка микропроцессоров, намного замедлится – до 9%, а продажи до-
долгое время бывшего целевым для корпо- стигнут 95,5 млрд долл.
рации. Надо отметить, что у Intel всегда были В течение 2020–2025 гг. среднегодовые
почти монопольные позиции на рынке микро- темпы роста продаж в сложных процен-
процессоров. Но теперь изменился сам этот тах (CAGR) по микропроцессорам составят
рынок – традиционные микропроцессоры 5,1%. Единственным годом снижения про-
ПК теперь занимают на нем около половины. даж, по прогнозам, станет 2024‑й (–2%), ког-
Остальное приходится на прикладные микро- да ожидается очередное мировое снижение
процессоры сотовых телефонов и встраива- темпов экономического развития. Отгрузки
емые процессоры. В этих секторах позиции микропроцессоров в натуральном выражении
Intel достаточно слабы. за прогнозируемый период продемонстри-
По данным исследовательской корпора- руют CAGR = 2,3%. Наибольшие темпы роста
ции IC Insights, общий объем продаж микро- в период 2020–2025 гг. продемонстрируют
процессоров в 2020 г. вырос до рекордного встраиваемые процессоры (темпы прироста
значения в 87,7 млрд долл. (рис. 3), что на 12% их продаж будут измеряться двузначными
выше показателей 2019 г. Рост продаж был показателями), основная доля роста продаж
в первую очередь обусловлен высоким спро- будет обеспечена прикладными микропроцес-
сом на портативные компьютеры и мощные сорами для сотовых телефонов, а темпы при-
смартфоны с большим экраном. Эти приборы роста продаж компьютерных микропроцессо-
активно использовались во время каранти- ров оцениваются как незначительные.
нов, связанных с пандемией COVID‑19, для до- За последние пять лет (2015–2020) наи-
ступа в Интернет и облачных вычислений. Вто- большими темпами роста продаж также отли-
рым фактором, стимулировавшим увеличение чались встраиваемые микропроцессоры. Их
спроса на микропроцессоры, стало наращи- продажи за этот период выросли на 114%. Тем
, . , . , .
120,00 48,00
112,19
108,35
105,87
45,97 46,00
100,90
100,00 95,50 44,60 44,71
44,00
87,67 43,44
42,91
)
80,13 78,24 42,00
80,00
(
40,31 40,00
60,00 38,00
36,45
36,00
Источник: IC Insights
35,08
40,00
34,00
32,00
20,00
30,00
2,28 2,15 2,18 2,23 2,32 2,43 2,37 2,44
0,00 28,00
2018 2019 2020 2021 ( ) 2022 ( ) 2023 ( ) 2024 ( ) 2025 ( )
Рисунок 3. Динамика рынка микропроцессоров в 2018–2025 гг. (фактические данные и прогноз)
8 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.zet.instel.ru Бизнес
SoC
( , , . .)
67,7 . 87,7 .
23,2 34% 26,6 30%
12% 20%
8,1 17,2
Источник: IC Insights
54%
36,4 43,8 50%
2015 2020
Рисунок 4. Изменение структуры рынка микропроцессоров в 2015–2020 гг.
не менее компьютерные ЦП по-прежнему зани- прикладных процессоров для сотовых телефо-
мают самую большую долю продаж микропро- нов, то их скромный рост – всего на 15% – обу-
цессоров (рис. 4). Что касается роста продаж словлен замедлением продаж смартфонов [5].
Перспективы развития корпорации Intel
Intel обладает перспективой значительной меняются перспективные методики корпуси-
синергии в широком спектре решений по об- рования, допускающие сочетание элементов,
работке данных. Но в последнее время зада- реализованных по разным проектным нор-
ча одновременного поддержания передовых мам (от новейших до зрелых). Это позволяет
производственных мощностей и расширения сократить издержки и время вывода продук-
деятельности на сферу новых гетерогенных ции на рынок при одновременном повышении
платформ (что соответствует тенденциям раз- производительности системы.
вития рынка) приводила к существенному на- Перспективные методы корпусирования
пряжению сил и средств. полупроводниковых приборов рассматри-
Сегодня ясно видно, что действие т. н. за- ваются как способ повышении ценности ИС,
кона Мура (согласно которому число транзи- наращивания их функциональности, поддер-
сторов на кристалле удваивается каждые 1,5– жания и увеличения производительности при
2 года без увеличения удельной стоимости одновременном снижении стоимости. Специ-
функций для конечного потребителя) замед- алисты Intel осознали важность перспектив-
ляется, если уже не прекратилось. Стоимость ных методик корпусирования, и в последние
проектирования возросла во много раз, а про- три-четыре года корпорация вложила значи-
изводство SoC чрезвычайно усложнилось, тельные средства в их развитие.
