Semnătura Termică a Unui Sistem de Calcul

1. Introducere

1.1 Importanţa temperaturii şi puterii în contextul evoluţiei tehnologice

În ultimii ani, progresele realizate în domeniul microelectronicii au fost foarte mari şi foarte rapide, în special în ceea ce priveşte tehnologia de fabricaţie a circuitelor integrate VLSI. Pentru a oferi o putere de calcul tot mai mare (mai multe funcţionalităţi, complexitate ridicată) şi viteză de procesare tot mai mare, la baza evoluţiei circuitelor integrate a stat aşa numitul proces de scalare. Scalarea este procesul prin care se poate creşte densitatea de integrare şi viteza de operare, prin micşorarea dimensiunilor tranzistorilor, scăderea tesiunii de prag şi a tensiunii de alimentare (tabelul 1.1). Pe un plan secund au fost lăsate alte caracteristici importante cum ar fi puterea consumată, temperatura disipată şi în unele cazuri chiar calitatea şi fiabilitatea circuitelor, care au fost în mod direct afectate de procesul de scalare. Însă, în ultimul timp, datorită problemelor care apar, tot mai mult se discută despre controlul puterii consumate şi scăderea temperaturii disipate de circuitele integrate VLSI. În continuare, în acest paragraf introductiv, va fi prezentat modul în care evoluţia a influenţat puterea consumată şi temperatura disipată de circuitele integrate.

Anul 2000-2006 2020

Dimensiunea canalului 0.13-0.10 μm 0.018 μm

Grosimea stratului de oxid ~20A <10A

Curentul de scurgere ~0.05 nA/μm2 ~0.05 μA/μm2

Tensiunea de prag 0.3V <0.1V

Tensiunea de alimentare 1V <0.6V

Tabelul 1.1 – Caracteristicile procesului de scalare [Chung2001]

Cerinţele pieţei pentru microprocesoare tot mai performante (tabelul 1.2) a condus la creşterea continuă şi accentuată a puterii consumate de acestea şi deci şi a aplicaţiilor în care sunt folosite [Gunther2001, Viswanath2000, Chung2001]. Creşterea consumului de putere nu afectează doar costul de utilizare al produsului ci şi performanţa şi durata de viaţă a acestuia.

Procesor Anul Număr de

tranzistoare Tehnologie

[m] VDD

[V] Fmax

[MHz] Pmax

[W]

4004 1971 2250 10 12 0.1

8080 1974 4500 6 5 3

8086 1978 29000 2 5 12

80286 1982 134000 1.5 5 20

80386 1985 275000 1 5 33 1.9

80486 1989 1200000 0.8 5 - 3.3 66 6

Pentium 1994 3100000 0.6 - 0.35 5 - 3.3 200 15

Pentium Pro 1997 5500000 0.35 3.3 - 2.9 300 47

Pentium 2 1998 7500000 0.25 3.3 - 2.1 500 27

Pentium 3 1999 9500000 0.18 3.3 - 1.3 1200 37

Pentium 4 2000 55000000 0.13 1.75 - 1.5 1500 57

Pentium 4 2001 55000000 0.13 1.75 - 1.5 2000 75

Itanium 2001 25000000 0.18 3.3 800 116

Pentium 4 2002 55000000 0.13 1.75 - 1.5 3000 81

Itanium 2 2002 220000000 0.18 3.3 1000 130

Tabelul 1.2 – Evoluţia procesoarelor Intel

Principalul parametru care este influenţat în mod direct de creşterea puterii consumate de un circuit integrat este temperatura. Temperatura este un parametru extrem de important în contextul circuitelor integrate deoarece creşterea acesteia influenţează negativ atât performanţa circuitului cât şi fiabilitatea acestuia.

Efectele creşterii temperaturii sunt:

- scăderea vitezei – viteza scade cu 0.15% pentru fiecare creştere a temperaturii cu 1 oC. Creşterea temperaturii afectează timpii de comutare la nivel de poartă logică (vezi figura 1.2);

- scăderea fiabilităţii – durata de viaţă se diminuează cu 50% la o creştere a temperaturii cu 10-15 oC. Creşterea temperaturii afectează şi degradează fizic structura de siliciu ducând la defectarea prematură a circuitului; creşterea curenţilor reziduali – IOFF creşte cu temperatura. Poate apare fenomenul de fugă termică (thermal runaway) datorită creşterii curenţilor reziduali care implică o încălzire şi mai puternică a circuitului, care la rândul ei produce un curent mai mare, ş.a.m.d.

Figura 1.1 – Performanţa vs. temperatură [Sofia2000]

Din practică s-a constatat că cea mai întâlnită cauză de defectare la circuitele integrate este temperatura, 55% din totalul cauzelor de defectare se datorându-se acesteia (vezi figura 1.2). Circuitele integrate au specificate ca şi date de catalog şi valorile maxime admisibile pentru temperatura joncţiunii. Dacă se depăşeşte această valoare circuitul riscă să se defecteze şi se degradează mai repede. Din acest motiv, chiar dacă puterea consumată de un circuit integrat creşte, temperatura acestuia trebuie păstrată sub valoarea maximă admisibilă, prin utilizarea mecanismelor de răcire corespunzătoare.

Figura 1.2 – Principalele cauze de defectare ale circuitelor integrate [Sofia2000]

Pentru microprocesoare s-a constatat că puterea consumată depinde de tipul aplicaţiei executate (figura 1.3), astfel că în timpul funcţionării puterea variază în funcţie de aplicaţiile executate la un moment dat. Sistemul trebuie astfel proiectat încât să asigure funcţionarea procesorului sub limita maximă specificată pentru temperatură, chiar dacă puterea consumată creşte până la valoarea maximă. Pentru a satisface acest deziderat trebuie utilizate sisteme de răcire tot mai performante, la preţuri cât mai mici.