Российская электроника, микроэлектроника, приборостроение

Татарин>>> Умножитель может быть (и должен быть) асинхронной схемой, работающей на частоте много выше общей тактующей частоты.
Татарин> Не в том смысле "асинхронным", асинхронным по отношению к внешней схеме, иметь внутренний тактовый генератор. Внутренний такт умножителя может быть не равен внешнему такту всего чипа.

Нет, нет и нет. Так никто не делает и делать не будет, потому что работать на высоких частотах это не будет. Или придётся ставить буфер пересинхроницазии, который немедленно убьёт всю производительность из-за задержек. И займёт много места на кристалле.
Все современные быстрые чипы — синхронные.

Собственно, это одна из причин отказа от конвейерных умножителей в пользу дерева Уоллеса (Wallace tree) — как раз потому, что у них слишком короткая по времени стадия, большую часть времени она простаивает, а заводить для этого отдельный клоковый домен — ну такое себе. Остальные — слишком большая сквозная задержка, и слишком большая площадь на единицу производительности.

Татарин> У тебя максимальная частота чипа обычно в десятки (иногда в сотни) раз меньше, чем максимальная частота транзистора - длинные разветвлённые линии, буфера, ёмкости, индуктивности.

Примерно в 8..10, если чип спроектирован правильно.

Fakir> От 2022
Писал кто-то... странный.

Который не в курсе, что у А3В5 долгая история в цифровой электронике и что отказались от них не зря.

Кремний - это в первую, во вторую, третью и вплоть до 7-й очереди, КМОП. Комплиментарная структура металл-окисел-проводник. Которая на кремнии организуется просто и дёшево.
Схемотехника на полевых транзисторах одной проводимости ущербна, на биполярных - настолько много жрёт, что проиграла конкуренцию ещё в конце 80-х-начале 90-х.

А арсенид галлий имеет одну непоборимую особенность:
Подвижность электронов при 300 K — 8500 см²/(В·с)
Подвижность дырок при 300 K — 400 см²/(В·с)
Дырки в 20 раз менее подвижны.

А теперь давайте строить ключи на транзисторах разной проводимости на арсениде галлия. Угу.


...
Это не трогая даже всякие технические-технологические трудности, их-то побороли бы... да и даже побороли в какой-то малой мере для мощных СВЧ-приборов. Просто - за что боремся-то, если малопотребляющие (а значит - высокоплотные, с кучей транзисторов на миллиметр) схемы строить не получается?

Даже сегодняшний кремний по быстродействию уже несколько лет как ограничен теплоотводом. А тут - арсенид галлия... зашибись, идея.

Татарин> Писал кто-то... странный.
Это просто статья маленько запоздала. Лет так на 20. Тогда, помню, были субнанные микросхемы на арсениде - полевички с п-н переходом. Жрали как ЭСЛ.

Зато, аффтар знает много модных слов типа "“blue ocean”, помноженный на “green field”.

Татарин>> Писал кто-то... странный.
pokos> Это просто статья маленько запоздала. Лет так на 20. Тогда, помню, были субнанные микросхемы на арсениде - полевички с п-н переходом. Жрали как ЭСЛ.
Да дело ж не в том, что нельзя делать микросхемы на GaAs/GaN. Вопрос, для чего эти микросхемы. Если это ППМ для радара - ну и зашибись. А если процессор общего назначения, то... вроде как фигня получится.

Татарин> Да дело ж не в том, что нельзя делать микросхемы на GaAs/GaN.
Что значит "нельзя"??? Я эти микросхемы мацал руками, которыми хлеб ем. В том числе, ОЗУ.

Я не просто знаю, как их делали, а даже знаю, какой это адовый гемор.

Грач> Компания «Ангстрем»...
Радостная весть. Значит, не до конца задушили завод эффективные менеджеры 90-х.

pokos> Радостная весть. Значит, не до конца задушили завод эффективные менеджеры 90-х.
согласен

Татарин>> Да дело ж не в том, что нельзя делать микросхемы на GaAs/GaN.
pokos> Что значит "нельзя"??? Я эти микросхемы мацал руками, которыми хлеб ем. В том числе, ОЗУ.


мацал руками, которыми хлеб ем - хорошо сказано

А вообще, проблема медленной скорости памяти может быть в большинстве случаев купирована использованием быстрого кэша.

Но память - это редкое исключение в смысле скорости логики.

Татарин> Да дело ж не в том, что нельзя делать микросхемы на GaAs/GaN. Вопрос, для чего эти микросхемы. Если это ППМ для радара - ну и зашибись. А если процессор общего назначения, то... вроде как фигня получится.