что заметно удлинило цикл вывода на рынок Intel является пионером закона Мура (Гор-
новых товаров. В настоящее время проекти- дон Мур, сформулировавший этот эмпири-
рование и производство новейших SoC про- ческий «закон», был одним из основателей
исходят с использованием таких подходов, и руководителей корпорации) и долгое вре-
как «система-в-модуле» (SiP) и чиплеты3, при- мя для повышения производительности
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 9Бизнес zet.instel.ru своих ИС использовала в основном масшта- подход на основе чиплетов, использовать ар- бирование начальных этапов обработки пла- хитектуры Foveros и Co-EMIB и разрабатывать стин (FEOL). Теперь же в дополнение к FEOL- межсоединения с высокой плотностью разме- масштабированию все шире используется щения с использованием технологии гибрид- гетерогенная интеграция и перспективные ме- ного монтажа (в качестве инструмента гетеро- тоды корпусирования, переходящие с уровня генной интеграции). подложки (прибора) на уровень пластины. Что все это означает для долгосрочной В этом направлении ключевыми игроками ста- стратегии Intel? Результаты могут быть са- ли Intel и TSMC. В представлении специалистов мыми разными – в зависимости от успеха Intel наиболее многообещающее направление освоения корпорацией следующего техноло- в области перспективных методов корпуси- гического уровня. Возможно, в случае появ- рования заключается в разработке и обла- ления большей уверенности и стабильности дании новейшими технологиями соединения в плане разработки технологических уровней кристаллов ИС и чиплетов в модуль, по функ- с меньшими проектными нормами Intel снова циональности сопоставимый с монолитной вернется к полномасштабной эксплуатации SoC. Для реализации подобного подхода не- и модернизированию собственных произ- обходимо добиваться создания межсоедине- водственных мощностей и корпорации будет ний с высокой плотностью расположения, что хватать ресурсов на это, но сейчас подобное обеспечит высокую пропускную способность развитие событий представляется маловеро- и низкую потребляемую мощность. Корпора- ятным. ция Intel традиционно была первопроходцем С другой стороны, текущие события могут в создании многих технологий корпусирова- оказаться началом долгого пути к превраще- ния, таких как первые органические подложки нию Intel в одну из многих полупроводниковых с использованием метода перевернутого кри- fabless-фирм. По мнению ряда специалистов, сталла, формирование медных контактных долгосрочная стратегия будет гибридной: столбиков, термокомпрессионное соединение. Сейчас Intel открывает очередной этап разви- • по многим изделиям Intel будет вести об- тия перспективных методов корпусирования работку пластин на собственных произ- высокого класса – за счет новых архитектур водственных мощностях по собственным EMIB4, Foveros5 и Co-EMIB (гибридный подход технологическим процессам; EMIB/Foveros, обеспечивающий межсоедине- • отношения с кремниевыми заводами бу- ния двух и более элементов Foveros при сохра- дут поддерживаться по тем изделиям, где нении производительности однокристальной это будет выгодно. системы) и инвестиций собственных средств в соответствующие производственные мощ- Такой подход обеспечит корпорации ности. Перспективные архитектуры 3D ИC бóльшую производственную гибкость. По- корпорации первоначально ориентированы бочным результатом станет новая конкурент- на мобильные продукты, такие как планшет- ная динамика, когда Intel и AMD конкурируют ные ПК. Помимо этого, они могут применять- не только за долю на рынке ЦП и «победные ся в экосистемах высокопроизводительных конструкции»6, но и за доступ к мощностям вычислений (НРС) и сетей и средств связи 5G. кремниевых заводов, а главный бенифициар Intel продолжает развивать архитектурный всего процесса – TSMC [1]. 10 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
zet.instel.ru Бизнес
1. Hackenberg Tom. Intel Turns to TSMC: Another Step Towards Fabless? i-Micronews,
January 21, 2021: https://www.i-micronews.com/intel-turns-to-tsmc-another-step-towards-
fabless/
2. For the Release of 4 nm Intel Products, TSMC Will Have to Allocate an Entire Enterprise.
World Today News, January 9, 2021: https://www.world-today-news.com/for-the-releaseof 4
