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Intel Prototypen von Low-Power-Schaltungen
Je kleiner ein Siliziumtransistor wird, desto mehr Elektronen entweicht. Das kann unzuverlässige, batterieverbrauchende Chips bedeuten. Forscher von Intel haben einen Weg gefunden, mit dem Problem umzugehen, der die starke Präferenz der Industrie für Präzision untergräbt. Der Prototyp-Chip des Unternehmens arbeitet in einem stromsparenden, aber fehleranfälligen Modus, erkennt und korrigiert jedoch seine Fehler. Forscher haben herausgefunden, dass dieser Ansatz im Vergleich zum Betrieb im konventionellen Modus ohne Leistungsverlust 37 Prozent Energie spart.
Fehlerbeseitiger: Dieser Prototyp-Chip, der in den Intel Labs getestet wird, enthält Fehlerkorrekturschaltungen, die ihn bei niedrigen Spannungen laufen lassen, um Strom zu sparen.
Eine Möglichkeit, eine bessere Leistung zu gewährleisten, auch wenn Transistoren kleiner und leckender werden, besteht darin, sie ständig mit einer relativ hohen Spannung zu betreiben. Die meisten Mikroprozessoren sind heute so konzipiert, dass sie auf einem Niveau laufen, das eine Art Worst-Case-Szenario darstellt, sagt Wen-Hann Wang , Director of Circuits and Systems Research bei Intel und Vice President of Intel Labs in Hillsboro, OR. Aber es kommt selten vor, dass ein Benutzer so viele Dinge gleichzeitig tut – zum Beispiel ein grafikintensives Spiel spielen, Videos auf Facebook hochladen und im Internet surfen –, dass der Mikroprozessor in seiner höchsten Leistung laufen muss.
Und die Hochspannungs-Hochleistungs-Designstrategie wird zu einem Problem für mobile Geräte, bei denen die Batterielebensdauer wichtig ist. Eine Möglichkeit, die Batterielebensdauer zu verlängern, besteht darin, den Chip mit einer niedrigeren Spannung zu betreiben, dies führt jedoch zu Fehlern.
Wenn eine Schaltung mit niedriger Spannung arbeitet, wird das System laut, sagt Wang. Stromkreise, die mit niedrigen Spannungen betrieben werden, sind besonders anfällig für Temperaturschwankungen und ein Phänomen, das als Spannungsabfall bezeichnet wird: Das gleichzeitige Durchlaufen eines geringen elektrischen Stroms durch Milliarden von Transistoren ist wie eine Dusche, während Waschmaschine und Geschirrspüler laufen. So wie dieser starke Wasserverbrauch zu einem Abfall des Wasserdrucks führen kann, kann das Ausführen vieler Operationen bei niedriger Spannung zu plötzlichen Stromabfällen durch einen einzelnen Transistor führen, was zu Fehlern führen kann. Eine weitere Fehlerquelle, die bei niedrigen Spannungen zu einem größeren Problem wird, sind Inkonsistenzen, die mit der Alterung eines Chips auftreten.
Diese Fehler sind selten, aber signifikant. Sie können beispielsweise dazu führen, dass ein Bild während des Renderns einfriert und den Benutzer zwingt, den Prozess neu zu starten. Um die Fehler zu bewältigen, die beim Betrieb mit niedriger Spannung auftreten, entwickelt Intel eine Strategie, die das Unternehmen als widerstandsfähige Schaltungen bezeichnet. Sie wissen nicht, wie sich die Dinge ändern werden und in welchen Schaltkreisen Fehler auftreten, sagt Wang. Aber wenn Sie sich keine Sorgen machen, wird es die meiste Zeit in Ordnung sein.
Der Prototyp-Chip des Unternehmens basiert auf den 45-Nanometer-Transistoren seiner heutigen Produkte, enthält jedoch belastbare Schaltkreise. Der Chip wird mit niedriger Spannung betrieben, und wenn eine Fehlererkennungsschaltung ein Problem erkennt, wird die Berechnung bei hoher Spannung wiederholt, um es zu korrigieren. Wenn Sie einen Fehler korrigieren und einen Prozess langsamer erneut ausführen müssen, gibt es eine kleine Strafe, sagt Wang. Aber insgesamt erhalten Sie eine riesige Rendite. Tests im Labor haben gezeigt, dass der Chip entweder 37 Prozent des Stromverbrauchs einsparen kann oder bei einer bestimmten Leistungsstufe 21 Prozent schneller arbeitet.
Sie schieben es so nah wie möglich an die Gefahrenzone, und manchmal geht es schief, und sie korrigieren es, was sehr clever ist, sagt Krishna-Palme , Professor für Informatik an der Rice University in Houston. Die Häufigkeit, mit der Sie dies tun, sollte gering sein. Diese Strategie wird seit Jahrzehnten von Mathematikern entwickelt, aber laut Palem scheint Intel das einzige Unternehmen zu sein, das Schaltungen testet, die im Kontext eines Produkts nach diesen Prinzipien arbeiten. Palem entwickelt Low-Voltage-Low-Power-Computing-Strategien, die bei Fehlern noch laissez-faire sind. Einige dieser Fehler müssen nicht korrigiert werden, wenn sie in Berechnungen gemacht werden, die nicht kritisch sind (z. B. eine Berechnung, die eine nicht erkennbare Verzerrung in einem Bild verursacht, es aber nicht einfriert). Palem glaubt, dass eine Kombination seiner Technik mit den widerstandsfähigen Schaltkreisen von Intel den Chips helfen könnte, noch mehr Strom zu sparen.
Intel wollte nicht bekannt geben, wann es belastbare Schaltkreise in seine Produkte integrieren wird. Seine nächste Generation mobiler Prozessoren, die in wenigen Monaten auf den Markt kommt und auf 45-Nanometer-Transistoren basiert, wird diese Fehlererkennungsstrategie nicht nutzen. Aber die fehlererzeugende Undichtigkeit wird mit der Schrumpfung von Transistoren immer problematischer, so dass in den nächsten Jahren so etwas wie die Widerstandsfähigkeit von Schaltkreisen zu einer Notwendigkeit werden könnte. Es wird wirklich beginnen, sich auf der 20-Nanometer-Ebene zu zeigen, sagt Palem.