terahertsin transistori

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

IBM tekaisi transistorien nopeusennätyksen, 350 GHz huoneenlämmössä ja 500 GHz noin 4,5 kelvinissä.

Uhoavat pystyvänsä käytetyillä tekniikoilla 1000 GHz:n nopeuteen. Siinä ajassa valo kulkee kaiketi 0,3 milliä. Ei liene järin suuri prosessori tiedossa, elleivät sitten käytä hiukkaspareja tiedonvälitykseen piirin laidalta toiselle?

Sivut

Kommentit (23)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26912
Liittynyt16.3.2005
Puolihullu
IBM tekaisi transistorien nopeusennätyksen, 350 GHz huoneenlämmössä ja 500 GHz noin 4,5 kelvinissä.

Uhoavat pystyvänsä käytetyillä tekniikoilla 1000 GHz:n nopeuteen. Siinä ajassa valo kulkee kaiketi 0,3 milliä. Ei liene järin suuri prosessori tiedossa, elleivät sitten käytä hiukkaspareja tiedonvälitykseen piirin laidalta toiselle?

Miten lienevät integroitavissa tuollaiset, arvatenkin jotkin yhdistepuolijohdeheteroliitosvempeleet, ylipäätään? Perinteisestihän se on ollut noilla materiaaleilla hieman heikkoa. Enemmän tuollaisille löytynee sovelluksia radiotekniikan puolelta.

Eivät mitkään hiukkasparit auta tiedonvälityksessä. Tuollainen prosessori pitäisi tehdä niin, että viiveet otetaan huomioon. Sinänsä 0,2 milliä on prosessorilla iso alue. Siihen saa tungettua jo jos jonkinlaista toimintoa. Tietojen siirto muistin ja prosessorin osien välillä olisi kyllä enemmän kuin ongelmallista, jos muistinosoituksia joudutaan odottamaan satoja kellojaksoja.

Vierailija

Tommosilla taajuuksilla induktanssi ja kapasitanssi vaikuttaa nii paljo että prosessoria ei ehkä oo mahollista tehä.

Vierailija
borri317
Tommosilla taajuuksilla induktanssi ja kapasitanssi vaikuttaa nii paljo että prosessoria ei ehkä oo mahollista tehä.

Saanko muistuttaa, että ei se taajuus sinänsä ole aina ongelma, vaan nimenomaan pulssin reunan nousu- ja laskuajat. Esim. 1Hz kanttiaallon tarkkaan tutkimiseen voi tarvita todella nopean ja suorituskykyisen oskilloskoopin.

Totta on sekin, että 350-500 GHz taajuudet ovat huimaa vauhtia. Vaikka yksittäinen transistori toimisikin noin nopeasti, mihin sitä voi soveltaa? Prosessorit tuskin tulevat toimimaan noin nopeasti, koska nykyisilläkin taajuuksilla tulee liikaa lämmöntuottoa ja prossu vie tehoa vuotovirtoina jopa enemmän, kuin varsinaisiin toimintoihin tarvittaisiin. Tietokoneisiin on tulossa niitä tuplaydinprosessoreita, koska taajuuden kasvattamiselle alkaa tulla rajat vastaan.

Vierailija
tavu
kyllä ne tod. näk. taas keksii jotain jolla nuokin ongelmat jollain tavalla kierretään. Niin kuin tähänkin asti.

Tai sitten tuommoinen

http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=179101800...

Jep, nuo asynkroniset piirit ovat tekemässä tuloaan. Todella suuria etuja synkronisiin piireihin esim. tehon kulutuksessa.

Olisi kyllä mielenkiintoista tietää miten tuollaiset piirit toimivat? kun ytimet eri osat saattavat olla eri kellotaajuuksilla ja vaihtaa taajuuttaan tarpeen mukaan, puskureilla tms?

Volitans
Seuraa 
Viestejä10670
Liittynyt16.3.2005

No ainakin tiedonsiirtotekniikassa tuollaisesta on apua. Nopea signaalinkäsittely mahdollistaa virheenkorjauksen.

