Artikel top billede

(Foto: Computerworld)

Frosne chips er verdens hurtigste

Tyske computerteknikere har tvunget en mikroprocessor op på svimlende 798 GHz. Dermed har de slået den tidligere hastighedsrekord for en silicium-germanium chip med næsten 200 GHz.

Af Palle Vibe, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Fremtrædende computerteknikere fra forskningsinstituttet IHP for High Performance Microelectronics i Tyskland har presset en mikroprocessor til det yderste og dermed slået alle hidtidige hastigheder. Med rekordforsøget har forskerne demonstreret, at den øvre grænse for SiGe-processorer endnu ikke er nået, og at den magiske 1 terahertz-grænse (1.000 milliarder cyklusser i sekundet) måske snart vil være inden for rækkevidde.

Men for at opnå denne kolossale clock-frekvens på knap 800 GHz (800 milliarder cyklusser per sekund) måtte forskerne først fryse kredsløbet ned til minus 268,65 grader celcius eller 4,5 grader kelvin ved brug af flydende nitrogen. Den temperatur er tæt på det absolutte nulpunkt, som ligger på minus 273,15 grader celcius.

Forsøget som sådan har naturligvis mere akademisk end praktisk betydning, da det vil være højst besværligt og kostbart at holde en arbejdende cpu nedkølet til sådanne grader. Men forsøget demonstrerer med al ønskelig tydelighed, at kolde chips fungerer hurtigere end varme. Og hvorfor gør de nu det?

Ohm byder på modstand

Forklaringen er i al korthed, at materialerne i en chip er underlagt Ohms lov. Det er en såkaldt empirisk lov opkaldt efter den tyske fysiker Georg Simon Ohm (1789-1854), der beskriver sammenhængen mellem elektrisk strøm (I), elektrisk spænding (U) og elektrisk modstand (R) for blandt andet metaller og halvledere.

Da sammenhængen ikke gælder generelt, er betegnelsen lov måske lidt misvisende, men skrevet på formel siger Ohm, at U = R x I, hvoraf følger, at jo højere temperatur, jo højere modstand møder elektronernes bevægelighed gennem kanaler og metalbaner i en computerchip og andre elektroniske komponenter.

Teoretisk vil selv den mindste temperaturstigning gøre en elektronisk komponent langsommere, og varmeudvikling i elektroniske kredsløb er ikke til at komme uden om. Hver gang en transistor skifter tilstand, afgiver den nemlig en smule elektricitet, der afsættes i form af varme. Jo hurtigere chippen arbejder, jo mere varme vil den også afsætte. Jo højere clock-frekvens en chip arbejder med, jo mere varme vil den også producere, og hvis ventilationen og kølingen ikke kan følge med, brænder cpu-kredsen af.

Men omvendt hører det også med, at jo lavere den omgivende temperatur er, jo mere varmeenergi kan ventilationen klare at skaffe computeren af med, og jo mere strøm kan tilføres (og dermed opnå øget arbejdshastighed), uden risiko for sammenbrænding.

I øvrigt har en del moderne kredse (blandt andet fra Intel) indbygget sikringsrutiner, som gør, at de automatisk skruer ned for hastigheden, hvis den omgivende temperatur stiger.

Arbejde under optimale forhold

Nedkølede chips arbejder derfor alt andet lige bedre og hurtigere, mens chips, der får lov at køre varme, måske fordi computerens køleventilator er defekt, simpelthen vil brænde sammen, og det vil ofte gå hurtigere, end du tror. Så længe temperaturen for en arbejdende cpu-chip er under 45 grader, er der dog kun minimal risiko for overophedning.

I praksis er indvirkningen dog ikke helt så dramatisk og mærkbar. En stigning på nogle grader vil kun gøre din computer få brøkdele langsommere, og det kan du nok leve med.
Der er dog andre faktorer end den omgivende temperatur, der er afgørende for, hvor hurtigt en computerchip kan arbejde.

Når du køber en processor, er kredsens maksimale hastighed angivet på den. Den maksimale hastighed er i dette tilfælde den hastighed, hvormed chippen vil arbejde fejlfrit ved anbefalet arbejdstemperatur. Men der er to forhold, der bestemmer den optimale hastighed.

Det ene er den fysiske beskaffenhed af de ultratynde metalledere, der forbinder de enkelte transistorkomponenter i chippen. Jo finere, længere og tyndere de er, jo større modstand vil de yde, og jo mere begrænset vil arbejdshastigheden alt andet lige også være.

Tiden, som en transistor er om at tænde og slukke for en elektronisk strøm, har også en betydning. For selv om denne tid næsten er umålelig for den enkelte transistor, kan der i lange kæder af transistorer opbygges en stigende og efterhånden mærkbar tidsforsinkelse, der i sidste ende begrænser chippens totale arbejdshastighed.

