Механизм генерации помех в БИС процессоров

в разделе "Процессор и .."

на сайте

www.electrosad.ru

МОП ключ с динамической нагрузкой
как основной элемент дискретных структур процессоров

Исторически так сложилось, что при изготовлении дискретных вычислительных структур (процессоров) и обеспечивающих их работу СБИС статической памяти, контроллеров управления памятью и периферией были выбраны МОП структуры. Основой их являются ключи с динамической нагрузкой. Далее будем говорить только о процессорах как наиболее характерных СБИС физические процессы и рабочие частоты, которых полностью перекрывают аналогичные параметры остальных видов СБИС. Для простоты рассмотрим работу КМОП ключа с динамической нагрузкой процессы, в которых полностью описывают динамику работы рассматриваемых структур и их логических элементов.

Через инвертор, выполненный по КМОП технологии протекает ток в момент переключения (Iн рис.2), который перезаряжает емкость нагрузки, при этом сквозной ток практически отсутствует. При переходе в состояние «0» (транзистор Т1 открыт, Т0 закрыт), на его активное сопротивление разряжается емкость нагрузки и энергия этого тока переходит в тепло. А при переходе в состояние «1» (транзистор Т0 открыт, Т1 закрыт), емкость нагрузки заряжается импульсом тока то линии распределения питания и мощность выделившаяся на сопротивлении канала полевого транзистора переходит в тепло.

Рассеиваемая мощность, определяется по общеизвестной формуле:

P_потр=f_пC_нЕ²

Где:        f_{п –} частота переключения,  C_{н –} емкость нагрузки инвертора, Е – напряжение питания инвертора.

Cн суммируется из C_н инвертора, плюс С_мс –емкости межсоединений, плюс С_из0 - емкость исток - затвор Т0, плюс С_сз1 – емкость сток – затвор Т1, плюс С_посл – входная емкость последующих логических элементов, которая обычно равна по крайней мере входной емкости 2х логических ячеек. С_посл = 2(С_зи1 + С_зс1).

Нельзя однозначно сказать, что Cн падает с переходом на более тонкие техпроцессы, поскольку снижение толщины изоляционных слоев наоборот приводит к росту. К качественному снижению Cн может привести только переход на диэлектрики с малой диэлектрической проницаемостью.

В состоянии «0» или «1» закрыто верхнее или нижнее плечо инвертора, соответственно и сквозной ток отсутствует.

 

Из Ф.1 видно мощность, рассеиваемая таким инвертором при заданной частоте переключения прямо пропорциональна емкости его нагрузки и квадрату напряжения питания инвертора. Эта известная зависимость используется разработчиками современных процессоров для повышения тактовой частоты, если она ограничена выделяемой мощностью, снижая емкость нагрузки КМОП ключа, пропорционально снижаем рассеиваемую им мощность. А при снижении напряжения питания в 2 раза рассеиваемая мощность снижается в 4 раза. Так напряжения питания ядра современных процессоров снизилось до 1,5 в, а емкость нагрузки разработчик снижает за счет снижения линейных размеров ключей, новых материалов с малыми диэлектрическими проницаемостями и новых все более тонких технологических процессов.

Дальнейшее снижение напряжения питания затруднительно по различным, в том числе и независящим от разработчиков причинам. А вот снижение технологических норм планируется вплоть до 32 нм. Все это приводит к снижению выделяемой процессором мощности, но желание разработчика использовать все возможности новых технологий подталкивает их к увеличению числа транзисторов. В результате, выполненный по 90 нм техпроцессу и имеющий 125 млн. транзисторов, процессор Pentium-4 с ядром Prescott (для примера, предыдущая версия Northwood – 55 млн.)  с тактовой частотой ядра 3,4 ГГц рассеивает до 103 Вт. ( Рост числа транзисторов в 2,2 раза, а уменьшение размеров в техпроцессе около 30%). Современные процессоры Pentium D 930, частота ядра 3.0 ГГц, техпроцесс 0,065 мкм, максимальное тепловыделение по данным http://balusc.xs4all.nl/srv/har-cpu-int-pd.php до 130 Вт, количество транзисторов 375 мл, площадь кристалла 280 мм². Снова рост числа транзисторов в 3 раза.

Дополнительная информация.

Ситуация с n-МОП структурами несколько отличается. Это связано с тем, что в такой структуре динамической нагрузкой является транзистор такой же структуры что и активный ключ. Мощность, потребляемая такой структурой, имеет постоянную составляющую, обусловленную протекающими сквозными токами при состоянии «0» (открытом нижнем плече инвертора). И общая потребляемая структурой мощность равна:

P = Pст + Pдин.

Динамическая составляющая определяется [Ф.1]  Pдин = f_пC_нЕ², а статическая:

Pст = 0,25 E b₀ (E – U₀)²

где:         b₀ – относительная крутизна транзистора Т0 определяется его геометрией и размерами, U₀ – пороговое напряжение транзистора остальные обозначения совпадают смотри выше.