Näytönohjamissakin nopeudesta on 3D-sovelluksissa apua.

Kyllä nopeudelle aina käyttöä keksitään. Ongelma onkin juurikin tuo alati kasva lämmöntuotto.

Vierailija

Täytyy muistaa, että jo nyt prosessorin sisällä on osia, jotka toimivat korkeammalla kellotaajuudella kuin prosessori toimii ulospäin. Näillä hoidetaan mm. Intelin prosessoreissa käskyjonon ennustuksen käsittelyä

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26912
Liittynyt16.3.2005
jussipaita

Saanko muistuttaa, että ei se taajuus sinänsä ole aina ongelma, vaan nimenomaan pulssin reunan nousu- ja laskuajat. Esim. 1Hz kanttiaallon tarkkaan tutkimiseen voi tarvita todella nopean ja suorituskykyisen oskilloskoopin.



Korkealla taajuudella toimivat digitaalipiirit ovat jo nyt lähestyneet analogiaelektroniikkaa. Muutamalla gigahertsilläkin nousut ja laskut ovat pitkiä verrattuna kellotaajuuteen.

Tuollaisessa testissä on todennäköisesti mitattu transistorin vahvistusta sinimuotoisella signaalilla. Yleensä testi taitaa vielä olla sellainen, jossa rajataajuus määritellään siihen kun vahvistus on yksi. Toisin sanoen se riittää ettei vahvistinaste vaimenna signaalia. Käytännön sovelluksiin taajuutta saa tiputtaa ainakin puolella kertaluokalla, usein enemmänkin. No, satakin GHz on hirvittävä taajuus.


Totta on sekin, että 350-500 GHz taajuudet ovat huimaa vauhtia. Vaikka yksittäinen transistori toimisikin noin nopeasti, mihin sitä voi soveltaa?



Radiolähettimiin ja vastaanottimiin. Satojen gigahertsien taajuudet sopivat monenlaisiin hyvin lyhyen matkan radiolinkkeihin. Tuollaiset taajuudet vaativat käytännössä näköyhteyden antennien välille, joten häiriöt eivät leviä laajalle alueelle.


Prosessorit tuskin tulevat toimimaan noin nopeasti, koska nykyisilläkin taajuuksilla tulee liikaa lämmöntuottoa ja prossu vie tehoa vuotovirtoina jopa enemmän, kuin varsinaisiin toimintoihin tarvittaisiin. Tietokoneisiin on tulossa niitä tuplaydinprosessoreita, koska taajuuden kasvattamiselle alkaa tulla rajat vastaan.

Yksittäisistä transistoreista on pitkä matka prosessoreihin. Mikäli ne ovat yhdistepuolijohdetta, kuten uskon (eräillä yhdistepuolijohteilla on helpompi savuttaa äärimmäisiä nopeuksia kuin piillä), ne eivät ole nykyteknologialla tiheästi integroitavissa. Pii on siinä suhteessa ylivoimainen materiaali. Yhdisteiltä puuttuu hyvälaatuinen oksidi, jota tarvitaan piirien valmistuksessa. Lisäksi niiden lämmönjohtavuus on huonompi kuin piin. Aikanaan GaAs:n integrointia tutkittiin isolla rahalla, koska siitä on mahdollista valmistaa nopeampia transistoreja, mutta tekniset vaikeudet olivat ylitsepääsemättömiä ja pii säilytti ylivoimansa prosessoritekniikassa.

Vaikka tuollaisia taajuuksia saataisin piitransistoreilla, lämpöongelma olisi tuollaisilla täysin sietämätön. Nytkin lämmön kanssa ollaan jo helisemässä, ja satakertaisella taajuudella nykyisellä integrointitiheydellä lämpöä tulisi pinta-alaa kohti satakertaisesti. Johtumalla tuollaisista lämpömääristä ei pääse eroon. Joskus luin isoista tyristoreista, joissa oli (käsittääkseni?) jäähdytysnestekanavia puolijohteessa. Sitä en sitten tiedä olisiko nestejäähdytys periaatteessa sovellettavissa prosessoreihinkin. Voisihan sitä laittaa sopivan nesteen virtaamaan ainakin prosessorin päältä ja miksei myös alta tai substraatin sisällä.