nm-intel-products-tsmc-will-have-to-allocate-an-entire-enterprise/
3. Patterson Alan. TSMC Sees HPC As Next Inflection Point. EE Times, October
20, 2020: https://www.eetimes.com/tsmc-sees-hpc-as-nextinflection-point/?utm_
source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily 20201022&oly_enc_
id=5245B7817912J8Z
4. Hamblen Matt. Intel Agrees to Sell Its NAND Unit to SK Hynix for $9B. Fierce Electronics.
October 19, 2020: https://www.fierceelectronics.com/electronics/intel-talks-to-sell-its-nand-
unit-to-sk-hynix?mkt_tok=eyJpIjoiTmpBell6WTJaV016TW1NMSIsInQiOiJkQVRybzFMN3FVYl
V5VVNLYlhiU2V4R1lTdkpjcHExaGtraWI5ZkE0eFI5RW8yczM4TTZVRHo2eDR4VkhkWUV3b2d
PZjE3YlppNGRJUU13Q1ZYVUJaR0R4byttZ2I5K2tIQllVYzlBbVJFd1Bqb21oUithR0JJWis0MU
pPYU5cL200cjJXem9UMHZETGZ2ZlNiSlpaMkVRPT0ifQ%3D%3D&mrkid=118746433
5. Total MPU Sales Surprise With Strong Gains in 2020, More Upside in 2021. IC Insights,
February 2, 2021: https://www.icinsights.com/news/bulletins/Total-MPU-Sales-Surprise-
With-Strong-Gains-In‑2020-More-Upside-In‑2021/
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 11Микроэлектроника
Оживление интереса
к технологии FD-SOI
Ключевые слова: архитектура, потребляемая мощность, транзисторы,
производительность, технологический процесс.
Технология полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (full-depleted silicon-on-insulator, FD-
SOI) появилась довольно давно и за прошедшие годы стала одним из основных решений при соз-
дании полупроводниковых приборов с малой потребляемой мощностью. Более высокие слож-
ность и стоимость по сравнению с традиционным монолитным КМОП-процессом ограничивали
широкое применение FD-SOI, однако последние достижения в области данной технологии вновь
оживили интерес к ее использованию.
Появление FD-SOI и зрелость этой техно- с требованиями к устройствам с расширенной
логии на протяжении многих лет сделали интеллектуальностью и лучшей связностью.
ее одним из основополагающих технологи- Для создания и развития FD-SOI-продуктов
ческих достижений, обеспечивающих воз- требуется поддержка целой экосистемы. При
можность проектирования и производства этом следует учитывать инвестиции, необхо-
полупроводниковых приборов с малой потре- димые для ее создания. Хотя такие факторы,
бляемой мощностью. Хотя технологический как выбор кремниевого завода, технологиче-
процесс FD-SOI распространен не так широко, ского процесса или кремниевых сложнофунк-
как основная производственная технология циональных (СФ) блоков не являются заботой
монолитных КМОП-приборов, он предостав- использующих FD-SOI-приборы потребителей,
ляет проектировщикам набор важных пре- они имеют решающее значение для тех, кто
имуществ, которые, кроме того, совпадают нуждается в создании подобных изделий.
Почему FD-SOI?
Что отличает FD-SOI в качестве одного из важ- На рис. 1 показаны две транзисторные
ных технологических процессов? По сравнению архитектуры: монолитная КМОП и FD-SOI.
с монолитным кремнием это ряд преимуществ, По сравнению с монолитной КМОП в FD-SOI
включая улучшенные показатели потребляе- вводится ультратонкий заглубленный ок-
мой мощности, производительности и разме- сидный слой и тонкий канал, которые обе-
ров. Кроме того, специальные возможности оп- спечивают улучшение работы и достижение
тимизации на уровне операций способствуют ультрамалой потребляемой мощности (ULP).
дальнейшему повышению производительности Отметим, что сам FD-SOI-прибор сформиро-
и снижению мощности FD-SOI-приборов. ван над заглубленным слоем оксида. По срав-
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 13Микроэлектроника zet.instel.ru
Этажерка затвора Этажерка затвора
Изоляция Гало Изоляция
Приподнятая область Приподнятая область
Область Область истока–стока истока–стока
Заглубленный оксид
истока– истока–
стока стока
Имплантированная в канал примесь
Глубокий ионно-легированный карман
Источник: NXP
Монолитный прибор FD-SOI-прибор
Полностью обедненный КНИ-транзистор с проектными нормами 20 нм значительно проще, чем даже
упрощенная версия монолитного КМОП-транзистора
Рисунок 1. Сопоставление монолитной КМОП и FD-SOI транзисторных архитектур
нению с монолитной КМОП-архитектурой об- прибора в условиях высокого напряжения
ласть истока–стока приподнята, а канал под стока.