Для упрощения, поскольку все физические процессы определяющие работу ячейки идентичны, можно рассматривать только процессы происходящие в КМОП структурах, не забывая о о статической составляющей мощности тепловыделения.

Сейчас статическая составляющая (в покое) процессора Pentium D 920 составляет около 39%.

Механизм генерации помехи и параметры определяющие ее напряжение и мощность

И если тепло, выделяемое процессором отвести не проблема вплоть до 100-150 Вт, то с ростом быстродействия и количества транзисторов, не смотря на снижаемые коммутируемые ими токи, все сильнее начинает проявлять себя генерируемые такими устройствами (процессорами, контроллерами-мостами, памятью) помехи. Они наблюдались автором даже на процессорах Celeron 500, установленным на плате Abit BE6-II через переходник, где цепи распределения питания имели несколько большую индуктивность чем обычные процессоров.

Импульсы тока Iн показанные на рис.2 создают на индуктивностях цепей, по которым они протекают, ЭДС самоиндукции имеющую амплитуду определяемую скоростью нарастания тока и индуктивностью цепи по которой он протекает. Зависимость прямо пропорциональная.

U = L di/dt 

 Это напряжение имеет широкий спектральный состав. Верхняя граница спектра генерируемых процессором помех определяется длительностью фронта импульса тока:

f _гр = 1/2p t_фр,

Для одиночных импульсов спектр непрерывный и содержит все частоты от f_гр до 0, а спектр повторяющихся импульсов содержит множество частот от частоты повторения до f_гр. Причем fгр, при 0,13 и 0,09 нм техпроцессах, приближается к тактовой частоте ядра процессора, а на более тонких техпроцессах превышает.

Если коротко - чем тоньше технологический процесс тем меньше время переключения и тем выше частота генерируемых помех.

Рассмотрим процессы, происходящие при зарядке – разрядке емкости нагрузки ключом с динамической нагрузкой. Генерируемая при этом мощность делится примерно поровну на мощность рассеиваемую при разрядке паразитных емкостей на канале ключа Т1 (Рис.5) и мощностью рассеиваемую при зарядке тех же емкостей от источника питания на канале ключа Т0 (Рис. 6).

Разрядные токи, циркулирующие по линиям распределения питания, в процессоре тоже генерируют помехи, но из-за малости индуктивности внутренних цепей процессора их величина меньше зарядных, но спектральный состав смещен в область более высоких частот. Они попадают на общую шину питания через внутренние емкости и индуктивные связи.

Зарядные токи имеют импульсный характер и протекают из источника питания по линиям распределения питания материнской платы, контактной панели, процессора (Рис.5). Они наводят на Lпар ЭДС самоиндукции, которая, суммируясь, создает на шине питания напряжение импульсной помехи – шумов. Причем, здесь не рассматриваются резонансные явления (хотя при определённых ситуациях они могут возникать).

Эквивалентная схема цепи зарядки Сн.

Здесь: Сф и Сн емкости фильтра питания процессора емкость нагрузки на выходе логического элемента (инвертора), Rк сопротивление открытого канала верхнего плеча инвертора, Lпар индуктивность цепей разводки питания. Временные характеристики этих токов в идеальном случае определяются только временами переключения ключа процессора, его форма описываются выражением: I = U / Rк e-t/t [Ф.3]

 

I ≈ U / Rк      [Ф.3]

Учитывая сложные алгоритмы обработки информации в процессоре (но в то же время циклический характер из-за синхронной работы множества узлов процессора) и его внутреннюю структуру можно сказать, частоты повторения имеют множество значений. Для элементов подключенных к линии распределения питания они являются помехами, а из-за непредсказуемости (случайности) их характеристик, их можно рассматривать как шумы.

Напряжение помехи приложено к шине распределения напряжения питания самостоятельного, по питанию, узла процессора (например, ядра), где и суммируется, образуя напряжение шумов.

Для множества независимых источников шумов, согласно правилу сложения мощностей, суммарная мощность помехи P_общ равна сумме мощностей Pi элементарных источников:

P_общ=P₁+P₂+..+P_n= ∑Pi.

Для множества независимых источников шумов суммирование напряжений и токов осуществляется по формуле [Л.3]:

U²_общ=U²₁+U²₂+..+U²_n

I²_общ = I²₁ + I²₂ + ...+I²_n

где: U₁,U₂,..,Un; I₁,I₂,..,I_n – напряжения и токи шумов источников с первого по n.

В случае двух связанных источников:

U²_общ=U²₁+U²₂+2gU₁U₂

I²_общ = I²₁ + I²₂ + 2γI₁·I₂

где:         U₁,U₂; I₁,I₂ –напряжение и ток 2х связанных источников шумов, g - коэффициент корреляции (характеризует связь 2х сигналов - 1 для жестко связанных, и 0 не связанных сигналов).

