что такое деградация процессора
Что такое деградация процессора
Пользователь реддита под именем PM_ME_ThermalPaste (он же ClockCruncher на HWbot) опубликовал на днях результаты своего эксперимента по нахождению безопасного порога напряжения при разгоне процессоров Райзен второго поколения. К делу он подошел серьезно и использовал четыре одинаковых комплекта топового железа, которые включали в себя материнскую плату Crosshair VII Hero, 360-мм водянку и комплект памяти на самсунг B-die, работающий при напряжении 1.4 вольта. По истечении шести месяцев были получены следующие данные:
I tested the each 2700x at a different voltage ranging from 1.375v to 1.425, here are the voltages for each 2700x and their temps at each voltage.
Как можно видеть, три экземпляра из четырех рано или поздно потеряли 100 мгц от стабильного разгона при использовании в бытовых задачах, и только один процессор, напряжение которого было ограничено на отметке 1,375в, сохранил изначальный разгонный потенциал. Во всех случаях температура не превышала 65 градусов, поэтому влияние высоких температур винить не приходится.
Следует уточнить, что полученные результаты распространяются только на ручной разгон с фиксацией постоянного напряжения. Хотя автоматический буст и предусматривает подачу напряжения свыше 1.4в, это можно считать относительно безопасным, поскольку воздействие ограничено по времени. Но настроить понижающий офсет пожалуй все-равно не помешает :). Лично же для себя я сделал вывод, что не следует повышать напряжение на Райзены свыше 1.35в на постоянной основе.
Почему компьютерные чипы стали быстрее «стареть» и что с этим делать
На прошлой неделе на тематическом ресурсе Semiconductor Engineering вышла статья, которая выделяет тренд «старения» чипов в ЦОД. Мы решили поподробнее взглянуть на материал и рассказать, что происходит в этой сфере.
На шестой странице отчета McKinsey & Company отмечено, что в 2008 году процент загруженности вычислительных систем дата-центра не превышал 6%. Но с развитием облачных ЦОД, ростом популярности виртуальной инфраструктуры и IaaS тренд начал меняться. Как отмечает компания NRDC в своем отчете Data Center Efficiency Assessment, в 2014 году «процент занятости» серверов в облачной среде составил уже 65%.
Это связано с тем, что сегодня одним из базовых критериев выбора облачного провайдера является доступность. Поэтому поставщики стремятся минимизировать допустимое время простоя облачной платформы. Например, если по SLA провайдер обещает доступность «три девятки», то время простоя за год может составлять не более 9 часов. Такие условия предъявляют серьезные требования к инфраструктуре, поэтому провайдеры используют балансировщики нагрузки, чтобы эффективно распределять ресурсы CPU и памяти и обеспечивать непрерывность рабочих процессов клиентов.
Отметим, что такой подход дополнительно позволяет сэкономить на охлаждении и обслуживании оборудования — по данным исследования Uptime Institute, оптимизация парка серверов в дата-центрах мира высвободит порядка 30 млрд долларов. За счет этого ЦОД и IaaS-провайдеры смогут уменьшить стоимость услуг и сделать их еще эффективнее.
Проблема разогрева
Однако, как отмечает автор статьи на Semiconductor Engineering, сейчас в ряде ЦОД усиленная нагрузка на процессоры приводит к их повышенному разогреву, что ускоряет старение чипов. Считается, что при определённом соотношении энергии активации устройства (0,8 eV/K) и его рабочей температуры (75–125°C), каждые 10 градусов сверх нормы могут уменьшить срок его службы в два раза.
При этом повышение температуры может приводить к сбоям, которые довольно сложно диагностировать. Речь идет о так называемом эффекте электромиграции. Он проявляется в скачках напряжения, приводящих к случайным замыканиям одного или нескольких контактов и нарушению работы схем (появлению задержек и даже поломке). Примером подобной ситуации может служить выход из строя части жестких дисков WD через год работы — причиной была электромиграция в одном из используемых в HDD контроллеров.
Испытание для инженеров
Чтобы снизить «уровень стресса» для чипов и замедлить износ электроники, компании используют различные технологии. Например, САПР для моделирования работы чипов перед передачей их в производство. Во время симуляций проводится проверка соединений и параметров электропитания, анализ статических рисков сбоя и оценка влияния электромагнитного поля.
Например, системы автоматизированного проектирования помогают оценить влияние электромиграции и отметить места, в которых требуется расширение соединений между транзисторами или увеличение числа контактов, чтобы предотвратить преждевременный выход системы из строя.
Что касается температурного моделирования, то, как говорит Ральф Айверсон (Ralph Iverson), инженер из отдела научных исследований компании Synopsys, занимающейся разработкой САПР, для отслеживания перегревов используется модель «случайного блуждания». С её помощью производят оптимизацию целевой функции (траектории распространения тепла) и предсказывают влияние температуры на платы и чипы.
/ фото ИТ-ГРАД Unboxing серверов Cisco UCS M4308
Другое направление — разработка систем для отслеживания «старения» чипов в реальном времени. Например, исследователи из Мюнхенского технического университета предложили оценивать степень деградации схемы путем отслеживания задержки, с которой по ней проходит ток. Специальный программный контроллер оценивает задержку прохождения сигнала и сообщает о превышении допустимого уровня деградации электронного устройства. При этом система может автоматически снизить частоту работы чипа и скорректировать рабочее напряжение, пока устройство не будет заменено.
