Закон масштабирования Деннарда

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Закон масштабирования Деннарда — «уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность». Закон масштабирования Деннарда (англ. Dennard scaling также известен как закон масштабирования MOSFET, англ. MOSFET scaling) — эмпирический закон масштабирования открытый в работе 1974 года, одним из авторов которого выступили Роберт Деннард, чьим именем и назван закон[1].

Смысл закона[править | править код]

В процессе исследований Деннарду удалось показать, что МОП-структуры имеют огромный потенциал для миниатюризации: при уменьшении линейных размеров можно пропорционально уменьшать подаваемое на затвор напряжение, и при этом переключающие свойства транзистора сохраняются, а скорость переключения повышается. Иными словами, чем меньше транзистор по размеру, тем быстрее он может переключаться; чем быстрее транзистор может переключаться, тем быстрее работает процессор. Значит, уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность.

Из этого следовало предсказание, определившее будущее технологий на несколько десятилетий: для повышения производительности надо повышать плотность, частоту и снижать энергопотребление[2].

Связь с Законом Мура[править | править код]

Статья о масштабировании не только объяснила закон Мура, но и расширила его: в самом Законе Мура говорится о повышении плотности (т.е. количества транзисторов на единицу площади), но не о том, что это ведет к повышению производительности. Заслуга Роберта Деннарда в том, что он соотнес масштабирование с производительностью, и если Гордон Мур задал вектор для развития полупроводниковой индустрии, то Деннард объяснил, каким именно способом следует двигаться в его направлении. С тех пор постоянно уменьшающаяся ширина (технологический фактор) проводника стала главным показателем прогресса в индустрии микропроцессорной техники.

Несоблюдение закона с 2006 года[править | править код]

Примерно в 2005—2007 годах Закон масштабирования перестал работать. Так, на момент 2016 года число транзисторов по-прежнему продолжает расти, но темпы роста производительности процессоров замедлились. Главная причина состоит в том, что при уменьшении размеров транзисторов токи утечки (leakage currents) создают все большие и большие проблемы: они приводят к нагреванию микросхемы, что ведет в свою очередь к тепловому разгону процессора и выходу его из строя. Таким образом Закон масштабирования упирается в определенные пределы выделяемой мощности процессора (power wall), после которых процессоры просто плавятся от перегревания. И преодолеть эти пределы невозможно без использования нетрадиционных, громоздких и дорогих систем охлаждения. Как результат с 2006 года частота массовых микропроцессоров не растет выше примерно 4ГГц.

Несоблюдение Закона Деннарда и как следствие невозможность наращивать больше тактовую частоту процессоров привели к тому, что производители обратились к другой альтернативе: производству многоядерных процессоров. Таким образом выросший благодаря Закону Мура бюджет транзисторов тратится теперь уже не на увеличение производительности самого вычислительного ядра, а на увеличение количества этих ядер в процессоре и размещении других компонентов на подложке процессора (многоуровневый кэш, видеосистема, сетевые интерфейсы, специализированные ускорители), которые до этого приходилось размещать на плате отдельно.

Примечания[править | править код]

  1. Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz; Yu, Hwa-Nien; Rideout, Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre (October 1974). “Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions” (PDF). IEEE Journal of Solid State Circuits. SC-9 (5).
  2. McMenamin, Adrian The end of Dennard scaling (April 15, 2013). Проверено 23 января 2014.

Ссылки[править | править код]