Güç duvarı

Yarı iletken aygıt üretimi
MOSFET ölçeklemesi (üretim süreçleri)
020 µm – 1968 010 µm – 1971 006 µm – 1974 003 µm – 1977  1,5 µm – 1981 001 µm – 1984 800 nm – 1987 600 nm – 1990 350 nm – 1993 250 nm – 1996 180 nm – 1999 130 nm – 2001 090 nm – 2003 065 nm – 2005 045 nm – 2007 032 nm – 2009 028 nm – 2010 022 nm – 2012 014 nm – 2014 010 nm – 2016 007 nm – 2018 005 nm – 2020 003 nm – 2022 002 nm – 2025
Gelecek
1 nm ~ 2027
İlgili
Devre küçültme Transistör sayısı CMOS Yarı iletken cihaz Moore yasası Yarı iletken Yarı iletken sanayii Mikroelektronik Nanoelektronik
g t d

Güç duvarı (İngilizce: power wall), bir mikroişlemcinin saat hızının daha fazla yükseltilmesini engelleyen, güç tüketimi ve ısı atımından kaynaklanan pratik sınırdır. 2000'li yılların ortalarında belirginleşen bu sınır, tek çekirdekli başarım artışının önünü tıkamış ve işlemci üreticilerini çok çekirdekli işlemci tasarımına yöneltmiştir. Güç duvarı, büyük ölçüde Dennard ölçeklemesinin sona ermesinin bir sonucudur.

Bir CMOS tümleşik devresinin tükettiği güç başlıca iki bileşenden oluşur: transistörler durum değiştirirken harcanan dinamik güç ve transistörlerden sürekli sızan kaçak (durağan) güç. Dinamik güç yaklaşık olarak şu bağıntıyla verilir:

P_din = α · C · V² · f

Burada α anahtarlanma etkinliği (aktiflik çarpanı), C anahtarlanan sığa, V besleme gerilimi ve f saat hızıdır. Güç, gerilimin karesiyle ve saat hızıyla doğru orantılı olduğundan, başarımı artırmak amacıyla saat hızını yükseltmek güç tüketimini de doğrudan artırır. Transistör boyutları küçüldükçe kaçak akımın payı da arttığından, durağan güç ileri teknoloji düğümlerinde önemli bir bileşen hâline gelmiştir.

1970'lerden 2000'li yılların ortalarına kadar Dennard ölçeklemesi sayesinde transistör boyutları küçüldükçe besleme gerilimi de düşürülebiliyor, böylece artan saat hızına ve transistör yoğunluğuna karşın birim alandaki güç yoğunluğu yaklaşık sabit kalıyordu. Yaklaşık 2005 yılında, eşik gerilimi ve kaçak akım kısıtları yüzünden besleme geriliminin daha fazla düşürülmesi mümkün olmaktan çıkınca dinamik güç bağıntısındaki V² çarpanı sabitlendi. Bu noktadan sonra saat hızını yükseltmek gücü hızla artırdığından, işlemcilerin tükettiği güç, hava soğutmasıyla ekonomik biçimde atılabilecek ısı sınırına — tipik olarak 100–150 vat dolayına — dayandı. Bu sınır güç duvarı olarak adlandırılır.

Güç duvarı, ticari işlemcilerin saat hızlarının 2004-2005 dolayında yaklaşık 3-4 gigahertz düzeyinde duraklamasına yol açtı. Bunun simgesel bir örneği, Intel'in 2004'te yüksek saat hızı hedefleyen Pentium 4 ardılları Tejas ve Jayhawk projelerini, tek çekirdekte yaklaşık 150 vatlık ısıl sınırın aşılması nedeniyle iptal etmesi ve doğrudan çift çekirdekli tasarımlara yönelmesidir. Üreticiler, artan transistör bütçesini tek bir çekirdeğin hızını yükseltmek yerine birden çok çekirdeğe ayırarak daha iyi başarım/güç oranı elde etmeye başladı; böylece Moore yasası sürerken başarım artışının kaynağı saat hızından çekirdek sayısına kaydı.

Güç duvarı, bilgisayar mimarisinde tek iş parçacıklı başarım artışını sınırlayan üç temel engelden biri olarak anılır. Diğer ikisi, işlemci ile ana bellek arasındaki hız farkından doğan bellek duvarı ve buyruk düzeyinde paralellikten elde edilen kazancın azalmasıyla ortaya çıkan buyruk düzeyi paralellik (ILP) duvarıdır. Bu üç sınırın birleşimi, 2000'li yıllarda mimari gelişmenin ağırlığının saat hızından paralelliğe kaymasının başlıca nedeni olmuştur.

• Karanlık silisyum
• Dennard ölçeklemesi
• Moore yasası
• Bellek duvarı
• Çok çekirdekli işlemci