Süreç teknolojisindeki ilerlemeler temel olarak dijital sinyal işleme alanını yeniden şekillendirdi. Son iki yılda, transistörlerin sürekli miniaturizasyonu, dijital Signal Processors (DSPs)'ı, DSP çekirdeklerini aynı anda azalttığında, güç tüketimini azaltan yeni uygulama alanlarının - gerçek zamanlı 5G ana bant işleme ve kenar AI'nın yüksek sadakatli ses ve otonom sensör füzyona nasıl proses teknolojisini ölçeklendirdiğini anlamayı sağladı.

Süreç Teknolojisinin Temelleri

Süreç teknolojisi ölçeklendirme, transistör boyutlarının sistematik azaltılmasına işaret eder – uzun, oksit kalınlığı ve interconnect-bölgedeki her yeni düğümün, Moore Yasası tarafından açıklanan bir trend, bu ölçekleme 1970'lerde birkaç mikrometreden 3 nm'ye kadar ilerledi.

Ölçeklemenin ardındaki fiziksel ilkeler, mevcut ve eşkülüm sınırlamaları nedeniyle, 0.7 faktörlü boyutların daraltılması ve aynı zamanda orantılı olarak, güç yoğunluğundan vazgeçilmesi ve sürekli olarak azaltılmasının ardından, Dennard ölçeklendirmesi 90 nm node'nin etrafındaki kesintiye uğraması nedeniyle kesintiye uğraması gerektiğini tahmin ediyor. Bununla birlikte, daha küçük transistör geçiş hızının faydaları - daha düşük kapasitelidir ve per-transistor dinamik gücü azaltın - modern DSP'lerde performans iyileştirmeleri için.

Anahtar Parametreleri

Üç birincil parametre, DSP tasarımı üzerinde ölçeklendirme etkisini tanımlar:

  • [FONT:0)Gate gecikme[[Dönemli: 1) Küçük kapılar daha hızlı geçer, daha yüksek saat frekanslarına izin verir.
  • [FONT:0] Bağlantı gecikmesi[[Dönemli kablolar RC gecikmelerini azaltır, ancak daha dar teller direnci arttırır, bakır bağlantı ve düşük-k dielektriklerle ele geçirilen bir ticaret-off yaratır.
  • [FONT:0]Leakage akımı[[[DÜT:1) - oksit kalınlığı küçülüyor, kapı sızıntısı ve altmış sızıntıları, statik güç tüketimine karşı bir meydan okuma ortaya çıkıyor.

Bu parametreleri anlamak önemlidir, çünkü DSP mimarlıkları özellikle zaman zaman marjları ve hafıza erişim desenleri için hassastır. Süreçte bir değişiklik boru hattı derinliği, çok basit boyut ve hafıza arayüzü genişliği arasında en iyi dengeyi değiştirebilir.

DSP Processor Performansı Üzerine Scaling Etkisi

DSP işlemciler, üç bağlantı ile performanslarını artırmak için uzmanlaşmışdır: yüksek saat frekansı, daha büyük bir ortak hafıza ve kayıt dosyaları için daha büyük ve daha geniş SIMD (Tek Öğretim Birden Çok Veri) veripaths için destek.

Saat Frekansı ve Timing Margins

Dayanıklı kapı gecikmeleri DSP çekirdeğinin, yüksek frekanslarda gerilim olmadan çalışmasını sağlar. Örneğin, 28 nm node üzerinde tasarlanan DSP, aynı mimari ported to 7 nm sinyal işleme kodunu aşabilirken, özellikle de hesap açma işlemi için ham kesintiye uğratabilir.

Transistor Yoğunluğu ve Mimari Kompleksi

Yüksek transkript yoğunluğu mimarların daha fazla MAC birimlerini, daha geniş vektör şeritlerini entegre etmesini sağlar ve aynı ölüdeki özel hızlandırıcılar, kablosuz iletişimdeki 16-32 MAC birimlerini içerebilir.

Memory bandajı da tercih edilir. CRAM hücrelerinin daha büyük L1 ve L2 önbellekleri ve çizpad anılarının orantılı olarak artan bir alana kadar uzanır. Örneğin, 28 nm'den 7 nm'ye kadar üç boyutlu gömülü SRAM'ın yoğunluğuna izin verir, DSP'lerin daha büyük filtre katlarını veya ölçümlerini daha büyük bir ağırlık tablolarını daha yüksek oranda azaltır.