затвором отличается тонкостью и однород- Архитектуры FD-SOI уменьшают эти па-
ностью. В результате эксплуатационные ха- разитные явления и эксплуатационные не-
рактеристики транзистора становятся более достатки. Заглубленный оксидный слой за-
предсказуемыми. щищает область истока–стока, существенно
Транзисторы на FD-SOI демонстрируют снижая паразитные GIDL-эффекты. Ультратон-
меньшие паразитные явления и другие эф- кий канал помогает уменьшить DIBL, а неглу-
фекты короткого канала, присущие монолит- бокий канал улучшает возможности затвора
ным КМОП-архитектурам. Действительно, полностью выключать транзистор. Полная
в монолитных КМОП-структурах сток и ис- обедненность канала уменьшает ток утечки
ток легируются непосредственно в кремни- и изменчивость порогового напряжения. В це-
евую подложку, наряду с имплантатом кана- лом применение FD-SOI-архитектуры позволя-
ла. К тому же эта транзисторная архитектура ет значительно уменьшить емкость затвора
создает так называемый ток утечки стока, и паразитные емкости, наблюдаемые в моно-
индуцированный затвором (gate-induced drain литных КМОП-архитектурах. Это улучшает
leakage, GIDL), и порождает изменчивость по- основные показатели производительности
рогового напряжения (VT). Дополнительный конструкций аналоговых приборов, а именно:
эффект снижения барьера, индуцированного снижает динамическую и пиковую потребля-
стоком (drain-induced barrier lowering, DIBL), емую мощность, улучшает крутизну и порого-
чрезвычайно затрудняет полное отключение вое напряжение (рис. 2).
Оптимизация энергопотребления
В прошлом иерархия важных для «систем- нимают мобильные системы, Интернет вещей
на-кристалле» (SoC) параметров формулиро- и средства краевых вычислений7, значимость
валась как «производительность, потребля- показателей потребляемой мощности и зани-
емая мощность и площадь кристалла» (PPA). маемой площади превысила значимость про-
Теперь, когда центральное место на рынке за- изводительности.
14 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.zet.instel.ru Микроэлектроника
FD-SOI-транзистор
Монолитный
Опорный ток планарный
он го
транзистор
кл во
на го
к/ ро
Ток стока
то о
= одп
ла п
на на
ка тиз
Перевозбуждение
у
Кр
Ток в выключенном Перевозбуждение
состоянии
Источник: NXP
Пороговое Пороговое напряжение Позитивное напряжение
напряжение (монолитный транзистор) питания транзистора
(FD-SOI-транзиaстор)
Напряжение
затвор–исток
Рисунок 2. График отношения тока стока к напряжению затвор–сток для FD-SOI и монолитного
КМОП-приборов
FD-SOI как технологический процесс крем- дятся в режиме ожидания, основной целью
ниевых заводов ориентирован на создание при проектировании полупроводниковых при-
ИС для носимых8 устройств и других электрон- боров для них становится снижение мощности
ных систем с питанием от батареек. При вы- утечки. Минимизация общего графика энерго-
боре кремниевых СФ-блоков критическими затрат не только продлевает срок службы ис-
элементами матрицы решений становятся точника питания, но и позволяет удешевить
потребляемая мощность и площадь кристал- корпус за счет снижения требований по те-
ла. Решающее значение в современных при- пловому режиму. Общая (потребляемая) мощ-
ложениях физического уровня приобретают ность – это функция динамической мощности
снижение средней потребляемой мощности, (или проведения коммутационных операций),
пиковой потребляемой мощности и, в особен- тока короткого замыкания и мощности утечки.
ности, мощности утечки. Динамическая мощность и мощность утечки
Сочетание всех трех факторов важно тем, оказываются в центре внимания и становят-
что концентрация внимания на одном из них ся основными задачами проектирования при
не гарантирует улучшений по двум другим. создании маломощных приборов. Они рассчи-
Пиковая мощность – одна из основных про- тываются по следующим формулам:
блем при выборе типа корпуса, а также один
из ключевых факторов формирования общей
стоимости чипсета и полного перечня мате-
риалов, используемых для получения конеч-
ного изделия (bill of materials, BOM). Успех FD-SOI-транзисторы обладают меньшим
устройств с батарейным питанием часто зави- динамическим энергопотреблением (PDynamic)
сит от их способности поддерживать длитель- из-за более низкой эффективной емкости
ный и предсказуемый срок службы. (CTOT). Кроме того, как показано на рис. 2, кру-
Поскольку многие из устройств с батарей- тизна подпорогового напряжения (S) резче
ным питанием большую часть времени нахо- и транзистор включается быстрее (в пере-
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 15Микроэлектроника zet.instel.ru
возбуждение), снижая пороговое напряжение тонкий канал FD-SOI-транзистора снижает
(VT). При более низком позитивном напря- этот подпороговый ток утечки. Когда FD-SOI-
жении питания (VDD) получается та же самая транзистор выключен, то, по сравнению с мо-
производительность, соответственно, появ- нолитным КМОП-транзистором, он действи-
ляется возможность проектировать приборы тельно выключен. Кроме того, архитектура
под более низкое VDD. Таким образом, когда FD-SOI позволяет использовать методику сме-
устройство активно, сочетание более низкой щения подложки, которая в режиме обратно-
полной емкости и более низкого напряжения го смещения (RBB)9 позволяет снизить ток
питания обеспечивает снижение общей ди- утечки до 50 раз. Это основная отличительная
намической мощности FD-SOI-транзистора особенность, так как большинство приборов
по сравнению с монолитным КМОП- Интернета вещей и изделий носимой электро-
транзистором. Также FD-SOI-транзисторы ники проводят большую часть своего времени
обычно характеризуются более низким током в режиме ожидания.