Отсюда видим, что сумма амплитуд шумов 2х связанных сигналов всегда выше, соответственно выше и напряжение помех при синхронной работе множества ключей.

Для упрощенной оценки суммарной амплитуды помехи, принимаем следующие допущения:

• амплитуды помех генерируемых ключами приняты равными;
•  их величина принимается равной средней из диапазона.

Для помех имеющих коэффициент корреляции равный 1, напряжение помех имеет величину:

U_общ = 2U_n для 2х источников 

 U_общ = n U1; 

I_общ = n I₁ для n источников.

А при коэффициенте корреляции равном нулю:

U_общ = n^1/2  U₁;  

I_общ = n^1/2  I₁

Т.е. разброс суммарной амплитуды напряжений от nU_n (для коррелированных шумов) до (nU²₁)^1/n (для некоррелированных шумов), а токов от nI_n до (nI²₁)^1/n соответственно.

nU_n > U_сум > (nU²₁)^1/n

Коэффициент корреляции g³0,5 для процессора, где все узлы работают синхронно, а степень синхронности зависит и от алгоритма обработки и обмена информацией заложенного в программном обеспечении, и от организации внутренней структуры самого процессора.

Но в любом случае уровень шумов пропорционален количеству ключей подключенных к шине распределения питания узла процессора.

Поскольку индуктивности линий распределения питания уже приблизились к конструктивному минимуму, а с уменьшением емкости нагрузки элементарного ключа растет di/dt напряжение помехи растет пропорционально числу транзисторов на кристалле. Оно, при определённых условиях, может достигать порога помехоустойчивости и привести к сбоям процессора. Можно сказать так же, что, не смотря на то что, величина суммарной помехи растет пропорционально корню квадратному из числа работающих ключей, прогнозируемое Intel увеличение числа транзисторов до 400 миллионов на процессор сделает проблему шумов более ощутимой и переведет её в категорию основных.

А мощность генерируемых помех одиночного ключа равна:

P_пом = f_п · L · I²_общ

Мощность генерируемой процессором помехи не может быть равна нулю, поскольку, в свою очередь, индуктивность линий распределения питания не может быть равна нулю. Она может быть конструктивно минимизирована, но при fп³3х10⁹ Гц даже минимизированная индуктивность менее 0,1 nH (Xeon на однопроцессорной системной плате), а принимая суммарный ток ВЧ составляющих помехи за 0,1 -0,3 потребляемого тока равного 90А, мощность помехи Pпом>24Вт.

А учитывая первую формулу P_пом=f_пC_нЕ²=Pi и правило суммирования мощностей, суммарная мощность P_пом равна сумме мощностей помех P_i от элементарных ключей, число которых пропорционально числу транзисторов n:

P_пом ≤ 0,25 P_потр ≤ 0,25 · ∑ P_i  ≈ 0,25 · n ∙ P_i ≈ 0,25 · n · f_п · C_i · E²,

Следовательно, мощность генерируемой помехи, кроме сказанного выше, пропорциональна числу транзисторов, для данной технологической нормы.

Максимальная мощность помех генерируемых процессором в худшем случае может достигать 25 процентов потребляемой процессором мощности (Pпот_п), реально, когда приняты меры для снижения индуктивности линий распределения питания, она составляет 10-15 процентов. Но при Pпот_п современных процессоров 95 - 130 Вт мощность помехи может доходить до 23 - 32 Вт, реально 12 - 16 Вт. Она переходит в тепло, излучение и растекается по цепям питания системной платы.

Мне говорят "так где эта мощность? почему мы ее не видим и не чувствуем? Ведь это при таких частотах и мощностях у нас начнут вылезать волосы!".

Общеизвестен повышенный уровень электромагнитного излучения ПК. Он известен как специалистам по промсанитарии, так и специалистам по защите информации. И если защитой человека занимаются только международные организации по стандартам, да и уровень учитывается уже приводящий к видимым последствиям, то специалисты по защите информации в России успешно борются с электромагнитным излучением, выпуская специальные модели ПК (см. в разделе "Борьба с помехами").

Теперь конкретный ответ на вопрос.

Мощность помех генерируемых процессором распределены во всем диапазоне ее частот, группируясь в районе тактовых частот узлов процессора.

Причем спектральный состав помехи зависит и от алгоритмов работы программного обеспечения и поэтому меняется в процессе работы.

Поэтому на каждый мегагерц спектрального диапазона приходится несколько милливатт мощности. Хотя возможны моменты, когда эта мощность кратковременно может повышаться в десятки раз.

Именно поэтому волосы и не вылезают!

Но дополнительное ТЕПЛО выделяется, и не много - ни мало, а до нескольких десятков ватт (25-50% от P_проц), особенно при разгоне!

А.Сорокин

2000-2002 год.

От сухих формул к практике. К чему приводят помехи?

Смотри далее *****

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору почтой.

 Copyright © Sorokin A.D.