Тактовая 1 ГГц в 1991 году. ИМХО, не такая уж фигня для того времени.
Другое дело, что за прошедшие годы кремний догнал и перегнал. А можно ли разогнать галлий, а тем паче сделать на нём действительно большие кристаллы и чтоб с выходом годных не один на миллион - тут я скептик.

Татарин>> Да дело ж не в том, что нельзя делать микросхемы на GaAs/GaN.
pokos> Что значит "нельзя"???
Я не говорил, что "нельзя". Я говорил, что причина отсутствия цифровых микросхем вовсе не в том, что "нельзя".

Клапауций> Тактовая 1 ГГц в 1991 году. ИМХО, не такая уж фигня для того времени.
Клапауций> Другое дело, что за прошедшие годы кремний догнал и перегнал. А можно ли разогнать галлий, а тем паче сделать на нём действительно большие кристаллы и чтоб с выходом годных не один на миллион - тут я скептик.
Ты не понял.

Проблема - энерговыделение. И даже не само по себе, а удельное, на площадь кристалла. Ты можешь сделать ОЧЕНЬ быструю ЭСЛ-логику на GaAs. Беда твоя будет в том, что эта логика потребляет на переключение в 1000 раз больше, чем кремниевая КМОП-структура (цифирь пальцесосаная; если брать реально существовавшие GaAs ЭСЛ - то там и в 100 000 раз больше, но я не знаю, как оценивать гипотетическую GaAs структуру).

Это значит, что (вне зависимости от всех остальных технических характеристик и возможностей!) ты можешь даже на той же частоте расположить на той же площади в 1000 раз меньше элементов без того, чтобы у тебя чип нафиг сгорел.

Если бы ты достигал при этом в 1000 раз бОльшей производительности за счёт роста частоты - то и пофигу бы. Но у тебя потенциальный рост частоты за счёт бОльшей подвижности электронов - всего лишь в разы.
То есть, по итогу ты получаешь в тысячи раз бОльшее энергопотребление, размеры, цену за рост частоты в разы, что абсолютно неприемлимо.
Почти везде и почти всегда ты можешь достичь бОльшего роста общей производительности просто натолкав больше кремниевых транзисторов. Гипотетический Z80 на частоте 100ГГц всё ещё сильно медленнее обычного Core 7 на 4ГГц.
А бонусом при этом ты от кремния ещё получишь в тысячи раз меньшее энергопотребление схемы в целом, в тысячи раз меньшее энерговыделение, (минимум) в сотни раз меньше цену и т.п.

От цифровых GaAs и отказались в тот момент, когда это стало совсем уж очевидным.

И даже в тех схемах, где нужна высокая абсолютная производительность конкретного участка, тебе GaAs поможет не так сильно, как кажется "наивно". Потому что высокое энергопотребление заставляет тебя увеличивать площадь схемы, увеличивая все паразитные ёмкости, сопротивления, индуктивности, задержки... Если ты раскидываешь сложную схему по нескольким микросхемам, всё ухудшается ещё сильнее...

И в общем, в итоге запросто может оказаться, что мелкая традиционная кремниевая схема с прикрученным вентилятором работает так же быстро или почти так же быстро, как твой GaAs монстр, отапливающий здание.
Да даже круче: НЯЗ, в нынешних микросхемах нынешние FinFET запросто способны работать на первых сотнях ГГц, если ты успеешь отвести от них тепло. Но по факту не работают. Потому что по факту не успеешь.

Это всё стало очевидно ещё в 90-е.

...

Если ты посмотришь, куда смотрят нынешние разработки там где про "вычислять побыстрее", то там либо новые принципы вычислений (квантовые компы), либо переход на радикально более высокие частоты в терагерцы (свет), либо - наоборот - миниатюризация и радикальное снижение потребления на операцию (почти все разработки "ближнего прицела" - мемристорные нейросети, одноэлектронные схемы, спинтроника).

Татарин> Проблема - энерговыделение. И даже не само по себе, а удельное, на площадь кристалла. Ты можешь сделать ОЧЕНЬ быструю ЭСЛ-логику на GaAs. Беда твоя будет в том, что эта логика потребляет на переключение в 1000 раз больше, чем кремниевая КМОП-структура (цифирь пальцесосаная; если брать реально существовавшие GaAs ЭСЛ - то там и в 100 000 раз больше, но я не знаю, как оценивать гипотетическую GaAs структуру).

Ты почему-то упёрся в ЭСЛ. А pokos же написал, что это было. p-n транзисторы (одной проводимости, не КМОП) с затворами Шоттки.