выключения (IOFF) по сравнению с монолит- На рис. 3 показана архитектура смещения
ными КМОП-транзисторами. подложки как в обратном, так и в прямом
Другой ключевой показатель мощности – (FBB)10 варианте. При увеличении RBB подпо-
мощность утечки (РLeakage). При нахождении роговый ток утечки пропорционально снижа-
монолитного КМОП-транзистора в режиме ется. Большее обратное смещение означает
ожидания или в выключенном состоянии ток меньший ток. Это значительное преимущество
все еще протекает по прибору, истощая заряд для приборов Интернета вещей и изделий но-
источника питания. Полностью обедненный симой электроники с батарейным питанием.
28‑нм FD-SOI
Преимущества по производительности и потребляемой мощности
Улучшенная электростатика позволяет сократить длину затвора
Снижены паразитные явления
Обратное смещение подложки позволяет снизить
VDD без ухудшения производительности Затвор Затвор
Настройка прибора с обратным смещением Исток Сток
Исток Сток
компенсирует изменчивость процесса Ультратонкий заглубленный оксид
Преимущества аналоговой интеграции и производительности
Больший коэффициент усиления, лучшее согласование,
меньший фликер-шум Затвор Напряжение
смещения
Интеграция типа gate first* облегчает нормы плотности для
Исток Сток
прецизионных аналоговых приборов Ультратонкий заглубленный оксид
Лучшая устойчивость к эффектам защелкивания
и последовательности
Источник: NXP
10–100‑кратный рост производительности последовательной
обработки по сравнению с 28‑нм монолитными альтернативами Смещение подложки: увеличение быстродействия при
Тонкий слой заглубленного оксида дает устойчивость к эффекту необходимости и бóльшая энергоэффективность, когда
производительность не критична
защелкивания
Рисунок 3. Архитектура смещения подложки для прямого и обратного смещения
* Gate first – подход «сначала затвор», возникший при переходе на 32/28‑нм технологии с использованием HKGM, разработанный
первоначально корпорацией Intel. Обычно включает следующие этапы: изоляция; осаждение high-k-затвора; осаждение двойного
металлического затвора; осаждение поликремниевого затвора, травление поликремния и металла; формирование области истока–
стока; остановка травления самосовмещенного силицида и контактов на регулируемой глубине; первое осаждение межслойного
диэлектрика и полировка; формирование контактов.
16 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.zet.instel.ru Микроэлектроника
Интересно, что применение методики прямого ского угла11. В том же эксперименте в режиме
смещения подложки способствует росту про- типичного угла процесса (TT) было достигнуто
изводительности. При увеличении напряже- 14%-ное снижение потребляемой мощности
ния прямого смещения подложки снижается при одновременном снижении общей актив-
пороговое напряжение, что приводит к более ной площади (ширина/длина транзисторов)
высокому перевозбуждению затвора (VDD–VT), на 55%. Такая экономия площади и потребля-
как показано на рис. 2. Регулировка FBB может емой мощности – убедительный стимул для
значительно повысить производительность, использования FD-SOI.
при этом сам прибор будет работать на опти- Стоит также отметить, что методика смеще-
мальном уровне потребляемой мощности. Так, ния подложки может быть использована для
при использовании 1-В источника питания на- компенсации изменения параметров процес-
блюдалось повышение производительности са от кристалла к кристаллу. Исследования
более чем на 60%. Возможность управления показали, что при отсутствии смещения не-
прямым или обратным смещением означает, которые компоненты не справляются с требу-
что потребляемая мощность и производитель- емым быстродействием, особенно в режиме
ность работы прибора могут быть настроены медленного (slow-slow, SS) технологического
в соответствии с рабочей нагрузкой и усло- угла. Режим FBB может быть использован для
виями эксплуатации приложения (конечной повышения быстродействия этих компонен-
электронной системы). тов, их восстановления для использования
В одном из недавних экспериментов с ис- и увеличения общего выхода годных. Методи-
пользованием инструментального средства ка RBB может применяться в режиме FF для
по анализу потребляемой мощности Mixel снижения тока утечки.
