Как известно, США возрождают свою полупроводниковую промышленность. Заводы растут как грибы после дождя, но удовлетворить все потребности необъятного рынка микроэлектроники не выйдет ни при каких условиях. Учёные из США придумали, как обойти потребность в одном из важнейших элементов для современной электроники — в тактовых генераторах, которые нужны для работы многих сложных систем и которые выпускаются отдельно от контроллеров и процессоров.

Источник изображения: Second Bay Studios \ purdue.edu

Группа исследователей с Факультета электротехники и компьютерной инженерии Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана) предложила превратить в тактовый генератор часть FinFET-транзисторов в самом микропроцессоре.

«В каждом элементе высокопроизводительной электроники используются FinFET, — сказала Дана Вайнштейн (Dana Weinstein), профессор и сотрудник университета, а также один из авторов разработки. — Интеграция этих функций [тактового генератора в чип] расширяет возможности нашей микроэлектроники за пределы просто цифровых микропроцессоров. Если технология изменится, мы сможем адаптироваться, но мы будем двигаться вперед с интегрированной микропроцессорной системой».

Иными словами, пока для выпуска чипов будет применяться технология FinFET с вертикальными транзисторными каналами, чипы могут нести в себе встроенные тактовые генераторы.

Тактовые генераторы необходимы для того, чтобы синхронизировать различные элементы в компьютерной системе — частота генератора используется в качестве эталона. Без тактового генератора ничего работать не будет. Традиционно тактовые генераторы используют резонаторы из кварца, а потому интегрировать их просто так в микросхему невозможно. В последнее время на смену тактовым генераторам с кварцевыми и пьезокерамическими резонаторами пришли интегрированные и настраиваемые тактовые генераторы на микроэлектромеханических схемах (МЭМС). Это одновременно и простое и сложное устройство. Однако без традиционных кварцевых устройств по-прежнему не обойтись.

Поэтому предложение американских учёных очень интересно и позволит сэкономить деньги и время. Идея со встроенным тактовым генератором следующая. Транзисторы FinFET могут не только переключаться (открываться и закрываться), но также работать в режиме удержания энергии — как своеобразный конденсатор, чему будет способствовать относительно большое вертикальное ребро транзисторного канала. Исследователи смогли подобрать такой режим переключения соседних транзисторов, что те попеременно создавали физическое давление на диэлектрическую плёнку (изолятор) между каналом (ребром) и затвором.

«Мы сжимаем эти слои между затвором и полупроводником, надавливая и притягивая эту тонкую область между затвором и ребром, — пояснил другой автор работы. — Мы делаем это попеременно на соседних транзисторах — один сжимаем, другой растягиваем — создавая вибрации в боковом направлении в устройстве».

Пара работающих таким образом FinFET транзисторов начинает переключаться с определённой резонансной частотой, превращаясь, по сути, в интегрированный резонатор. Но ещё интереснее, как частота акустических колебаний превращается в электронный сигнал! Колебания физически передаются другим соседним FinFET-транзисторам, что отражается на синхронном изменении их токовых параметров. Обработка и усиление такого сигнала создают тактовый сигнал с превосходными характеристиками.

«У вас будет один чип, который делает всё, вместо нескольких чипов, нескольких методов производства и нескольких наборов материалов, которые должны быть интегрированы — часто за рубежом, — резюмирует Дана Вайнштейн. — Америке необходимо развивать свои возможности в производстве чипов, и такое развитие решает множество проблем в области поставок, национальной безопасности и безопасности оборудования». К тому же, использование встроенных генераторов создаст трудности для хакеров, желающих атаковать блок тактового генератора по ряду побочных каналов (временные атаки с использованием задержек). На внешний генератор такую атаку провести сравнительно просто, тогда как до интегрированного генератора добраться будет просто невозможно.

Специалисты из Igor’sLAB провели крупномасштабное тестирование 199 процессоров Intel Core i9-13900KS и смогли составить объективное представление о качестве отбора (биннинга) кристаллов процессоров Intel при производстве и дальнейшей маркировке. После проверки стало понятно, почему Intel просит за данный процессор $699, тогда как обычный Core i9-13900K стоит $599, а Core i9-13900KF и вовсе $574.

Источник изображений: Igor’sLAB

Все выпускаемые чипы проходят через биннинг — специальную процедуру отбора, при которой проверяется работоспособность и качество процессора, его нагрев и способность работать с тем или иным напряжением при той или иной тактовой частоте. В результате биннинга в кристалле может быть отключена часть ядер или кэш-памяти, в таком случае он будет использован в менее дорогой модели, например, не в Core i7-13700, а в Core i5-13600. Если же результаты тестирования будут хорошими, то такой чип может получить дополнительно индекс К, свидетельствующий о его способности к разгону, например, Core i9-13900К.

Процессоры Intel Core i9-13900KS — это специально отобранные чипы, для которых заявлена тактовая частота до 6,0 ГГц. У всех них есть общая характеристика: они достигают частоты 6,0 ГГц при напряжении не выше 1,49 В. Если напряжение, необходимое для достижения такой частоты, выше, это будет уже не KS, а просто Core i9-13900K. Важно отметить, что варианты KS отбираются только из чипов Core i9-13900K, а не из Core i9-13900KF, поскольку обладают интегрированной графикой. Хотя, с технической точки зрения, чип для Core i9-13900KF может показать характеристики не хуже, Intel не будет использовать такой кристалл для процессоров с индексом KS.

Показатели Silicon Prediction (SP), представленные на графике выше, основаны на алгоритме ASUS, реализованном в материнских платах с сокетом LGA 1700. Чем более низкое напряжение требуется для достижения желаемой частоты, тем выше значение SP для процессора. По сути, SP отражает разгонный потенциал того или иного чипа. Этот метод значительно упрощает сравнение процессоров одного модельного ряда. Из 199 протестированных процессоров Intel i9-13900KS средняя величина SP составил 108,1 балла. Однако распределение баллов SP для производительных и энергоэффективных ядер было разным: в среднем 117,5 и 90,4 соответственно.

А эта диаграмма показывает распределение баллов между моделями Core i9-13900KF, Core i9-13900K и Core i9-13900KS, из которой можно сделать вывод, что Intel явно неплохо справилась с сортировкой кристаллов для Core i9-13900K ради выпуска в будущем Core i9-13900KS, предлагающего тактовую частоту до 6 ГГц «из коробки». Конечно, для более точных результатов было бы разумнее сравнить кривые напряжение/частота для каждого процессора, но на это уйдут дни, если не недели.

Также следует отметить, что при покупке Core i9-13900KF шанс получить чип с кристаллом с более высоким SP выше, чем в случае с обычным Core i9-13900K. Связано это как раз с тем, что кристаллы от KF-варианта не используется для выпуска специальной KS-версии.