Я слабо (точнее вообще не) представляю себе особенности такой технологии. Ну то есть, какие у неё топологические ограничения, каков теплосъём ну и т.д.
Но вот конкретно те К6500, писали, по сравнению с тогдашней ЭСЛ примерно в пять раз меньше мощность потребления на 1 логический элемент, при 3-8 раз бОльшей частоте переключения.
Сколько потребляли более привычные кремниевые логики с той же примерно частотой, того же времени, я сходу не скажу, но думаю что похоже.

И это было, когда о пределах по энерговыделению только начали задумываться. Могла затем GaAs логика улучшаться по этому параметру, так как кремниевая? не знаю, но вполне допускаю.

Поэтому все дальнейшие расчёты - было бы в тыщу раз то, в тыщу раз это - ну, гм, вилами по воде. Как по мне.

Татарин> Гипотетический Z80 на частоте 100ГГц всё ещё сильно медленнее обычного Core 7 на 4ГГц.

Оффтоп, но хотел бы я поглядеть на 100-гиговый Z80

Татарин> И в общем, в итоге запросто может оказаться, что мелкая традиционная кремниевая схема с прикрученным вентилятором работает так же быстро или почти так же быстро, как твой GaAs монстр, отапливающий здание.

Может. Но это означает, что может и нет

Татарин> Если ты посмотришь, куда смотрят нынешние разработки там где про "вычислять побыстрее", то там либо новые принципы вычислений (квантовые компы), либо переход на радикально более высокие частоты в терагерцы (свет)

Это, ИМХО, частности. Кусочек схемы, вокруг которого море традиционного кремния. Работает, но для конкретной узкой задачи. Как ASIC'и для генерации биткойна. Я так думаю...

Татарин> , либо - наоборот - миниатюризация и радикальное снижение потребления на операцию (почти все разработки "ближнего прицела" - мемристорные нейросети, одноэлектронные схемы, спинтроника)

Это да, это магистральный путь. Слухи о том, что на этом пути упёрлись в тупик, возникали много раз, и много раз же опрокидывались, так что тут я оптимист

Так возвращаясь к полевым GaAs. Возможно ли их так же оптимизировать - снизить размер, уменьшить напряжение? Если нет, то это "окончательное нет". А если да?...

Клапауций> Ты почему-то упёрся в ЭСЛ. А pokos же написал, что это было. p-n транзисторы (одной проводимости, не КМОП) с затворами Шоттки.
Клапауций> Я слабо (точнее вообще не) представляю себе особенности такой технологии. Ну то есть, какие у неё топологические ограничения, каков теплосъём ну и т.д.
То есть ТТЛШ? Ну, насчёт топологических ограничений и технологии в сравнении с простым кремнием можно, действительно, догадываться.
А по потреблению-то - чего неясного?
Можно на примере кремния и посмотреть: сколько жрали ТТЛ(Ш) и сколько жрут КМОП-структуры.

Клапауций> И это было, когда о пределах по энерговыделению только начали задумываться. Могла затем GaAs логика улучшаться по этому параметру, так как кремниевая? не знаю, но вполне допускаю.
Клапауций> Поэтому все дальнейшие расчёты - было бы в тыщу раз то, в тыщу раз это - ну, гм, вилами по воде. Как по мне.
Не. Ты опять меня не понял. Дело-то даже не в разнице кремния и GaAs, а в разнице возможной логики. Следи за руками:
1. Ты не можешь сделать эффективные комплиментарные схемы на GaAs (подвижность дырок).
2. В частности, ты не можешь сделать эффективные комплиментарные схемы на GaAs с полевыми транзисторами (подвижность дырок).
3. Сверхэффективная по потреблению схемотехника КМОП - отпадает для GaAs (но возможна для кремния).
4. Для GaAs тебе придётся выбирать между ТТЛ(ш), ЭСЛ и МОП - ВСЕ варианты потребляют гораздо больше, чем КМОП (МОП при кажущейся минимальной разнице требует высокого напряжения питания, а W ~= U² ). Даже если не в 1000 раз больше, всё равно там очень большая, десятки-сотни раз разница.
...
5. Профит для кремния.

Ну и сам смотри: если уже сейчас даже в КМОП(!!!) реальная частота работы микросхем ограничена потреблением (а не подвижностью носителей в ПП), то смысл уходить к более потребляющей логике ради потенциала в частоте, который ты заведомо не сможешь реализовать, что заранее уже известно?