Baby, its cold inside

Kulde kan også være et problem. Hvis du har efterladt din computer i et koldt rum, kan cpu’en og andre komponenter faktisk godt blive skadet, når du tænder den igen. Sagen er nemlig, at strømmen udvikler varme i computeren, og varme får alle materialer til at udvide sig. Men forskellige materialer udvider sig med forskellig hastighed, og dermed sker varmeudvidelsen sjældent i samme takt.

Derfor kan der ske skader og brud, når materialerne udvider sig fra koldere tilstand end sædvanligt og skubber til hinanden. Vent derfor med at tænde en computer, der har været ude i kulden, til den har fået varmen, det vil sige stuetemperatur. Bærbare computere med LCD-display er ikke mindst udsatte, fordi de flydende krystaller i displayet kan fryse i meget kolde omgivelser, og de vil ikke have godt af pludselig opvarmning.

Konstruktøren Seymour Cray, kendt for sine store supercomputere, kæmpede med køleproblemet. I forsøg på at reducere varmeudviklingen støbte han kølekanaler, der blev gennemstrømmet af kølevæske, ind i selve cpu-grupperne og forsynede dem med enorme køleplader, hvis han da ikke gik så langt som til at sænke hele computeren i kølevæske.

Desuden tilføjede han som ekstra sikkerhed en kontrol, der sørgede for, at computeren ikke kunne starte, hvis kølesystemet ikke virkede 100 procent korrekt. Han glemte bare, at denne kontrol naturligvis skulle gå begge veje, så han modtog på et tidspunkt en klage fra en kunde, der en morgen havde fundet sin supercomputer frosset ind i is. Problemer i strømforsyningen havde bevirket, at ganske vist var selve computeren blevet planmæssigt lukket ned, mens kølesystemet var efterladt for fulde omdrejninger.

Den ideelle omgivende temperatur for en arbejdende skrivebordscomputer er omkring 20-25 grader celsius og allerhelst stuetemperatur på omkring 22 grader. Ydergrænserne er 15-32 grader celsius. Og 40 er normalt grænsen for, at leverandøren kan stå inde for ydelse og pålidelighed. Bærbare skal helst arbejde i omgivende temperaturer på mellem 10 og 35 grader. Hvis omgivelserne er for varme, reduceres ventilatorens effektivitet, og hvis omgivelserne er for kolde, kan der opstå kondens inde i computeren, og fugtighed kan ødelægge alle elektriske komponenter.

Det samme gælder luftfugtighed eller tørhed, der begge kan forstærke indvirkningen af overdrevne temperaturer på computerens komponenter. Tør luft kan eksempelvis skabe statisk elektricitet, mens fugtig luft kan frembringe kondens, der kan kortslutte de indre kredsløb.

Hønen eller ægget

Optimal processorydelse er altså en balance mellem selve cpu’ens konstruktion, dens arbejdstemperatur og køling. På den anden side viste IHP-forskernes forsøg også, at det ene forhold måske ikke nødvendigvis i dag er vigtigere end det andet.

Den transistor-kreds, forskerne brugte til forsøget, var nemlig ret konservativt bygget som en heterojunction bipolar transistor (HBT) af silicium-germanium (SiGe) indlejret i en almindelig silicium-transistor ved hjælp af IHP-instituttets særlige 130-nanometer BiCMOS-teknologi, der har økonomiske fordele frem for de traditionelt anvendte CMOS-fremstillingsmetoder.

Det viser, at det i dag er muligt at konstruere chips, der kan arbejde umådelig hurtigt, uden at de behøver at være specielt fremstillet og kostbare, og at chipproducenter dermed ikke nødvendigvis lige foreløbig er tvunget til at skulle investere milliarder i udvikling af nye materialer og nye fremstillingsmåder for at fremstille hurtigere og hurtigere chips.

Forsøget understregede dog også med al ønskelig tydelighed, at den imponerende processorhastighed på 800 GHz alene kunne tilvejebringes ved ekstrem lav temperatur, hvilket viser, at kolde chips kan opnå større arbejdshastighed end varme.

Da forskergruppen til sammenligning testede hastigheden på samme transistor ved stuetemperatur, kunne arbejdshastigheden ikke presses længere op end 416 GHz. Men det er jo heller ikke så dårligt, og det åbner ifølge forskerne mulighed for, at det måske snart vil blive muligt at bygge chips, der kan arbejde med ultrahastigheder selv ved stuetemperatur.

Til sammenligning kører de hurtigste konsumprocessorer fra Intel og AMD i dag med hastigheder på i omegnen af fire gigahertz. Så måske vil temperaturen ikke betyde så meget for en processors arbejdshastighed og øvrige ydelse i morgen, som den gør i dag.