Мне пришла в голову странная идея, касающаяся принципа действия цифровых микросхем. Не могу с уверенностью сказать возможно ли воплотить в жизнь эту идею или нет. Так что позволю себе просто немного пофантазировать.
Как известно, разработка цифровых микросхем всегда ведется с использованием одной и той же идеи – синхронного переключения триггеров схемы из одного состояния в другое. В цифровой схеме имеются триггера, в которых хранится текущее состояние системы. Выходы одних триггеров, через комбинаторную логику поступают на входы других триггеров, или даже на свои же собственные входы. Переключение состояния, запоминание нового состояния должно производиться всеми триггерами одновременно. Для этого все триггера схемы тактируются сигналом одной тактовой частоты называемой global clock – глобальная тактовая частота.
Без преувеличения можно сказать, что сигнал тактовой частоты global clock для всей схемы – один из самых важных. Он пронизывает кристал чипа по всему объему, как «кровеносные сосуды». Например, сигнал тактовой частоты может быть разведен в чипе в виде сети или дерева:
В современных микросхемах процессоров или графических ускорителей содержатся десятки миллионов транзисторов, значит миллионы триггеров, и общая длина проводника для сигнала тактовой частоты к ним составляет несколько метров.
Длина проводника определяет время распространения сигнала по чипу. Сигнал распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Кроме того, длина проводника определяет его емкость. Чем больше емкость – тем труднее сделать сигнал с крутыми фронтами.
Если фронт сигнала тактовой частоты поступает на разные триггера схемы не одновременно (clock skew), то некоторые триггера могут зафиксировать данные раньше чем нужно или позже чем нужно. И то и другое плохо – из-зи этого появятся ошибки в работе цифровой схемы. Чтобы скомпенсировать время прихода фронта тактовой частоты к разным триггерам иногда добавляют дополнительные буфферные элементы, как линии задержки. Это увеличивает площадь кристалла и потребление энергии чипом. В общем проблем довольно много.
Вот пришла в голову вот такая бредовая идея: распределять сигнал тактовой частоты по чипу используя свет. Вот как на этой картинке:
Современные микросхемы – многослойные. А что если добавить еще парочку слоев? Самый верхний слой – непрозрачный, но с множеством окошек, расположенных, например, в шахматном порядке. На втором слое под каждым окошком расположен фото-транзистор (точнее, наверное нужна пара транзисторов), который(ая) открывается при падении света на него и закрывается в темноте. Бывают ли в природе быстрые фото-детекторы? Я где-то читал есть InGaAs pin-фотодетекторы и работают они на частотах до 10ГГц. Может быть на их основе можно сделать нужный нам приемник тактовой частоты для чипа. От каждого такого фото-детектора сигнал тактовой частоты разводится локально на площади, скажем 100кв.мкм. (или менее) очень короткими проводниками. Над чипом на некоторой высоте располагается точечный источник света, возможно светодиод, и высокочастотный электро-оптический модулятор. Источник света попеременно то освещает равномерно поверхность чипа, то оставляет его в темноте, привнося тактовую частоту внутрь микросхемы.
Давайте попробуем расчитать задержку в распространении сигнала тактовой частоты для дальнего угла микросхемы относительно центра. Используем вот такую картинку:
Предположим источник света находится на высоте над чипом h=10mm.
Размер микросхемы L=10mm.
Дополнительный путь луча света для дальнего угла d = 1,18mm.
Известная скорость света в вакууме V = 3*1011 mm/sec.
Таким образом, задержка распространения сигнала составит 4*10-12 секунд!
Есть ли другие способы достичь столь малого значения задержки сигнала тактовой частоты по чипу?
Подведем некоторые итоги (есть и плюсы и минусы):
- Мы можем удалить довольно много проводников ранее использовавшихся для сигнала тактовой частоты из чипа и освободить место, соответственно сделать чип меньше, значит дешевле.
- Меньшая емкость сети проводников тактовой частоты поможет достичь большей тактовой частоты.
- Нужно меньше буфферных элементов для настройки времени прихода фронта частоты к триггеру, значит меньше потребление энергии.
- Есть некоторая проблема с окошками: длина волны синего цвета ~400nm. И это очень много, если учесть, что современный технологический процесс - 32nm. Но возможно это не страшно. Все равно отказаться от проводников до конца врядли удастся – вокруг транзисторов-детекторов света локально тактовая частота может проводиться обычными проводниками, например в радиусе тех же 400nm.
Вот вопрос к нашим читателям: "Как вы думаете, есть ли в этой идее хоть какое-то рациональное зерно? Или все фантастика?"
Подробнее...