была достигнута экономия примерно на 50%
в режиме быстрого (fast-fast, FF) технологиче- Продолжение следует…
Hong Eric, Jedrzejewski Nik. It’s Time to Look at FD-SOI (Again). EE Times, January 21, 2021:
https://www.eetimes.com/its-time-to-look-at-fd-soi-again/
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 17Микроэлектроника zet.instel.ru
К вопросу об оптимизации
энергопотребления
Ключевые слова: анализ, жизненный цикл, ИС, потребляемая мощность, СФ-блок, SoC.
По мере масштабирования ИС и усложнения конструкций SoC обостряется вопрос оптимизации
потребляемой мощности. Особенно это важно для конечных систем с батарейным питанием. От-
раслевые специалисты считают, что при анализе потребляемой мощности и разработке методов
ее оптимизации необходимо применять комплексный подход, охватывающий как можно больший
круг возможных решений.
По мере того как разработчики полупро- шире пространство решений разработчика,
водниковых приборов активно изучают новые тем больше набор переменных, которыми он
способы повысить их производительность оперирует, и, как следствие, влияние, кото-
без ущерба для срока службы батарей или рое он может оказать на конечный результат.
увеличения затрат на электроэнергию, зада- Обычно процесс укладывается в эволюцион-
ча оптимизации энергопотребления начинает ную повестку, но в некоторых случаях удается
смещаться на более ранние этапы жизненно- добиваться трансформационных достижений.
го цикла продукции. В отличие от потребля- Вышесказанное особенно важно для при-
емой мощности, которую квалифицирован- боров с батарейным питанием – тем более
ные проектировщики могут снизить на 1–5%, в свете увеличения объемов данных, которые
повышение эффективности использования обрабатываются этими приборами. Все, что
электроэнергии может позволить сократить ранее расценивалось как полезный, но не-
фактическую потребляемую мощность вдвое. обязательный фактор, теперь становится кон-
Но чтобы этого достичь, требуется существен- курентным преимуществом. Это верно и для
но переосмыслить всю архитектуру системы, электромобилей, где конкурентная борьба
включая то, как и где происходит обработ- ведется за максимальную дальность проезда
ка данных, какие функции приоритетны, как на одной зарядке, и для компьютеров и смарт-
долго они должны выполняться и как все фонов, где срок службы аккумуляторных ба-
это контролируется и оптимизируется вну- тарей между зарядками становится характе-
три системы. Данный момент очень важен ристикой, повышающей привлекательность
для разработчиков, занятых проектировани- товара для потребителей.
ем сложнофункциональных блоков. Но еще Потребности в энергии какого-либо изде-
большее значение он имеет для вертикально- лия, будь то сервер или мобильный телефон,
интегрированных фирм, специалисты которых в течение всего его жизненного цикла должны
осуществляют весь комплекс работ – от ми- быть по возможности минимальными. Раз-
кропрограммного обеспечения (прошивки), работчики, как правило, сосредотачиваются
которое будет использоваться в приборах, на потребляемой мощности на уровне СФ-
до того, каким в конце концов станет прибор. блоков и стремятся снизить и оптимизиро-
В последнем случае можно добиться больше- вать ее. Допустим, удалось снизить динами-
го, так как оптимизируется вся система. Чем ческую (потребляемую) мощность на 20%. Что
18 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.zet.instel.ru Микроэлектроника
это дает с точки зрения повышения энергоэф- мую мощность относительно просто, то повы-
фективности на системном уровне? Не слиш- шение энергоэффективности – задача более
ком многое – иногда общий прирост энергоэф- сложная. Обычно разработчики сосредотачи-
фективности составляет менее 1%. ваются на снижении потребляемой мощности
Чтобы справиться с подобными ситуация- и при совмещении этой задачи с повышением
ми, лучше перейти на системный уровень. Дей- энергоэффективности следят за наиболее эф-
ствительно, на уровне «систем-на-кристалле» фективным потреблением мощности – пыта-
(SoC) некоторые блоки демонстрируют малую ются сделать задание меньше и выключить
активность переключений, при этом остава- процессор по его завершении. Однако это
ясь в рабочем состоянии в течение довольно не всегда приемлемо. С точки зрения архитек-
долгого времени. Другие блоки отличаются туры, когда требуется выполнить некую зада-
всплесками поступающей информации – тог- чу, сделать это можно либо быстро закончив
да их активность переключения очень высо- задание и перейдя в период ожидания, либо,
ка, а потом они снова уходят в режим ожида- если выполнение задачи допустимо в тече-
ния. Если сопоставить оба типа этих блоков, ние определенного периода времени, снизив
может получиться, что на длительном времен- скорость его выполнения. Иначе говоря, если
ном отрезке первые в конечном итоге потре- на выполнение задачи отводится 50 циклов
бляют больше энергии. Такой расклад – хо- тактовой частоты, можно сэкономить время,
рошая отправная точка для начала процесса завершив ее за пять циклов, и оставшееся
оптимизации. время оставаться в ожидании, а можно сни-
Подобные компромиссы встречаются все зить частоту, увеличив время реализации за-
чаще по мере распространения проектов раз- дачи. Вопрос в том, что первоочередно в кон-
работки ИС и SoC. И если снизить потребляе- кретном случае (рис. 1).
