x

Фильтрация помех генерируемых современным процессором

в разделе "Статьи" на сайте

www.electrosad.ru

Новые специфические задачи стоят перед фильтрами при применении современных процессоров (чипсетов, видеопроцессоров, памяти) выполненных по техпроцессам 0,9 мкм (и менее) и содержащих сотни миллионов синхронно работающих ключей. Это задачи не только фильтрации напряжения питания процессора, но и многократно более сложные задачи подавления помех генерируемых процессором. Это тем более сложно, поскольку частоты помех достигли, а в дальнейшем, если удастся запустить производство процессора по 35 нм техпроцессу, могут превысить 100ГГц.

 
1.Поставим все точки над i

1. В моих статьях везде рассматривается быстродействие транзисторов определяемое длинной канала транзистора или иначе - техпроцессом. Это значение времени переключения может отличаться от реального, поскольку не используются данные технологических процессов Intel, которые не разглашаются. Но эти отклонения не оказывают существенного влияния на результат. И соответствие расчетов подтверждается пропорциональным снижением тепловыделения при переходе на более тонкие технологические процессы. Непропорциональный рост тепловыделения, в таком случае, говорит об увеличении времени переключения транзисторов чипа.

2. Полоса спектра частот занимаемая импульсным сигналом с длительностью фронта - tфр определяется выражением
 

Δf=1/tфр

 

[см. Список литературы п.3], а не Δf=1/2πtфр, как иногда пишут. В последнем случае получается, что верхняя граница спектра частот генерируемая процессором равна  или близка к его тактовой частоте. Реально же она более чем в 5 раз выше тактовой частоты процессора.

3. Индуктивность включенная в цепь протекания тока высокой частоты отсекает его настолько эффективно, насколько ее XL больше Z следующей за ней цепи (звена фильтра).

4. Для построения фильтра, особенно в на высоких частотах, надо в расчетах применять не известную формулу
 

XC=1/2п*f*C

 

характеризующую зависимость XC от частоты только для рабочего диапазона частот, а формулу описывающую полное сопротивление конденсатора.

 

Z=(R2+(XL+XC)2)1/2

 

5. Эффективное подавление помех нужно не только для исключения нагрева внешних элементов (ОК фильтра питания и др.). Ради этого не стоило городить огород. Это необходимо для повышения устойчивости работы процессора в предельных режимах - над этим работают производители подбирая оптимальные комбинации и величины конденсаторов фильтра.

На мой взгляд главное, что позволяют описанные фильтры (особенно на самых тонких технологических процессах), это снять разогрев внутренней структуры процессора вызванный генерируемыми помехами (их частоты уже приблизились к 100 ГГц) и даже повысить тактовую частоту ядра. А ради этого Intel тратит миллиарды долларов. Ради этого стоит подумать и попробовать!

 

2. Собственные индуктивности, методы их снижения

Для представления о порядках величин, приведу примерные индуктивности отдельных элементов:
 

Наименование Индуктивность Примечание
контакт панели (по Intel) LGA 775 3,9 нГн  
шина питания (отдельный проводник) 7 нГн/см  
шина питания (проводник над проводящей плоскостью) 2нГн  
шина разводки на кристалле процессора 0,5-1 нГн/мм  
шина в двухпроводном исполнении (бифиляр,  по Intel) 42 пГн/см  
шина данных на системной плате 1,66 нГн/см Z=50
конденсатор КМ6-1,0 с выводами стандартной длины 41 нГн fрез=785 кГц
конденсатор SMD 0306 LICC 105 пГн 15,5 МГц

Таблица 1.
 

Как производители решают проблему высокой индуктивности соединений?

Рассмотрим один из способов используемый производителями процессоров. Индуктивность одного контакта контактной панели процессора равна 3,9 нГн, применяя параллельное соединение  более 150 контактов дает суммарную индуктивность 26 пГн.

К слову, параллельное соединение множества контактов изначально применялось не для снижения индуктивности, а для увеличения  проходящего через панель тока питания. При потребляемом процессором токе около 70 А на один из контакт приходится менее 0,5А, что вполне допустимо.

 

2. Причины низкой эффективности фильтров при подавлении помех

Разработчик процессора не имея достаточных средств для борьбы с помехами на кристалле (кроме рассмотренных в части 1 способов), стремится вывести все генерируемые процессором помехи за пределы кристалла и панели. Считая, что там эти помехи можно подавить с помощью фильтров. Для этого стремятся снизить индуктивность цепей распределения питания на плате, соединителе, панели процессора.

Но посмотрим зависимость от частоты XL для индуктивности имеющей величину 10пГн (пикогенри).
 

 
Рисунок 1.
 

Из рисунка видим, что даже такая малая индуктивность как 10 пико генри на частотах выше 5 ГГц уже дает значение XL большее 0,5 Ом. Реальные величины индуктивностей приведенные в табл.1 имеют большее значение.

В результате мы не имеем эффективного подавления помех генерируемых процессором, он и его узлы вносящие наибольший вклад в генерацию помех как бы отсечены от фильтров индуктивностями линий соединения.

Конденсаторы применяемые в фильтрах даже при малых собственных индуктивностях не могут обеспечить фильтрацию из-за резонанса цепи на достаточно низких частотах.

Что нужно делать?

Об этом неоднократно говорилось в разных статьях на сайте и в патенте. В первую очередь необходимо применение многозвенных фильтров с оптимизированными к характеристикам конкретного генератора помех характеристиками.