Vierailija

Minun prosessorini on jäähtynyt nesteellä jo viisi vuotta. Ei siinä ole mitään ongelmaa. Kapasiteettia löytyisi periaatteessa monen sadan watin lämpökuormalle.

Eikä se taajuuskaan sinänsä tee lämpöä, vaan ns. duty cycle, josta muodostuu keskiteho. Jos pulssisuhde on 50% niin eipä se kulkevan virran määrä muutu miksikään vaikka taajuutta kelataan ylös ja alas.

Käytännön lämpöongelmat johtuvat siitä, että prosessorin transistoreita ei avata ja suljeta kokonaan, koska se veisi liikaa aikaa. Näinollen ne vuotavat jatkuvasti virtaa ja lämpenevät.

Kun transistori avataan täysin, se ei periaatteessa lämpene, sillä sen vastus on hyvin lähellä nollaa ja tehohäviö vastuksen yli on P = RI^2. Jos transistori toimisi ideaalisesti, se ei ikinä lämpenisi vaan tehohäviö tapahtuisi jossain muualla.

Jos lasketaan, että transistorin yli vaikuttaa vakiojännite, niinkuin se prosessorissa pitää ollakin, niin virta nousee sitä mukaan kun vastus pienenee. Esim.

2 V jännitteellä
2 ohm -> 1 A
1 ohm -> 2
0.1 ohm -> 20 A
0.01 ohm -> 200 A

Ja toisaalta hukkateho menee:

2 * 1^2 = 2 W
1 * 2^2 = 4 W
0.1 * 20^2 = 40 W
0.01 * 200^2 = 400 W
0.001 * 2000^2 = 4000 W

Jossain vaiheessa kuitenkin muu piiri alkaa rajoittamaan virtaa. Suurin mahdollinen virta voi olla esim. 20 A. Tällöin listan viimeiseksi vaihtoehdoksi muodostuukin:

0.001 * 20^2 = 0.4 W

Eli hukkateholle muodostuu käyrä, jonka huippukohta jää siihen missä transistori on juuri lopettamassa avautumistaan.

Mitä nopeammin transistoria yritetään käyttää, sitä lähempänä tuota hukkatehon maksimia se toimii, koska se ei ehdi koskaan aueta kokonaan, mutta ei myöskään koskaan sulkeutua kunnolla.

Taajuus ei kuitenkaan välttämättä vaikuta lineaarisesti hukkatehon määrään, joten ei voida vetää suoraa johtopäätöstä että lämpöteho satakertaistuisi nopeuden satakertaistuessa.

Vierailija

Tuosta lämpökuormasta tuli mieleen käyttää lämpöä osoittamaan sähköisen piirin kunto. Tietyllä piirikortilla komponentit luovuttavat tietyn määrän lämpöä joka voidaan mitata lämpökameralla, joka osoittaa ne väriskaalalla. Vian seurauksena lämmöntuotto muuttuu viallisen komponentin vuoksi ja sen voisi mitata em. tavalla. Kuvaa verrattaisiin normaaliisti toimivan piirin kuvaan. Olisiko asia näin yksinkertainen?
Tietysti kortti pitäisi saada kameran ulottuville.

Vierailija

Tuonkaltaisia menetelmiä käytetään, kun piirejä testataan suunnittelun ja tuotannon laadunvalvonnan yhteydessä. Vialliseksi epäiltyjä piirejä myös röntgenkuvataan ja skannataan elektronimikroskoopeilla.

Sinänsä infrapunasäteilyn spektri menee niin pitkille aalloille, että on hankalaa rakentaa kameraa joka kykenee näkemään mikroskooppisen pieniä yksityiskohtia. Ei yksinkertaisesti ole olemassa sellaisia linssejä, joissa infrapunavalo taittuisi halutulla tavalla, jotta menetelmä olisi käytännöllinen pienelektroniikan valvontaan.

