Yarım yüzyıldan uzun bir süredir Moore Yasası'nın amansız ilerlemesi, mühendisleri yaklaşık her iki yılda bir çipteki transistör sayısını iki katına çıkarmaya yöneltti ve bu da bilgi işlem gücünde üstel büyümeyi körükledi. Ancak çipler daha yoğun ve daha güçlü hale geldikçe, zorlu bir düşman ortaya çıktı: ısı. Modern CPU'lar ve GPU'lar içindeki artan sıcaklıklar, performansı ve güç tüketimini etkileyen geniş kapsamlı sonuçlara sahiptir. Zamanla, aşırı ısı kritik sinyal yayılımını yavaşlatır, çip performansını düşürür ve akım sızıntısını artırır - gücü boşa harcar ve Moore Yasası'nın bir zamanlar vaat ettiği verimlilik kazanımlarını baltalar.
Altta yatan sorun, bir zamanlar mühendislerin transistörleri küçültmesine ve voltajı aynı anda azaltmasına olanak tanıyan ve güç tüketimini kontrol altında tutan bir ilke olan Dennard ölçeklemesinin sonuyla yakından bağlantılıdır. Ancak 2000'lerin ortalarında, transistör yoğunluğu artmaya devam etse bile, daha fazla voltaj azaltımı pratik olmaktan çıktı. Bu sapma, güç yoğunluğunda istikrarlı bir artışa ve kaçınılmaz olarak daha fazla ısı üretimine yol açtı.
Çipler daha kompakt ve güçlü hale geldikçe, termal yükü yönetmek yarı iletken endüstrisi için kritik bir zorluk haline geldi. Imec'te Sistem Teknolojisi Ortak Optimizasyon programını yöneten ve yakın zamanda IEEE Spectrum için bir makale yazan James Myers'a göre, gelişen yarı iletken teknolojilerinin ısı üretimi ve dağılımını nasıl etkileyeceğini tahmin etmek ve ele almak için yeni bir yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır.
Myers ve meslektaşları, endüstri standardı ve açık kaynaklı elektronik tasarım otomasyon araçlarını tescilli yazılımla bütünleştiren bir simülasyon çerçevesi geliştirdiler. Bu çerçeve, çip teknolojisi ile sistem düzeyindeki termal davranış arasındaki etkileşimi keşfetmelerine olanak tanır.
Bulguları kesindir: her yeni nesil yarı iletken teknolojisi termal zorluğu daha da kötüleştirir. Üreticiler nanosheet transistörlere ve sonunda tamamlayıcı alan etkili transistörlere (CFET'ler) geçiş yaptıkça güç yoğunluğu artmaya devam eder. A10 (1 nanometre) ve A5 gibi gelecekteki teknoloji düğümlerinin simülasyonları, A10'dan A5'e güç yoğunluğunda %12 ila %15'lik bir artış öngörüyor ve bu da aynı çalışma voltajında yaklaşık dokuz santigrat derecelik bir sıcaklık artışıyla sonuçlanıyor.
Tamamlayıcı alan etkili transistörler, nanosheet transistörleri üst üste istifleyerek yoğunluğu ve sıcaklığı artıracaktır. Nanosheet transistörlerle (A10 düğümü) aynı sıcaklıkta çalışmak için, CFET'lerin (A5 düğümü) azaltılmış bir voltajda çalışması gerekecektir.
Milyonlarca çip barındıran veri merkezlerinde, güç yoğunluğunda böyle bir artış, kararlı çalışma ile felaket niteliğinde termal kaçak arasındaki farkı belirleyebilir. Hava soğutmalı soğutucular gibi geleneksel soğutma yöntemleri, yüksek performanslı tesislerde halihazırda sıvı soğutma ile destekleniyor. Ancak, bu gelişmiş teknikler bile yeni nesil çip teknolojilerinin ürettiği ısıyı yönetmek için yetersiz kalabilir.
Araştırmacılar, bu sorunu çözmek için, soğutma sıvısını çipin içine yerleştirilmiş mikroskobik geçitlerden geçiren mikroakışkan soğutma; yüksek hızlı soğutma sıvısı akımlarını çipin yüzeyine yönlendiren jet çarpması; ve tüm kartların termal olarak iletken bir dielektrik sıvıya daldırıldığı daldırma soğutma gibi alternatif çözümleri araştırıyorlar.
Yeni teknolojiler, çok çekirdekli bir işlemciye iletilmesi gereken voltajı azaltabilir, böylece çip kabul edilebilir bir frekansta çalışırken minimum voltajı korur. Arka taraf güç dağıtım ağı bunu direnci azaltarak yapar. Arka taraf kapasitörleri geçici voltaj kayıplarını azaltır. Arka taraf entegre voltaj regülatörleri, farklı çekirdeklerin ihtiyaç duyulduğunda farklı minimum voltajlarda çalışmasına olanak tanır.