Öğretimi Geliştirmek

Daha fazla transistör mevcut, öğretim başlangıç mimarisi (ISA) karmaşık sayıda arithmetic, yuvarlaklama, saturasyon ve bit-reversal. Bu talimatlar, genellikle mikro kodlu devlet makineleri olarak uygulanan, kod yoğunluğundaki döngü sayısını azaltmaktadır.

Bir illüstrasyon örneği: 14 nm DSP, yaklaşık 1.2 GHz'de 256 puanlık FFT'yi yönetebilir; aynı algoritma, aynı çekirdekin 7 nm versiyonunda aynı çekirdekin 0.6 μs'de çalışır - 2× bir gelişme.

Güç Verimliliği Üzerine Etkisi

Power verimliliği – GOPS/W'de sigortalandı (kuvvet başına çalışır) – batarya destekli ve termal olarak kısıtlanmış DSP uygulamaları için en kritik ölçüm. Süreç ölçeklendirmesi tarihsel olarak gelişmiş verimlilike sahiptir, ancak mekanizmalar basit gerilim azaltımından daha fazla nuanced.

Dinamik Güç Azaltımı

Dinamik güç, geçiş başına 44% azalmaya göre orantılıdır. Net etki her transistör ve interconnectasyonun kapasitesidir ve ayrıca daha düşük işletim gerilimleri sağlar. 1.0 V'dan 28 nm'den 0.75 V'ye kadar, dinamik bir güçte %44'e kadar %6'ya kadar azalır. Net etki, MAC öğretiminde bile anlamlı olarak azalır - 40 nm'den 1 pJ'den 40 nm'ye kadar, bir MAC için 7 nm'ye kadar.

Statik Güç ve Leakage Challenges

Statik güç, altmış sızıntı tarafından hükmedilir, üst üste şarj edilebilir bir şekilde büyür. 28 nm altında düğümler, sızıntı kontrolde tutmak için 30-50% toplam çip gücü hesap verebilir. DSPs, çoğu zaman görevde çalıştırılır veya patlama modları, daha iyi bir elektro kontrol ve daha düşük sızıntı sağlar.

Bu önlemlere rağmen, statik güç IP-block seviyesinde her zaman önemli bir endişe kalır, ancak aktif veripathinin dinamik gücü tüketmektedir.

Gerçek Dünya DSP İş Yükleri için Verimlilik Ölçümleri

Güç verimliliği iyileştirmeleri, DSP'leri nesiller boyunca karşılaştırarak en iyi şekilde ortaya çıkmaktadır.Soru-opted DSP çekirdekleri hakkında bir çalışma:

  • [FONT=0)28 nm – ~50 GOPS / W in 1.0 V, 1.2 GHz
  • [FONT=0)16 nm FinFET[[Dönem: 1 ) – ~120 GOPS / W 0.85 V, 1.5 GHz
  • [FONT=0)7 nm FinFET[[Dönem: 1 ) – ~ 300 GOPS /W 0.75 V, 2.4 GHz

Bu rakamlar 8-16 MAC birimleri ve 256 KB yerel hafıza ile tipik bir DSP boru hattını varsayıyor. 28 nm'den 7 nm'ye kadar 6× gelişme, daha önce güç bütçeleri nedeniyle yeni kullanım vakalarını uygulamaktadır.

Ticaret ve Gelişen Meydanlar

Ölçeklemenin yararları açık olsa da, gelişmiş düğümlerin yolu giderek karmaşık ve maliyetle doludur. Bu ticaret-offs güç DSP tasarımcıları zor mimari kararlar almak için.

Üretim Maliyeti ve Ambalaj

Azaltma maliyeti, gelişmiş lithografi (extreme ultraviyole veya EUV) nedeniyle her bir düğümde keskin bir şekilde yükselir ve daha düşük bir endüstriyel veya havacılık uygulamaları için, yeni düğümler için en düşük maliyetlidir.

Güvenilirlik ve Variability

Transistör boyutları atom ölçeklerine yaklaşırken, süreç varyasyonları –random dopant dalgalanmaları, çizgi kenar kabalığı ve eşleme gerilimleri daha belirgindir.Bu değişkenlik, kritik DSP arithmetic yollarında zaman zaman zaman zamanlamasına neden olabilir, özellikle yüksek çözünürlükte yüz yüzen yüzeyler için.