Татарин>> Гипотетический Z80 на частоте 100ГГц всё ещё сильно медленнее обычного Core 7 на 4ГГц.
Клапауций> Оффтоп, но хотел бы я поглядеть на 100-гиговый Z80
Где-то я видел упоминание о 8-битном процессоре реализованном в сверхпроводящей резистивной логике.
Резистивно-сверхпроводящая логика на ниобии как раз дошла до уровня порядка тысяч вентилей на кристалл, уровень 6502


Татарин>> И в общем, в итоге запросто может оказаться, что мелкая традиционная кремниевая схема с прикрученным вентилятором работает так же быстро или почти так же быстро, как твой GaAs монстр, отапливающий здание.
Клапауций> Может. Но это означает, что может и нет
Вариант "нет" означает лишь, что там, может, будет не одна традиционная микросхема с вентилятором, а целых две.

Клапауций> Так возвращаясь к полевым GaAs. Возможно ли их так же оптимизировать - снизить размер, уменьшить напряжение? Если нет, то это "окончательное нет". А если да?...
Тут нужно думать над одной проблемой: эффективная схемотехника на полевых транзисторах одного типа. Потому что, как ни крути, подвижность дырок в данном материале ты не увеличишь, комплиментарные схемы отпадают... ну, не то чтоб отпадают, просто непонятно, за что тогда боролись-то, если в итоге всё много хуже, чем у кремния...

КМК, главный недостаток (n)МОП перед КМОП в контексте - МОП-схемы имеют значимое статическое потребление, вне токов утечки (которые в этой схемотехнике тоже больше). Комплиментарная пара заперта "насквозь" в любом состоянии - что при нуле, что при единице на выходе, а потребление только в момент переключения.
Если (любой) транзистор резистивной логики открыт, то как ты ни уменьшай выходные токи и ток через нагрузочный резистор/транзистор, всё равно ток принципиально должен быть, и должен быть значимым.
В литературе ещё помянута проблема шумов.

Ну, то есть, дело не в транзисторах на арсенид-галлии, а в схемотехнике, которая на них доступна.
Так-то - транзисторы как транзисторы, выше подвижность электронов, n-типа быстрее кремния в разы, p-типа медленее примерно в те же разы.
Чтобы использовать преимущество в подвижности электронов у GaAs, нужно и использовать только (ОК, в основном) электронный тип проводимости. Соотвественно - схемотехника. Логично же?

Клапауций> Ты почему-то упёрся в ЭСЛ. А pokos же написал, что это было. p-n транзисторы (одной проводимости, не КМОП) с затворами Шоттки.
Насчёт затворов Шоттки я чото не уверен, не помню уже.
Но, не в этом дело. Да, жрала та логика чутка поменьше, чем ЭСЛ, дык у неё и питание было, помнится, 2,5 вольта.
Она была униполярная, поэтому никакой экономии электроэнергии там, принципиально, было сделать нельзя. Да, пытались прикрутить ко ключу динамическую нагрузку на туннельном диоде, но из этого ничего хорошего не вышло.
Дело в том, что на арсениде галлия принципиально нельзя сделать качественный, простой и дешёвый КМОП как на кремнии.

Клапауций> Это, ИМХО, частности. Кусочек схемы, вокруг которого море традиционного кремния. Работает, но для конкретной узкой задачи. Как ASIC'и для генерации биткойна. Я так думаю...
Да, именно так. Поэтому на арсениде галлия сейчас и делают такие кусочки - усилители СВЧ. Да и то, в микросхемах уже предпочитают фосфид индия, который гораздо более технологичен.

Клапауций> Так возвращаясь к полевым GaAs. Возможно ли их так же оптимизировать - снизить размер, уменьшить напряжение? Если нет, то это "окончательное нет". А если да?...
"Если да" закончилось, толком не начавшись. Причина очень простая - у арсенида галлия нет такой замечательной штуки как у кремния - плотного, прочного и легко обрабатываемого оксида. Поэтому на арсенид галлия приходится отдельно наносить чужеродные маски, чтобы проводить легирование,а также для подзатворного диэлектрика. А такой процесс, мягко говоря, не способствует ни миниатюризации, ни увеличению количества слоёв, ни повышению выхода годных.

Именно из-за отсутствия подходящего подзатворного диэлектрика те микросхемы и были на полевичках с затвором на переходе.

Клапауций> Тактовая 1 ГГц в 1991 году. ИМХО, не такая уж фигня для того времени.
Это, конечно, да, но и в 1986-м у меня была обычная кремниевая ЭСЛ микросхема
193ИЕ10
ВЧ делитель на 10/11 (2000 МГц)