Ancak bu yöntemler her ortamda, özellikle boyut, ağırlık ve pil ömrünün sıkı bir şekilde kısıtlandığı mobil cihazlarda veya altyapı yükseltmelerinin maliyetli ve kesintiye yol açabileceği veri merkezlerinde pratik olmayabilir.
Soğutmanın ötesinde, sistem düzeyindeki stratejiler giderek daha fazla sıcaklıkları yönetmek için kullanılıyor. Örneğin termal sensörler, güç tüketimini düşürmek için voltaj ve frekansta dinamik düşüşler tetikleyebilir. Ancak bu genellikle performans pahasına olur, akıllı telefonu doğrudan güneş ışığının ısısı altında yavaşlayan herkesin aşina olduğu bir takas.
Arka güç dağıtım teknolojisi, ısının uzaklaştırılma yolundaki malzemeleri değiştirerek yongalardaki sıcak noktaların daha da sıcak olmasını sağlayabilir.
Termal sprint olarak bilinen başka bir teknik, iş yüklerini işlemci çekirdekleri arasında döndürerek aşırı ısınan çekirdeklerin soğumasını ve diğerlerinin devralmasını sağlar. Kısa süreli etkinlik patlamaları için etkili olsa da, bu yaklaşım genel verimi azaltabilir ve sürekli iş yükleri sırasında gecikmeye neden olabilir.
Termal yönetimde umut vadeden yeni bir sınır, çip plakasının arka tarafını kullanmayı içerir. Güç dağıtım şebekesini çipin alt tarafına taşıyarak, arka taraf güç dağıtım şebekesi (BSPDN) olarak bilinen bir stratejiyle, mühendisler elektrik direncini azaltabilir ve daha düşük voltajlarda çalışmayı mümkün kılarak ısı üretimini azaltabilir.
Tüm büyük gelişmiş CMOS dökümhanelerinin 2026 yılına kadar BSPDN teknolojisini benimsemesi bekleniyor. Gelecekteki geliştirmeler arasında, daha ince voltaj kontrolü sağlayan ve enerji verimliliğini daha da artıran yüksek kapasiteli kapasitörler ve çip üstü voltaj regülatörlerinin arka tarafa entegre edilmesi yer alabilir.
Gelecekte, çiplerin parçaları her biri için uygun işlem teknolojisi kullanılarak kendi silikon plakaları üzerinde üretilecek. Daha sonra, yalnızca bir işlem teknolojisi kullanılarak üretilenlerden daha iyi işlev gören SoC'ler oluşturmak için 3D istiflenecekler. Ancak mühendisler, ısının bu yeni 3D yapılardan nasıl aktığını dikkatlice düşünmek zorunda kalacaklar.
Bu yeniliklerin dezavantajları da yok değil. Arka taraf teknolojilerini etkinleştirmek için silikon alt tabakayı inceltmek, ısıyı dağıtma yeteneğini azaltabilir ve potansiyel olarak yeni termal sıcak noktalar yaratabilir. Simülasyonlar, BSPDN'lerin yerel sıcaklıkları 14 santigrat dereceye kadar artırabileceğini ve ek azaltma stratejilerine ihtiyaç olduğunu öne sürüyor.
Bu gelişmeler, Imec'in "CMOS 2.0" dönemi olarak adlandırdığı, gelişmiş transistör mimarileri ve uzmanlaşmış mantık katmanları ile tanımlanan döneme denk geliyor. Bu teknolojiler, sinyallerin çip boyunca nasıl iletildiğini optimize ederek, termal yönetimde potansiyel kazanımların yanı sıra gelişmiş performans ve enerji verimliliği sunmayı hedefliyor.
Yine de, bu teknolojiler gelişmeye devam ettikçe, termal etkilerin tam olarak ne olacağı belirsizliğini koruyor ve kapsamlı bir araştırma gerektiriyor.
Myers, termal kontrole yönelik yazılım tabanlı yaklaşımların yararlı olsa da, özünde kesin olmadığı konusunda uyarıyor. Bunlar genellikle bir çipin gereğinden daha geniş alanlarını kısıtlar ve bu da performansı gereksiz yere düşürebilir. Bunun yerine, sistem tasarımını, fiziksel düzeni ve işlem teknolojisini birleşik bir geliştirme sürecine entegre eden sistem teknolojisi eş optimizasyonu olarak bilinen bütünsel bir stratejiyi savunuyor.
Myers, disiplinler arası iş birliğinin teşvik edilmesi ve gelişmiş simülasyon araçlarının kullanılmasıyla sektörün, gelecekteki yongaların karşı karşıya kalacağı artan termal zorlukları daha iyi öngörebileceği ve çözebileceği sonucuna varıyor.
Kaynak :
https://www.techspot.com/news/107585-ri ... ctors.html