Heat Dissipation and Thermal Influence

Kalıcı bir FFT iş yükü 100 W /cm2'yi bile azaltabiliyor, bu termal kısıtlama genellikle karmaşık dinamik termal yönetime (DTM) politikalara kadar güçlendiriciler sağlar.Veri merkez hızlandırıcıları için DSP'ler için, sıvı soğutma ve gelişmiş ısı yayıcıları gerekli hale gelir.

[[DÜDÜ:0) “ Dennard ölçeklendirmenin sonu, mimari inovasyona ve uzmanlıka yönelik saf frekans ölçeklendirmeye odaklanmayı değiştirdi. DSPs, normal veripaths ve öngörülebilir hafıza erişim kalıplarıyla, gelişmiş düğümlerin sağladığı transistör yoğunluktan yararlandı - ancak sadece tasarımcılar dikkatle kontrol ederlerselerdi. ”-

Future: Beyond Conventional Scaling

Moore Yasası yavaşladığı gibi, yarı iletken endüstri sadece geometrik küçülmelere güvenmeksizin DSP performans ve verimliliğini geliştirmeye devam etmek için birkaç tane avenu keşfediyor.

3D İntegra ve Heterojen Ambalaj

Üç boyutlu ölü yığınlama, doğrudan DSP mantığının üstüne hafızayı yükselterek, radar ve kapak işleme için kritik bir şekilde azaltılabilir. Örneğin, birkaç mikronla entegre edilmiş bir DSP çiple entegre edilmiş, daha kısa yollar ve daha düşük kapasiteli bir yığınlama, potansiyel olarak güç verimliliğini artırmak için 30-50% - 2D uygulamalarla kıyasla.

Heterojen entegrasyon ayrıca, DSP çekirdeklerini gelişmiş bir mantık üzerinde inşa etmeye de izin verir (örneğin, 5 nm) daha ucuz, eski node (örneğin 28 nm). Bu yaklaşım dijital performansı ödün vermeden maliyeti optimize eder.

Yeni Kanal Malzemeleri ve Transistor Mimarlık

FinFETs 16 nm'yi 3 nm aralığında yönetti, ancak bir sonraki adım - tüm-tüm-tüm-ortak (GAA) nano tablo transistörleri - daha iyi estatik kontrol ve daha düşük sızıntı için Samsung'un 3 nm GAA süreci, FinFET ile kıyasla aynı performansta% 30 güç azaltımı gösterdi.

Silikon ötesinde, araştırmacılar, molybdenum disulfide (MoS2) ve karbon nanotüpleri (CNTs) gibi 2D materyali araştırıyorlar, bu malzemeler hala deneysel olarak, bu tür bir şekilde düşük maliyetli olarak DSP'lerin alt-0.5 V'de çalışmasını sağlar.

DomainSpecific Architectures

Bu hızlandırıcılar, CFT, matrix multiplikasyon veya sinir ağı gibi görevler için özel bir FFT, sayısal ağ oluşturma gibi birçok satıcının daha fazla ölçeklendirmesi sağlar, çünkü 7 nm node üzerinde uzmanlaşmış bir FFT hızlandırıcısı oluşturmak için aynı algoritmayı çalıştırın.

Ultra-Low-Voltage Operasyon Operasyon Operasyon

Yakın zamanda, mantık sadece transistör eşik (0.4-0.6 V) üzerindeki gerilimlerde çalışırken, düşük gerilimlere göre 5-10 × enerji azaltılabilir.DVFS performansı önemli ölçüde azalırken, bu sistem, yüksek performanslı ve ultra-düşük-güç modları arasındaki her zaman mükemmel bir şekilde değişebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Süreç teknolojisi, DSP işlemci performansını ve güç verimliliğini geliştirmek için güçlü bir motor olarak kalır, ancak ilişki taşınabilir tıbbi ultrasonlara daha karmaşık hale getirir. 28 nm'den 3 nm'ye kadar, her yeni düğüm, geometriye daha yüksek bir saat frekansına, yoğun bir enerji sağlar - DSP'lerin gerçek zamanlı 5Gerekli sistemlere geçiş yapmasına izin verir.

[FONT=0]Dlement bağlantıları: [DFLT:2))[FONT=FONT=FONT=FONT=I)[FONT=[FONT=)[FONT=[FONT=))[FONT=[FONT=I))))[FONT=[FONT=I][/FONT=I=I=I=))))))[Üye Olmayanlar (İngilizce)