Высокие токи утечки NVIDIA GeForce GTX 480 (GF100)

28 марта 2010, воскресенье 19:06
для раздела Блоги
Ввиду выхода GF100 и ее высокого потребления подумал написать о главных токах утечки транзисторов. Здесь не хочу ничего охватывать, а просто вкратце рассказать о 2 наиболее важных составляющих тока утечки.

Смотря на результаты деятельности NVIDIA в виде GF100, самое большое удивление вызывает энергопотребление новых карт. Заявленные 250 Вт легко подползают к отметке в 320 Вт (по результатам). Высокое энергопотребление сохраняется даже в режиме простоя (54 Вт). Даже HD 5970 с 2 Гб памяти в данном режиме потребляет 39 Вт. И это при том, что в последнее время видеокарты обоих производителей в режиме простоя довольно активно сбрасывают не только питающие напряжения, но и частоты. Все это наталкивает на мысль, что у GF100 очень высокие токи утечки. Попробуем разобраться в причинах столь высокого энергопотребления.

При прочих равных условиях (одинаковый техпроцесс и приблизительно одинаковых токах утечки каждого отдельного транзистора у 5870 и 480) статическая рассеиваемая мощность GTX480, вызванная токами утечки, по меньшей мере на 30-40% выше, чем у HD 5870. Дополнительное увеличение (к этим %) токов утечки GF100 может быть вызвано более жестким температурным режимом работы и, возможно, из-за меньших пороговых напряжений транзисторов благодаря более низкому напряжению питания GTX480 по сравнению с HD 5870. Плюс намного более высокая динамическая рассеиваемая мощность вносит свой вклад в столь высокое энергопотребление GTX480. Уменьшение питающего напряжения дает сильный эффект в снижении динамической мощности, однако, чтобы не проигрывать в частотах, необходимо более низкое пороговое напряжение транзисторов. Для минимизации влияния токов утечки в графических чипах нужно бы полностью отключать неиспользуемые блоки от шины питания, как это реализовано в процессорах.

Все видеочипы производят по стандартной технологии bulk CMOS (объемная или КМОП структура с монолитной подложкой). В отличие от техпроцессов, применяемых для производства процессоров, bulk CMOS является более простой и дешевой, но и менее эффективной ввиду больших паразитных связей между элементами кристалла через эту общую монолитную подложку и увеличении токов утечки при постоянно растущем числе транзисторов на кристалле. Особенно ее недостатки проявляются в таких сложных кристаллах, как видеочипы.

Рассеиваемая мощность кристаллов, выполненных по CMOS технологии, делится на 2 вида – динамическая и статическая. Динамическое рассеяние мощности происходит в моменты переключения из одного логического состояние в другое (при переключении из низкого логического состояния в высокое – из “0” в ”1” и обратно) и определяется двумя основными источниками рассеиваемой мощности – токами заряда и разряда паразитных емкостей кристалла и сквозными токами через CMOS инвертор (увеличивающимися при увеличении напряжения питания), протекающими в моменты переключения. Статическое рассеяние мощности в кристаллах происходит в моменты фиксированного состояния (“0” или ”1”) и ее величина определяется значениями токов утечки, достигающих 40% и более от общего энергопотребления кристалла. Помимо роста рассеиваемой мощности высокие токи утечки вызывают также и ухудшение помехоустойчивости, что немаловажно. Если динамическая мощность имеет квадратичную зависимость от питающего напряжения и зависит от рабочей частоты, то статическое потребление от частоты не зависит. Таким образом, даже при нулевой частоте переключения кристалл будет потреблять энергию.

В последнее время часто поднимается тема токов утечки. И действительно, из-за существенного увеличения токов утечки, статическая потребляемая мощность может даже превышать динамическую составляющую мощности. Особенно это заметно в CMOS техпроцессах, в которых отсутствуют SOI и HKMG. В принципе, это хорошо заметно уже сейчас, глядя на TDP последних видеокарт и ситуация все более усугубляется во все новых и новых bulk CMOS техпроцессах. Ясно, что дальше без введения high-k диэлектриков в bulk CMOS верхняя планка потребляемой мощности сильно ограничит быстродействие видеочипов, даже если позволяет литография.

