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Escala de Dennard

En electrónica de semiconductores , la escala de Dennard , también conocida como escala MOSFET , es una ley de escala que establece aproximadamente que, a medida que los transistores se hacen más pequeños, su densidad de potencia permanece constante, de modo que el uso de energía se mantiene en proporción con el área; tanto el voltaje como la corriente escalan (hacia abajo) con la longitud. [1] [2] La ley, originalmente formulada para los MOSFET , se basa en un artículo de 1974 coescrito por Robert H. Dennard , de quien recibe el nombre. [3]

Derivación

El modelo de escalamiento de MOSFET de Dennard implica que, con cada generación de tecnología:

  1. Las dimensiones del transistor se pueden escalar en un −30 % (0,7×). Esto tiene los siguientes efectos simultáneamente:
  2. El consumo de energía de un transistor individual disminuye en un 51%, porque la potencia activa es CV 2 f. [4]
  3. Como resultado, el consumo de energía por unidad de área permanece igual para cada generación de tecnología. Alternativamente, con cada generación, el número de transistores en un chip puede duplicarse sin cambios en el consumo de energía.

Relación con la ley de Moore y el rendimiento computacional

La ley de Moore dice que la cantidad de transistores en un microchip se duplica aproximadamente cada dos años. Combinado con el escalamiento de Dennard, esto significa que el rendimiento por julio crece aún más rápido, duplicándose aproximadamente cada 18 meses (1,5 años). Esta tendencia a veces se conoce como la ley de Koomey . Koomey sugirió originalmente que la tasa de duplicación era de 1,57 años, [5] pero estimaciones más recientes sugieren que esta se está desacelerando. [6]

Desglose de la escala de Dennard en torno a 2006

El consumo de energía dinámico (conmutación) de los circuitos CMOS es proporcional a la frecuencia. [7] Históricamente, la reducción de potencia del transistor proporcionada por el escalamiento de Dennard permitió a los fabricantes aumentar drásticamente las frecuencias de reloj de una generación a la siguiente sin aumentar significativamente el consumo de energía general del circuito.

Desde aproximadamente 2005-2007, el escalamiento de Dennard parece haber dejado de funcionar. A partir de 2016, el número de transistores en los circuitos integrados sigue creciendo, pero las mejoras resultantes en el rendimiento son más graduales que las aceleraciones resultantes de los aumentos significativos de frecuencia. [1] [8] La razón principal citada para la ruptura es que en tamaños pequeños, la fuga de corriente plantea mayores desafíos y también hace que el chip se caliente, lo que crea una amenaza de descontrol térmico y, por lo tanto, aumenta aún más los costos de energía. [1] [8]

La ruptura del escalamiento de Dennard y la consiguiente incapacidad para aumentar significativamente las frecuencias de reloj ha hecho que la mayoría de los fabricantes de CPU se centren en procesadores multinúcleo como una forma alternativa de mejorar el rendimiento. Un mayor número de núcleos beneficia a muchas cargas de trabajo (aunque de ninguna manera a todas; consulte la ley de Amdahl ), pero el aumento de elementos de conmutación activos al tener múltiples núcleos aún resulta en un mayor consumo de energía general y, por lo tanto, empeora los problemas de disipación de energía de la CPU . [9] [10] El resultado final es que solo una fracción de un circuito integrado puede estar realmente activa en un momento dado sin violar las restricciones de energía. El área restante (inactiva) se conoce como silicio oscuro .

Referencias

  1. ^ abc McMenamin, Adrian (15 de abril de 2013). "El fin de la escalada de Dennard" . Consultado el 23 de enero de 2014 .
  2. ^ Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay Kumar (2016). Dispositivos electrónicos de estado sólido . Boston: Pearson. pág. 341. ISBN 978-1-292-06055-2.OCLC 908999844  .
  3. ^ Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien; Rideout, V. Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre R. (octubre de 1974). "Diseño de MOSFET implantados con iones con dimensiones físicas muy pequeñas". IEEE Journal of Solid-State Circuits . SC-9 (5): 256–268. Bibcode :1974IJSSC...9..256D. doi :10.1109/JSSC.1974.1050511. S2CID  283984.
    Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien; Rideout, V. Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre R. (abril de 1999). "Artículo clásico: diseño de MOSFET implantados con iones con dimensiones físicas muy pequeñas". Actas del IEEE . 87 (4): 668–678. CiteSeerX  10.1.1.334.2417 . doi :10.1109/JPROC.1999.752522. S2CID  62193402.
  4. ^ Borkar, Shekhar; Chien, Andrew A. (mayo de 2011). "El futuro de los microprocesadores". Comunicaciones de la ACM . 54 (5): 67. doi : 10.1145/1941487.1941507 .
  5. ^ Greene, Katie (12 de septiembre de 2011). "Una nueva y mejorada ley de Moore: según la "ley de Koomey", es la eficiencia, no la potencia, la que se duplica cada año y medio". Technology Review . Consultado el 23 de enero de 2014 .
  6. ^ Koomey PhD, Jonathan G (29 de noviembre de 2016). "Nuestro último trabajo sobre eficiencia energética de la informática a lo largo del tiempo, ahora publicado en Electronic Design". koomey.com . Consultado el 15 de enero de 2021 .
  7. ^ "Consumo de energía CMOS y cálculo de CPD" (PDF) . Texas Instruments . Junio ​​de 1997 . Consultado el 9 de marzo de 2016 .
  8. ^ ab Bohr, Mark (enero de 2007). "Una retrospectiva de 30 años sobre el trabajo de escalamiento de MOSFET de Dennard" (PDF) . Solid-State Circuits Society . Consultado el 23 de enero de 2014 .
  9. ^ Esmaeilzadeh, Hadi; Blem, Emily; St. Amant, Renee; Sankaralingam, Karthikeyan; Burger, Doug (2011). "Silicio oscuro y el fin del escalamiento multinúcleo". 2011 38.° Simposio internacional anual sobre arquitectura informática (ISCA) . IEEE. pp. 365–376. CiteSeerX 10.1.1.222.8988 . doi :10.1145/2000064.2000108. ISBN.  978-1-4503-0472-6. Número de identificación del sujeto  207188742.
  10. ^ Hruska, Joel (1 de febrero de 2012). "La muerte del escalado de CPU: de un núcleo a muchos, y por qué seguimos estancados". ExtremeTech . Consultado el 23 de enero de 2014 .