 

3. Широкополосные фильтры, основные требования

Не смотря на то что, все что я расскажу ниже прямо следует их патента №2231899, а некоторые посылы были даны в моих публикациях, ни он, ни прямые обращения, ни статьи не вызвали интереса у производителей процессоров. У них не возникло даже вопросов. Тогда казалось, что все это им совершенно не интересно или все давно известно и понятно. Но прошло уже шесть лет, а все идет по-старому. Подбираются конденсаторы фильтров и только с ориентацией на устойчивость работы процессора.  Извините меня, но что это как не деградация Intel на основе монополизма.

Два монстра-монополиста современной компьютерной индустрии прут своим путем, зная "что нам надо", а мы, глупцы, вынуждены узнавать что нам надо от этих "первопроходцев". При этом потребляемая нами их продукция (иногда не лучшего качества) приносит огромную прибыль и одновременно покрывает убытки (финансирует) из работы по множеству других направлений.

Люди из 60-80х, Вам это ничего не напоминает?

Именно это и вызывает отвращение к таким фирмам (партиям, государствам), у меня и множества пользователей.

 

Но вернемся к баранам, извините фильтрам.

В статьях:

  1. Свойства конденсатора и их влияние на его применение
  2. Некоторые особенности применения оксидных конденсаторов.

описаны особенности применения конденсаторов в цепях широкополосных фильтров для подавления помех генерируемых процессорами и другими сверх большими микросхемами.

В патенте даны зависимости параметров звеньев широкополосного фильтра, параметров источника помехи и показано, что звеньев в таком фильтре должно быть более трех.

Я еще раз вынужден обратить Ваше внимание (в том числе и производителей процессоров и других чипов, а так же системных плат) на то что один и тот же тип конденсатора но имеющий разный номинал имеет различную частотную характеристику и соответственно разную рабочую полосу частот. Посмотрите внимательно на рис.2
 

 
Рисунок 2.
 

На рис.2 показаны частотные характеристики керамического конденсатора (КК) из диэлектрика типа X7R емкостью 0,1 и 0,001 мкФ. Рабочий диапазон частот КК емкостью 0,1 мкФ простирается вплоть до 11 МГц, а аналогичного конденсатора емкостью 0,001 мкФ уже до 150 МГц.

Рабочий диапазон частот конденсатора определяется как левая ветвь частотной характеристики до минимума минус 5-10% частоты в сторону более низких частот.

Вывод из рис.2 - конденсатор высокочастотного звена широкополосного фильтра должен иметь меньшую емкость, и подключаться к источнику помех  через минимальную индуктивность (быть как можно ближе к источнику помех). Все звенья широкополосного фильтра должны равномерно перекрывать частотный диапазон помехи. Например как это делает фильтр, содержащий шесть звеньев, показанный на рис 3.
 

 
Рисунок 3.
 

Для того чтобы Вы могли представить, несколько слов о структуре шестизвенного фильтра показанного на рис.3.

Высокочастотные звенья показанного на рис.3 фильтра имеют параметры: последнее - С=100пф; L=0,4х10-12 Гн, предпоследнее - С=10 нф; L=4х10-12 Гн, третье от конца - С=0,1 мкф; L=10-10 Гн.

 

4, Фильтры в цепях питания сверх больших интегральных схем процессоров, чипсет'ов, модулей памяти

Но совершенно ясно, что внешними фильтрами какими бы хорошими они не были невозможно подавить генерируемую процессором помеху. Часть звеньев должна находиться на кристалле процессора. Пока для этого достаточно 2-3 звена.

Это показано на упрощенной схеме - рис.4. Здесь условно показаны три узла процессора питающиеся по одной шине. Одним из этих узлов может быть ядро. Непосредственно в составе узла выполняется высокочастотное звено широкополосного фильтра.
 

 
Рисунок 4.
 

Это конденсаторы C1, C2, C3. Они выполняются в ходе технологического процесса нанесения слоев по той же технологии, что и межсоединения. Они имеют небольшую емкость, а поэтому их площадь невелика.

Если говорить о величине емкости, то конкретно она должна рассчитываться исходя из конкретных параметров узла. Но можно сказать, что конденсатор высокочастотного звена широкополосного фильтра в реальной конструкции может обеспечить высокочастотную границу работы фильтра порядка 20-50 ГГц.

Более близкая к реальной схема показана на рис. 5.
 

 
Рисунок 5.
 

Второе звено широкополосного фильтра выполняется тоже на кристалле (на рис.5 это C2) по конструкции это может быть некоторое подобие решения использованного в процессоре Intel Xeon или AMD Thoroughbreg B.

 

5. Выводы

Наступило время когда разводка питания узлов процессора должна быть организована на кристалле в соответствии с новыми реалиями. Индуктивности линий распределения питания должны быть минимизированы, а два ВЧ звена широкополосного фильтра должны быть встроены в кристалл.

Что дают рассмотренные решения?

В первую очередь,
рассматривая линии распределения питания от инверторов до узлов расположенных на кристалла процессора как единый широкополосный фильтр мы получаем процессор с более высоким потенциалом по тактовой частоте. Можно предположить удвоение тактовой частоты процессора.

Во вторых,
станет реально возможно создание процессоров по 35 нм техпроцессу. Поскольку большая часть энергии генерируемых помех не может быть выведена за пределы кристалла по причине наличия индуктивности линий распределения питания и высокой частоты помех (более 100 ГГц).

В третьих,
на 45, и особенно на 35 нм техпроцессах снизится тепловыделение за счет ВЧ потерь в кристалле.

И наконец,
чисто экономическая выгода. Просчитанный широкополосный фильтр не будет требовать такого количества дорогих КК на панели и на системной плате, да и в фильтре инвертора можно будет применять не твердотельные, а обычные оксидные конденсаторы с низкими потерями.

А.Сорокин

Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002 - 2012