Если рассматривать те из составляющих общего тока утечки, которые оказывают наибольшее влияние на рассеиваемую мощность, можно выделить 2 тока утечки – ток утечки прямого туннелирования через затвор и подпороговый ток утечки (синие стрелки на изображениях). Существуют и другие составляющие тока утечки, но они не столь существенны (хотя и не менее важны). Все эти токи есть в любых современных кристалла, а не только в видеочипах, но в последних они наиболее ощутимы. Об остальных токах утечки в другой раз. Следует отметить, что первый ток утечки происходит в обоих состояниях транзистора (открыт, закрыт), второй же только в закрытом состоянии. В современных техпроцессах все транзисторы давно являются короткоканальными (субмикронная область). Короткоканальные транзисторы требуют более низких питающих напряжений для уменьшения их внутренних электрических полей и снижении потребляемой мощности. Снижение питающего напряжения происходит вкупе с уменьшением порогового напряжения, необходимого для увеличения быстродействия, однако низкий порог вызывает увеличение подпорогового тока утечки.


Ток утечки прямого туннелирования через затвор

Малая длина канала усиливает паразитные эффекты (короткоканальные эффекты), слабо себя проявляющие в старых техпроцессах. Начиная со времени освоения техпроцессов с проектными нормами ниже 90 нм все большее влияние стал оказывать эффект утечки тока, текущий через подзатворный диэлектрик затвора транзистора. В идеальном случае входной ток должен быть равен 0, но из-за малой толщины подзатворного диэлектрика происходит утечка тока. При масштабировании размеров транзисторов и сокращении длины канала, толщина подзатворного диэлектрика должна быть уменьшена практически пропорционально по отношению к длине канала, чтобы эффективно управлять каналом. Уменьшение емкости затвора транзисторов улучшает быстродействие кристалла и уменьшает динамическую рассеиваемую мощность (в каждом последующем технологическом процессе время задержки распространения транзисторов уменьшалось более чем на 30%). В bulk CMOS техпроцессах подзатворным диэлектриком является диоксид кремния, уменьшение толщины которого приводит к увеличению электрического поля (поперечного, что создает инверсионный слой в канале) через оксид. Высокое электрическое поле и малая толщина приводят к значительному току, текущему через затвор транзистора. Величина этого тока увеличивается по экспоненте с уменьшением толщины подзатворного диэлектрика и питающего напряжения. Для тонких слоев подзатворного диэлектрика (порядка 2-3 нм и менее) уменьшение толщины на каждые 0.2 nm вызывает 10-кратное увеличение тока затвора.

Правда данный ток является совокупностью 2 составляющих - туннелирование через подзатворный окисел и инжекция горячих носителей от подложки до подзатворного оксида. Последний может привести к деградации кристалла во времени при высоких напряжениях (разгон).
Единственным хорошим признаком этого тока является относительно низкая температурная зависимость - данный ток утечки увеличивается с температурой только в 2 раза на каждые 100 Градусов.
Использование подзатворного диэлектрика с высоким значением k (как в процессорах Intel) позволяет использовать более толстый диэлектрик затвора с поддержанием низких напряжений питания, что дает уменьшение данного тока.


Подпороговый ток утечки

Следующий ток – подпороговый ток утечки. Для перевода канала транзистора из режима сильной инверсии в режим слабой инверсии (из ON в OFF) напряжение на затворе должно быть ниже порогового напряжения. Канал транзистора резко меняет свой тип проводимости и считается непроводящим. Однако при спаде напряжения на затворе ток вовсе не падает резко до 0 – при напряжениях ниже порогового транзистор частично проводит ток.

В режиме слабой инверсии (выключенное состояние) концентрация неосновных носителей мала, но не нулевая. Благодаря небольшой концентрации электронов в p-области и продольному электрическому полю, дрейфовая (под действие электрического поля) компонента подпорогового тока крайне незначительна. В отличие от режима сильной инверсии, в котором доминирующим является ток дрейфа основных носителей под действием электрического поля, подпороговая проводимость происходит за счет диффузии неосновных носителей заряда в канал.