Sitäpaitsi, kyseistä osaa jouduttaisiin valvomaan katsomalla sen jäähdytyselementin läpi, joka taas puolestaan vääristää kuvan mössöksi.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26912
Liittynyt16.3.2005
Veikko
Minun prosessorini on jäähtynyt nesteellä jo viisi vuotta. Ei siinä ole mitään ongelmaa. Kapasiteettia löytyisi periaatteessa monen sadan watin lämpökuormalle.



Prosessorisi aktiivisilta komponenteilta lämpö siirtyy johtumalla substraattiin (piialustakiteeseen, jonka pinnalle prosessorin toiminnalliset osat on valmistettu), siitä metallilevyyn, jolle substraatti on liimattu, siitä toisen rajapinnan kautta lämmönvaihtimen metalliosiin ja edelleen veteen. Vesijäähdytys varmasti pitää itsensä vakiolämpötilassa paljon suuremmallakin kuormalla, mutta lämpögradientti aktiivisista komponenteista lämmönvaihtimeen kasvaa ja prosesori palaa.

Kertaluokan tehonnosto vaatii sitä, että jäähdytysneste huuhtelee itse prosessorin piipalaa. Enkä tiedä riittääkö sekään mihinkään kertaluokkatehonnostoihin. Ei suora nestejäähdytyskään välttämättä mahdotonta ole, mutta hyvin kallista ja epäkäytännöllistä kuitenkin.


Eikä se taajuuskaan sinänsä tee lämpöä, vaan ns. duty cycle, josta muodostuu keskiteho. Jos pulssisuhde on 50% niin eipä se kulkevan virran määrä muutu miksikään vaikka taajuutta kelataan ylös ja alas.



Noin resistiivisellä kuormalla, mutta cmos-digitaalipiireissä kuormat ovat kapasitiivisia. Siinä tapauksessa energiaa kuluu tilanvaihtoihin. Staattisessa tilassa tehonkulutua on äärimmäisen pientä, mutta kun jonkin signaalin tilaa muutetaan, pitää ladata signaalitien kapasitanssi. Lataamiseen kuluu tietty jännitteestä riippuva energia. Suuremmalla taajuudella noita lataamisia tarvitaan aikayksikössä enemmän, jolloin vaadittava teho kasvaa. Käytännössä prosesorin kuluttama teho on melko lineaarisesti verrannollinen kellotaajuuteen.

Käyttöjännitteen pienentäminen pienentää tehohäviötä. Hintana menetetään nopeutta. Mosfet-transistorin johtavuus riippuu voimakkaasti hilajännitteestä. Pienemmällä jännitteellä transistori johtaa huonommin, ja signaliteiden kapasitanssit varautuvat hitaammin. Jostain löytyy kompromissi, joka tuottaa maksimaalisen laskentatehon.


Käytännön lämpöongelmat johtuvat siitä, että prosessorin transistoreita ei avata ja suljeta kokonaan, koska se veisi liikaa aikaa. Näinollen ne vuotavat jatkuvasti virtaa ja lämpenevät.



Tuokin voi olla suurilla kellotaajuuksilla ongelma. Silloin tilanvaihdot kestävät kauan suhteessa staattiseen tilaan. Tilaa vaihdettaessa cmos-piirin transistorit tosiaan johtavat virtaa suoraan käyttöjännitteestä maahan.


Kun transistori avataan täysin, se ei periaatteessa lämpene, sillä sen vastus on hyvin lähellä nollaa ja tehohäviö vastuksen yli on P = RI^2. Jos transistori toimisi ideaalisesti, se ei ikinä lämpenisi vaan tehohäviö tapahtuisi jossain muualla.



Mikropiirien ultrapienet transistorit ovat kaukana ideaalisesta. Ja vaikka ne olisivat ideaalisia, tehohäviö tapahtuisi prosessorin johdotuksissa ja lämmittäisi prosessoria.


Mitä nopeammin transistoria yritetään käyttää, sitä lähempänä tuota hukkatehon maksimia se toimii, koska se ei ehdi koskaan aueta kokonaan, mutta ei myöskään koskaan sulkeutua kunnolla.