Задачи, не подходящие
«Тяжелые» вычисления
для данного аппаратного
обеспечения
Потребляемая мощность
Облегченные
вычисления
Динамическое
масштабирование
Источник: Synopsys
Производительность
Рисунок 1. Проектирование ИС с целью повышения эффективности
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 19Микроэлектроника zet.instel.ru Анализ энергоэффективности, поиск компромиссов Одной из ключевых задач при проектиро- мощности, основанным на фактических техно- вании ИС и SoC в будущем станет определение логических характеристиках, – динамический приоритетов на архитектурном уровне. То есть анализ мощности. В эпоху процессоров с рас- для достижения оптимальной энергоэффек- ширенными возможностями и высокоуровне- тивности архитектурный анализ должен про- вого синтеза он смещается на более высокие водиться в самом начале процесса проекти- уровни. В качестве входных данных процесса рования. анализа и оптимизации мощности пользова- При осуществлении архитектурного анализа тели могут брать высокоуровневое описание проекта с несколькими ядрами (например, SoC и сгенерированные RTL-вариации. Такой под- мобильного телефона) могут рассматриваться ход позволяет оценить на еще более ранних пяти- или шестиядерные процессоры. Можно уровнях влияние на потребляемую мощность, запускать все ядра на частоте 1 ГГц, а можно энергетические и тепловые аспекты различ- активировать процессор только в случае не- ных разбиений аппаратного и программного обходимости, когда одно ядро будет работать обеспечения, а также вариаций процессоров. на высокой частоте, а остальные – на низкой. Это особенно важно, потому что большая часть Частью процесса принятия решений являет- управления режимом энергопотребления кон- ся планирование ПО. При этом следует преду тролируется программным обеспечением. смотреть как нагрузки с пиковой мощностью, Еще более важна проверка функциональности так и со средней потребляемой мощностью микропрограммного обеспечения мощности в течение определенного периода времени. перед внедрением вновь созданных компо- Система должна быть спроектирована таким нентов, использующих новые конфигурации образом, чтобы удовлетворять условиям пи- чиплетов. Для таких моделей использова- ковых нагрузок. Даже если какую-либо задачу ния спрос на виртуальное прототипирование можно реализовать не за 80 тактов, а за пять и многокристальную эмуляцию будет, по всей (в сценарии с 80 тактами), в оставшееся вре- видимости, увеличиваться. мя все равно могут быть резкие всплески Еще один аспект принятия решений при потребляемой мощности – из-за обращений выборе архитектуры на основе нескольких к процессору для решения еще какой-нибудь процессоров или вычислительных блоков задачи. Соответственно, требуется довольно заключается в необходимости определить большой объем планирования. доминирующую потребляемую мощность – В прошлом большинство задач реализо- динамическую или статическую. В случае до- вывалось последовательно, сейчас же их все минирования статической мощности опти- чаще необходимо выполнять параллельно. мальным решением будет запуск меньшего Возникла и развивается тенденция совмест- числа узлов на более высоких частотах. При ной разработки аппаратного и программного доминировании динамической мощности обеспечения на более ранних этапах жизненно- предпочтительнее использовать большее го цикла продукции. Одновременно реализует- число узлов на более низких частотах. Во- ся и другая тенденция – перехода на более вы- прос о том, какой вариант и при каких обстоя- сокие уровни при оптимизации потребляемой тельствах использовать, является предметом мощности, энергии, тепловыделения. Сегодня планирования. Для этого используются такие достаточно распространен подход, предпо- методы, как динамическое масштабирование лагающий взаимосвязь данных по моделиро- напряжения и частоты (DVFS)12, динамиче- ванию и эмуляции с анализом потребляемой ское масштабирование напряжения (DVS) или 20 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
zet.instel.ru Микроэлектроника
адаптивное масштабирование напряжения доминировании динамической мощности за-
(AVS) (рис. 2). Чем выше частота – тем выше пускаются три процессора (ядра), то частота
энергия. Использование DVFS связано с про- снижается с 1 ГГц (условно) до 500 МГц, а если
граммным планировщиком задач, определя- доминирует статическая мощность, то запу-
ющим необходимость включения большего скается один процессор (ядро), но с тактовой
числа узлов. Если в динамическом режиме частотой 3 ГГц.