Для обеспечения уменьшения подпорогового тока утечки необходимо, чтобы после уменьшения напряжения на затворе ниже порогового ток спадал как можно быстрее. Для оценки того, как эффективно транзистор может быть выключен (уменьшение тока выключенного состояния) используют показатель S (коэффициент спада). Данный коэффициент показывает, на сколько нужно уменьшить напряжение на затворе, чтобы ток упал в 10 раз [мВ/декада].
В идеальных условиях и при комнатной температуре S имеет значение 60 мВ/декада (подпороговый ток уменьшается в 10 раз при уменьшении напряжения на затворе на 60 мВ). Типичные же значения для стандартных CMOS технологий (bulk CMOS) могут колебаться от 70 до 120 мВ/декада. Таким образом, значение S должно быть как можно меньшим. Другими словами, чем меньше S, тем выше скорость спада тока. Контроль за подпороговым током особенно важен для современных транзисторов с напряжениями питания в районе 1 В. Чтобы добиться наибольшего быстродействия микросхем во всех новых техпроцессах стараются уменьшить напряжения питания совместно с уменьшением порогового напряжения транзисторов, однако высокие подпороговые токи утечки, главным образом вызванные относительно низким пороговым напряжением, ограничивают масштабируемость напряжения питания. Для более низкого значения коэффициента спада (а, следовательно, и меньшего значения самого подпорогового тока) применяют более тонкий подзатворный диэлектрик, используют более низкую концентрацию легирования подложки (приводящей к большей ширине обедненной области). Подпороговый ток имеет достаточно высокую температурную зависимость, повышение которой приводит к большему значению S и, следовательно, увеличению тока утечки выключенного транзистора.

Подпороговый ток в выключенном состоянии имеет температурную зависимость – увеличение в 8 - 12 раз на каждые 100 Градусов. Применение хорошего охлаждения (а лучше экстремального) позволяет заметно уменьшить величину S и ток утечки.

Подпороговый ток также определяется геометрическими размерами транзисторов - увеличение отношения W/L (ширина/длина) или уменьшение длины канала приводит к росту данной составляющей тока утечки транзистора. Однако, такой путь как раз и происходит в миниатюризации - увеличение отношения W/L позволяет увеличить быстродействие транзисторов. К тому же, при разгоне с увеличением питающего напряжения происходит эффект модуляции длины канала, когда эффективная длина канала уменьшается, вызывая рост тока стока и, таким образом, увеличение быстродействия (отодвигается вверх частотный потолок). Более всего в подпороговом токе нежелательно уменьшение порогового напряжения (изменение порогового напряжения имеет незначительное влияние на динамическую рассеиваемую мощность), особенно при высоких напряжениях питания (рост напряжения увеличивает подпороговый ток). При разгоне происходит именно это.

Вызвать уменьшение порогового напряжения при разгоне можно увеличением питающего напряжения. Когда происходит увеличение питающего напряжения, это заставляет увеличиваться обедненную область под инверсионным слоем (каналом). Более широкая обедненная область сопровождается большим поверхностным потенциалом, который притягивает больше электронов к каналу. Поэтому для начала сильной инверсии уже необходимо меньшее количество заряда на затворе, что и вызывает уменьшение порогового напряжения. Более того, когда высокое напряжение понижает барьер для электронов между истоком и каналом, приводящее к дальнейшему уменьшению порогового напряжения, исток вводит дополнительные носители в канал (независимо от напряжения на затворе), вызывая еще большее увеличение тока утечки. Уменьшение порогового напряжения увеличивает ток утечки по экспоненте - уменьшение порога на 100 мВ увеличивает подпороговый ток утечки в 10 раз. Все это приводит к увеличению S. Результат уменьшения порогового напряжения приводит еще к некоторому увеличению запаса по быстродействию. В итоге, подпороговый ток утечки является очень весомой компонентой в общем токе утечки транзистора.

Для решения проблемы высокого подпорогового тока утечки применяют технологию SOI, позволяющую быстрее выключать транзисторы в кристалле.
Вообще же рост токов утечки от увеличения температуры представляет серьезную проблему.




Видно, что составляющая тока утечки составляет только 6 % от полного потребления кристалла при 30 Градусах, но уже при 110 доля тока утечки составляет 56 % от полной мощности (15-мм кристалл). И это в техпроцессе с нормой 100 нм и напряжением 0.7В.
Всего выделяют 6 компонентов тока утечки, о которых - в другой раз.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают