Af Mads Ølholm, 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.
Intels grundlægger Gordon Moore forudsagde for mere end 40 år siden, at effektforbruget for integrerede kredsløb ville blive ved med at falde. Dette er stadig tilfældet, og nu kommer der tilmed helt nye teknologier på markedet, både fra chipgiganten Intel og fra et meget mindre firma, der har udviklet en meget avanceret transis-tor.
Intel går i højden
For at kunne sænke effektforbruget gælder det om, at transistorerne skal være så effektive som muligt, da det er dem, der bruger det mes-te af effekten i et integreret kredsløb.
Desværre sker der en lækage fra selve transistoren til det underliggende substrat, som transistoren er plantet på. Lækagen afhænger af, hvor stor en del af transistoren der er i direkte kontakt med substratet.
For at minimere lækagen har Intel i sin nyeste cpu med kodenavnet Ivy Bridge besluttet sig til at vende transistoren på højkant. Intel kalder den vendte trasistor for en 3D-transistor, mens andre firmaer benytter betegnelsen Tri Gate-transistor.
3D-transistoren er på ingen måde Intels egen opfindelse, men Intel er det første firma, for hvem det er lykkedes at massproducere transistoren. Det sker i en 22 nm-procesteknologi. Konkurrerende firmaer som GlobalFoundries og TSMC arbejder på en lignende transistor, men de forventer først at kunne im- plementere den i en 14 nm-procesteknologi, som først kommer på markedet om et par år.
På figur 1 kan du se transistorerne, der er vendt på højkant, således at kontakten med underlaget minimeres.
Koster en formue
Mens det er lykkedes Intel at halvere effektforbruget i forhold til den ældre generation af transistorer, der er fremstillet i en 32 nm-procesteknologi, er det bestemt ikke gratis at udvikle en ny transistor.
For at kunne fremstille den er det nødvendigt med nyt udstyr til fremstillingen af transistorer, hvilket hurtigt løber op i omkring 10 milliarder kroner pr. fabrik. Og da Intel sikrer sig på alle leder og kanter, bliver mere end en fabrik selvfølgelig konverteret, således at Intel altid vil kunne producere de nyeste chip, selv hvis en enkelt fabrik skulle blive sat ud af drift, hvilket kan ske ved oversvømmelser eller jordskælv.
Intels anden løsning
Intel har dog flere kort i ærmet. En anden løsning går ud på at sænke spændingen, som kræves for at få cpu’en til at fungere. En traditionel processor kræver 1,5 V for at fungere, men Intel har udviklet en eksperimentel processor, der fungerer ved spændinger helt ned til 280 mV, hvor processoren kører med beskedne 3 MHz, men til gengæld har et effektforbrug på kun nogle få milliwatt.
Processoren, som du kan se monteret i et system på figur 2, er udviklet af Intel Labs, der er Intels forskningsafdeling.
Processoren er som sagt kun eksperimentel og kan kun udføre IA-32-instruktioner, da der ikke er understøttelse for 64bit-instruktioner, men processoren har været fremvist og har ingen problemer med afvikling af hverken Linux eller Windows, som det fremgår af figur 3.
Det er igen Intels avancerede procesteknologi, der gør det muligt at fremstille en processor, der kan arbejde med så lav en spænding, samtidig med at den samme processor kan arbejde med helt op til 915 MHz, hvis man skruer spændingen op til 1,2 V, med et effektforbrug, der ligger på beskedne 737 mW.
Alt i alt betyder det, at det i fremtiden vil være muligt at anvende den samme processor til en lang række forskellige applikationer og blot skrue op og ned for spændingen, alt afhængigt af hvilket behov for ydeevne og batterikapacitet der er til rådighed.
SuVolta giver konkurrence
SuVolta er et relativt nyt firma, der i lighed med Intel er placeret i Californien. SuVolta arbejder også aktivt på at sænke effektforbuget, men har valgt at tage en helt anden rute end Intel. SuVolta har ikke sin egen fasbrik, men arbejder sammen med partnere, og den første transistor er fremstillet hos Fujitsu i Japan.
SuVoltas hemmelighed er, at det er lykkedes at fremstille et integreret kredsløb, hvor variationen mellem de enkelte transistorer er meget mindre, end det er tilfældet for konkurrenternes transistorer. Du kan se et diagram af transistoren på figur 4.
Den mindre variation betyder, at det er muligt at sænke spændingen, mens konkurrenterne ikke umiddelbart kan gøre det, da der altid skal være spænding nok til selv den ene transistor, der falder værst ud, når det integrerede kredsløb er produceret. Er der blot en enkelt transistor, der ikke får spænding nok, vil hele kredsløbet som regel enten være ubrugeligt eller have en lavere værdi, da det skal sælges billigere, da effektforbruget i og med en højere forsyningsspænding også bliver højere.
Den store fordel for SuVolta er, at det er lykkedes at fremstille de ensartede transistorer i en proces, der kaldes for Bulk CMOS. Bulk betyder kort fortalt, at det er den mest almindelig fremstillingsproces, som alle kan producere, uden at der i den anledning skal nyt udstyr til.
Ældre teknologi
SuVoltas første chip er fremstillet i en forholdsvis gammel procesteknologi, der anveder en 65 nm-proces, som Intel har forladt for flere år siden, men SuVolta og Fujitsu forventer, at efterfølgende chips vil fungere fint med mindre dimensioner, således at der kun er kort tid, før vi ser den første chip, der anvender 32 nm-design og dermed er konkurrencedygtige med Intels 22 nm-procesteknologi, der kræver langt større investeringer.
Mens Intel primært koncentrerer sig om design og fremstilling af processorer, har SuVolta kastet sig over transistorer, de med stor fordel kan anvendes i såkaldte SoC, der er mere komplicerede chips, hvor der oftest anvendes flere forskellige forsyningsspændinger.
Godt samarbejde
SuVolta har længe haft et tæt samarbejde med Fujitsu, men i princippet kan de samme chip fremstilles af GlobalFoundries eller TSMC, hvis blot de tegner en licens hos SuVolta.
Alle disse tiltag betyder øget konkurrence. Det betyder også, at kapløbet mellem Arm, Intel og Mips på ingen måde er afgjort. Det kan godt være, at ARM og Mips har en mere effektiv arkitektur end Intel, men til gengæld har Intel en overlegen procesteknologi og har meget mindre at skulle tage hensyn til, da man indtil videre kun fremstiller egne chip, hvor man selv tæt kan kontrollere både design og procesteknologi.
Du undrer dig måske over, hvorfor vi nævner Mips og ikke kun Arm som konkurrent til Intel. Dette skyldes ganske enkelt, at Mips er en meget populær cpu-arkitektur i Kina, og at et stadig stigende antal kinesiske firmaer udvikler og designer deres egne processor baseret på Mips-instruktionssættet. En af de seneste chips fra firmaet Ingenic er hjertet i en 7"-tablet til under 500 kroner, og som kører den seneste version af Android og kommer komplet med en hdmi-udgang, der kan vise 1.080p-videoer uden problemer.
Afslutningsvis
Alt i alt er der lagt op til et par spændende år, hvor konkurrencen vil blive intensiveret mellem forskellige producenter. Det er alt for tidligt at afgøre, hvem der kommer ud som vinder, men interessant skal det blive at se, hvordan de forskellige teknologier klarer sig mod hinanden.