возникает необходимость использовать боль- Простое изменение частоты не имеет смыс-
шее число узлов, то задействуется блок управ- ла. Одновременно должно изменяться и на-
ления режимом электропитания, определяю- пряжение, так как чем выше напряжение, тем
щий частоту процессоров. Например, если при выше частота, и наоборот.
Варианты оптимизации энергопотребления
Для оптимизации энергопотребления необ- жима, пиковой мощности. В их рамках в холо-
ходимо задействовать различные архитектур- стом режиме определяется мощность утечки,
ные решения как на уровне ИС, так и на систем- фактическое выполнение работы (выполняет-
ном уровне. Обычно происходящее на уровне ся или нет).
ИС может описываться несколькими типами Пиковая мощность, также называемая
сценариев, основанными на средней вычис- максимальной средней мощностью, относит-
лительной мощности, мощности холостого ре- ся к моментам времени, когда происходит
Быстрое выполнение
задачи с последующим
Энергия ожиданием
Рабочие циклы Холостые циклы
Частотное масштабирование
Энергия
Источник: Synopsys
Масштабирование частоты и напряжения
где:
Pdynamic – динамическая 1/4 энергии
потребляемая мощность
Время Срок завершения
Vdd – позитивное напряжение
питания трансформатора
fclk – тактовая частота
Рисунок 2. Разные технологии – р
азные результаты
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г. 21Микроэлектроника zet.instel.ru бóльшая часть работы и потребляется много выделение частей системы («островков на- энергии. Между этими периодами существу- пряжения») таким образом, чтобы некоторые ют и другие режимы нормального функцио- блоки, не ориентированные на обеспечение нирования, которые также требуют энергии. высокой производительности, фактически При этом неверно будет исходить из того, что работали при более низком напряжении. Это между объемами выполняемых работ и по- экономит довольно много энергии. Кроме требляемой мощностью существует линейная того, SoC можно разделить на несколько об- зависимость – возможны варианты большего ластей мощности. Некоторые блоки при этом потребления энергии при исполнении отно- будут использоваться для пропускания мощ- сительно небольшого объема работ. В част- ности14 с целью снижения мощности утечки. ности, это может быть обусловлено тем, что Объединенные межсоединениями блоки па- конструкция прибора предполагает наличие мяти могут быть переведены в режим ожи- напрасных переключений. Для устранения по- дания. Иными словами, есть много способов добных недостатков существует множество справиться с поставленной задачей на аппа- стратегий оптимизации потребляемой мощ- ратном уровне. ности регистров и памяти. Так, в случае если Кроме того, при работе над управлением ре- имеются определенные типы данных, кото- жимом энергопотребления проектировщикам рые часто записываются в память и являют- легче определить, какая функциональность ся частью конфигурации, их можно записать относится к ПО, а какая – к аппаратному обе- на триггер и запускать в работу лишь тогда, спечению. когда это необходимо (например, при боль- Один из вариантов, возникающих на про- ших объемах входящих данных). Также мож- граммном уровне, – полное или частичное но осуществить тонкую подстройку тактового (в зависимости от обстоятельств) использова- пропускания13 или внести некоторые архитек- ние ресурсов. Могут появиться блоки, которые турные изменения с целью уменьшения числа ПО использует не оптимально. Для лучшего переключений для снижения потребляемой управления энергией можно добавить уро- мощности. Однако подобная оптимизация вень ОС, отвечающий за выборочное отклю- не всегда приводит к экономии энергии на си- чение компонентов, используемых частич- стемном уровне. но или не используемых. Потерю ресурсов Блоки, над которыми проектировщики ра- также можно устранить, разработав методы ботают на системном уровне, могут иметь управления ими на уровне ОС, которые будут разные сценарии использования. Например, оптимизировать использование доступных одни блоки активны лишь короткое время, аппаратных ресурсов. Наконец, уже существу- а другие – бóльшую часть времени. Оптимиза- ют программы управления режимами энер- ция рабочей нагрузки и максимизация энерго- гопотребления, встроенные в серверы. Они эффективности с точки зрения потребляемой способны оптимизировать рабочие нагрузки мощности осуществляются с учетом таких с целью изменения объемов требуемых ра- сценариев. Чтобы реализовать это на систем- бот – например, в зависимости от того, какую ном уровне, для аппаратного обеспечения точность клиенты желают получить от своего существуют стандартные методы, включая приложения. Изменение напряжения, частоты Непростая задача внесения изменений ления еще усложняется по мере усложнения в архитектуру для оптимизации энергопотреб систем. Просто уменьшить частоту проекти- 22 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 4 (6728) от 25 февраля 2021 г.
Вы также можете почитать