Taajuus ei kuitenkaan välttämättä vaikuta lineaarisesti hukkatehon määrään, joten ei voida vetää suoraa johtopäätöstä että lämpöteho satakertaistuisi nopeuden satakertaistuessa.

Tuota suuruusluokkaa hukkatehon kasvu kuitenkin on. Tuo (suhteellisesti) hitaiden tilanmuutosten aiheuttama resisitiivinen tehohäviö vain lisää häviöitä. Käytännössä asiaan vaikuttaa monta muutakin tekijää. Nopeampi toiminta vaatii pienempiä transistoreja, tiheämpiä signaalijohtoja ja monta muuta asiaa, jotka vaikuttavat toisiinsa. Yleensä tilannetta huonontaen, kuten tuo miniatyrisointi, joka pakkaa tehontuoton aina vain pienemmälle alalle.

Vierailija
Neutroni
Veikko
Minun prosessorini on jäähtynyt nesteellä jo viisi vuotta. Ei siinä ole mitään ongelmaa. Kapasiteettia löytyisi periaatteessa monen sadan watin lämpökuormalle.



Prosessorisi aktiivisilta komponenteilta lämpö siirtyy johtumalla substraattiin (piialustakiteeseen, jonka pinnalle prosessorin toiminnalliset osat on valmistettu), siitä metallilevyyn, jolle substraatti on liimattu, siitä toisen rajapinnan kautta lämmönvaihtimen metalliosiin ja edelleen veteen. Vesijäähdytys varmasti pitää itsensä vakiolämpötilassa paljon suuremmallakin kuormalla, mutta lämpögradientti aktiivisista komponenteista lämmönvaihtimeen kasvaa ja prosesori palaa.

Kertaluokan tehonnosto vaatii sitä, että jäähdytysneste huuhtelee itse prosessorin piipalaa. Enkä tiedä riittääkö sekään mihinkään kertaluokkatehonnostoihin. Ei suora nestejäähdytyskään välttämättä mahdotonta ole, mutta hyvin kallista ja epäkäytännöllistä kuitenkin.

No siis.
http://plaza.fi/harrastukset/muropaketti/artikkelit/ylikellotus/pentium-...

Samaan tyyliin toteutettuja vesiblokki kyllä siirtää lämpöä melko tehokkaasti, eikä se mikään tuhottoman kallis ole.
http://www.coolputer.fi/kuva.asp?t=1550

En tiedä onko tässä nyt keskustella prosessoreista yleensäkin, mutta tietokoneissa se toimis tollee

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26912
Liittynyt16.3.2005
DominusEtDeus

No siis.
http://plaza.fi/harrastukset/muropaketti/artikkelit/ylikellotus/pentium-...

Samaan tyyliin toteutettuja vesiblokki kyllä siirtää lämpöä melko tehokkaasti, eikä se mikään tuhottoman kallis ole.
http://www.coolputer.fi/kuva.asp?t=1550

En tiedä onko tässä nyt keskustella prosessoreista yleensäkin, mutta tietokoneissa se toimis tollee

Kyllä minä tuollaisia virityksiä olen nähnyt (kuvissa, en luonnossa). Nuo toimivat juuri kuten sanoin. Lämpö johdetaan syntypaikaltaan useiden ainekerrosten ja rajapintojen läpi nesteeseen. Kyllä se toimii nykyisillä tehoilla, mutta yritäpä vääntää prosessorin asetukset sellaisiksi että se tuottaa kymmenkertaisen hukkatehon, niin tuskin toimintasavu montaa millisekuntia pysyy sisällä.

Tässä puhuttiin 500 GHz:n transistorien soveltuvuudesta prosessoreihin. Se merkitsee käytännössä yli 100 GHz:n kellotaajuutta. 100 GHz:n prosesorin jäähdytys on täysin eri asia kun viiden Ghz:n prosessorin virittäminen typpikikkailuilla kuuteen GHz:iin.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat