Computerhardware: Prozessor: Tendenzen

Wir erwarten von der Halbleiterindustrie, dass unsere Computer leistungsfähiger werden. Welche Wege gibt es, um dieses Ziel zu erreichen?

Größere Verarbeitungsbreite

Die Intel 8088 CPU konnte mit 8-Bit-Zahlen rechnen, der i8086 mit 16-Bit-Zahlen. Seit dem i80386 können die CPUs 32-Bit-Zahlen verarbeiten. Das bedeutet, dass Zahlen bis 4 294 967 296 (2³²) für die CPU zum „kleinen Einmaleins“ gehören und in einem einzigen Takt verarbeitet werden. Seit 2006 gibt es erste 64-Bit-CPUs, die hauptsächlich in Servern und Hochleistungs-PCs eingesetzt werden. Das bedeutet, dass Zahlen bis 18 446 744 073 709 551 616 (18 Trillionen) in einem einzigen Takt verarbeitet werden können.

Neue Materialien

Zwischen der Steuerelektrode der Transistoren (dem „Gate“) und den Silizium-Elektroden befindet sich eine Isolationsschicht. Jahrzehntelang bestand sie aus Siliziumdioxid. Bei der 65 nm Strukturbreite war die Isolationsschicht nur noch 1,2 nm „dick“ (etwa 5 Atomlagen). Noch dünner war nicht möglich, die Schicht hätte zu viel „Leckstrom“ durchgelassen. Mit der Verwendung von Hafnium als Isoliermaterial konnten trotz dünnerer Isolierung die Leckstrom-Verluste auf ein Fünftel reduziert werden. Der Chip wurde weniger warm und die i3, i5 und i7 Prozessoren konnten in 45 nm Strukturbreite gefertigt werden.

Kleinere Strukturen

Der Pentium III und die ersten Pentium 4 wurden in 0,13 Mikrometer-Struktur (130 Nanometer) hergestellt. Als Strukturbreite wird der halbe Abstand zweier Leiterbahnen bezeichnet. Kleinere Strukturen bringen drei Vorteile:

• Es passen mehr Transistoren auf die Chipfläche
• Kleinere Transistoren kommen mit einer kleineren Versorgungsspannung aus. Pro Transistor wird weniger Energie gebraucht.
• Die Schaltungen werden schneller, weil die Entfernungen zwischen den Transistoren kürzer werden (denn schneller als das Licht ist der Strom nicht).
• Nach Angaben von Intel senkt jede Verdopplung der Packungsdichte die Fertigungskosten um 30%.

Zum Vergleich: Die meisten Viruszellen haben einen Durchmesser von 20 bis 80 nm.

Jahr/Monat	1980	1999-12	2001	2003-10	2005-12	2007-11	2009-03	2010	2014
Bezeichnung des Kerns	i8086	Coppermine	Tualatin	Dothan	Presler	Penryn	Nehalem	Sandy Bridge	Broadwell
Strukturbreite (Nanometer)	3000	180	130	90	65	45	32	32	14

Beispiel

Wenn die Struktur von 65 auf 45 nm verkleinert wird, belegt jeder Transistor nur noch etwa die halbe Fläche (45² / 65² = 48%). Dadurch konnte Intel beim Dual-Core-Penryn den L2-Cache von 4 auf 6 MByte vergrößern und außerdem 47 neue SSE4-Befehle (Spezialbefehle für Multimedia) hinzufügen. Durch den geringeren Strombedarf konnte die Taktfrequenz auf mehr als 3 GHz gesteigert werden.

Im November 2010 hat Intel begonnen, Prozessoren mit 22 nm Strukturbreite herzustellen. Im Vergleich zur 45 nm Technologie vervierfacht sich die Packungsdichte.

Mehr Transistoren

In den vergangenen Jahrzehnten konnte die Zahl der Transistoren in der CPU durchschnittlich alle zwei Jahre verdoppelt werden. Der Intel Core i7 enthält 731 Millionen Transistoren. Im Jahr 2011 könnten etwa eine Milliarde Transistoren in ein CPU-Gehäuse passen. Was kann man mit so vielen Transistoren anfangen?

• Es soll neue Spezialfunktionen geben. In den vergangenen Jahren wurden den CPUs Spezialbefehle für Multimedia-Anwendungen (MMX und SSE) hinzugefügt. Gegenwärtig besteht ein hoher Bedarf an Spezialbefehlen für Kryptografie (Verschlüsselung).
• Der Cache-Speicher soll stark vergrößert werden.
• Vorhandene Funktionen können beschleunigt werden. Ein Beispiel: Bei der Addition können Überträge auftreten, die in die nächsthöhere Stelle eingerechnet werden müssen. Die CPU kann zwei 64-stellige Zahlen in einem ersten Schritt addieren und benötigt anschließend im ungünstigsten Fall weitere 63 Schritte, um die Überträge zu berücksichtigen. Wenn allerdings der Konstrukteur eine üppige Anzahl Transistoren zur Verfügung hat, lässt sich die Addition auf wenige Schritte reduzieren, sogar ein Ein-Schritt-Addierer wird möglich. Ein schnelles „Addierwerk“ ist deshalb so wichtig, weil sich die anderen Grundrechenarten auf die Addition zurückführen lassen.
• Spezielle Schaltungen könnten zukünftig noch weiter vorausschauend „erraten“, welche Daten aus dem Arbeitsspeicher benötigt werden könnten (Speculative Precomputation). Wenn der Speicherbus wenig beschäftigt ist, werden diese Daten auf Vorrat geholt.

Mehr Kerne

Im Februar 2009 stellte Intel den ersten Xeon-Prozessor mit acht Kernen und 16 Threads vor. Er wird in 45-nm-Struktur gefertigt, 2010 soll die 32-nm-Version folgen. Es gibt neue Stromsparfunktionen. Je nach Auslastung kann für jeden Kern die Versorgungsspannung erhöht oder verringert werden. Zeitweilig unbenutzte Kerne können sogar komplett abgeschaltet werden, um Strom zu sparen und die Wärmeentwicklung zu verringern.

Hot Spots beseitigen

Hot Spots heißen die winzigen Stellen der CPU, wo die Temperatur besonders hoch ist, hervorgerufen durch hochbelastete Funktionseinheiten. Sie begrenzen die Taktfrequenz, denn je höher der Takt, desto mehr Wärme entsteht. Wenn man mehrere dieser heißlaufenden Funktionseinheiten auf dem Chip verteilen kann und sie abwechselnd benutzt, verteilt sich die Wärme und der Takt kann erhöht werden.

„Grüne“ CPUs

Heutige Prozessoren schalten ungenutzte Funktionsgruppen ab und reduzieren den Stromverbrauch bei geringer Auslastung. Es gibt eine weitere Möglichkeit. Die gewaltige Rechenleistung heutiger CPUs wird nicht immer gebraucht. Bei vielen Servern wirkt es sich kaum auf die Gesamtleistung aus, wenn die CPU etwas langsamer ist. Wenn man eine 3-GHz-CPU mit einem Takt von 1,5 GHz betreibt, sinkt deren Leistungsbedarf auf die Hälfte.

Optische Datenleitungen

Die intel Core i3/i5/i7 CPUs werden in 32 nm Technologie hergestellt. Noch kleinere Strukturen als 32 Nanometer sind problematisch. Wenn die Leitungen noch schmaler sind, wird der Elektronentransport zu langsam. Optische Datenleitungen wären der Ausweg: Die Informationen werden mit Lichtblitzen übertragen. Die Lichtblitze sollen mit Miniaturlasern erzeugt werden. Intel hat bereits Halbleiterlaser entwickelt, mit denen Übertragungsraten von 50 Gbit/s zwischen Prozessoren möglich sind. Für die Verwendung im Inneren der CPU sind die Laser noch viel zu groß.

Quellen

Video

• Werbevideo von "Global Foundries": Herstellung von CPUs (engl.)