Поиск новых материалов
Разработчики электроники также начинают обращать внимание на новые материалы, которые бы выдерживали более высокие нагрузки, чем кремний. Например, одним из потенциальных материалов, который рассматривается в качестве замены кремнию, является нитрид галлия (GaN).
Этот полупроводник имеет более высокую подвижность носителей заряда и больший коэффициент теплопроводности. За счет этого транзисторы на основе нитрида галлия меньше в размерах и обладают большими показателями мощности. Например, нитрид галлиевые транзисторы используют при создании и развертке широкополосных беспроводных сетей, в том числе для обеспечения работы дата-центров.
Также исследуется возможность применения таких материалов, как антимониды и висмутиды. Они могут стать основой инфракрасных сенсоров для использования в телекоммуникационном оборудовании. Другой вариант — соединения цинка и кадмия с теллуром. В частности, их потенциал может быть полезен для создания альтернативных источников электроэнергии (солнечных панелей).
Однако и сам кремний сбрасывать со счетов ученые не намерены. Исследователи из REAP Labs Университета Тафтса «дают кремнию новую жизнь».
Они работают в области «кремниевой фотоники», создавая электронно-оптические микросхемы на одном кристалле кремния. Это дает чипам возможность взаимодействовать посредством оптических, а не электрических сигналов, что ускоряет перенос больших массивов информации и снижает влияние электромагнитных помех на систему.
Работают в этой области и в IBM. Компания уже смогла разместить устройства, выполненные по технологии кремниевой фотоники, прямо на процессорном чипе.
Подобные технологии позволят создать принципиально новые вычислительные системы, которые бы выдерживали повышенные нагрузки при работе.
Деградация процессора. Актуальность проблемы в наше время
Ежегодно лидер ы рынка демонстрируют качественный и функциональный рост своей продукции. Проектируют, создают и внедряют новые технологии в современные процессоры. Однако, всё ли так гладко? Смогли ли производители разрешить старые, но и по сей день актуальные вопросы? Погнали.
реклама
На написание этой статьи меня подтолкнула случайная новость, суть в том, что «синие» отозвали часть чипов семейства Apollo Lake. Те, в свою очередь, были подвержены деградации шины LPC. Несмотря на то, что проблема была актуальна для бюджетного ряда, и уже были выпущены обновленные модели, лишенные этого недостатка, остается вопрос. Насколько это актуально в наше время, и стоит ли думать об этом при покупке новых чипов.
Теория
В подобном случае нарушается внутренняя структура чипа, и сигналы, которые он получает, будут обработаны с ошибкой, или и вовсе не будут завершены. Также стоит отметить, что чаще поражаются участки, ответственные за работу с интерфейсами и кэш памятью.
реклама
В свою очередь, чаще всего причиной появления этого недуга действительно является неправильная эксплуатация. Завышенное напряжение или высокие температуры. Например, если температура интенсивно скачет от минимальных до максимальных значений.
Что по разгону?
Любой разгон процессора означает повышение тактовых частот, вместе с напряжением, которое подаётся на чип. Но, означает ли это неотъемлемую деградацию? Нет. И вот почему.
Новые, впрочем как и многие предыдущие линейки процессоров, имеют разгонный потенциал. И при любых разгонных манипуляциях стоит помнить, как оптимально поднять частоту, напряжения, и обеспечить достаточное охлаждение.
реклама
Заключение
реклама
Советы, как не столкнуться с подобным, достаточно просты. Не поднимать лишний раз допустимый порог напряжения. Не допускать критической температуры на долгий промежуток работы. Если вы уже столкнулись с этим, имеет смысл попытаться снизить частоту с напряжением к начальным, или более низким значениям.
Почему с уменьшением техпроцесса современных процессоров сильно увеличивается скорость их деградации
Деградация – это естественный процесс разрушения внутренних элементов процессора в процессе его эксплуатации, который, возникает от воздействия, протекающего через его внутренние элементы электрического тока и воздействия на них высоких температур. Это приводит к постепенному ухудшению его технических характеристик (параметров), вплоть до его полного выхода из строя.
реклама
Признаком деградации процессора является невозможность, спустя некоторое время, работать на своих штатных (разогнанных – стабильных) параметрах (частоте, напряжении питания). Проявляется это в возникновении в определенный момент, и все более частом появлении с течением времени «синих экранов», внезапных выключений, перезагрузок компьютера, возникновении ошибок при прохождении различных тестов. Устраняется это увеличением напряжения питания процессора, или снижением тактовой частоты процессора. Но через некоторое время симптомы повторяются, и требуется дальнейшее повторение вышеуказанных манипуляций. Но наступает момент, когда уже нельзя больше поднимать напряжение питания, и остается лишь снижать тактовую частоту процессора, тем самым снижая его производительность.
Ну а теперь немного «физики» процессов, происходящих при деградации.
Процессор состоит из множества элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов, диэлектрических изолирующих слоев, металлических межсоединений, и другого.
реклама
реклама
Еще одно воздействие высокой температуры – это деградация МОП транзисторов, происходящая при повышенной температуре, выше 85 градусов и отрицательном напряжении на затворе транзистора. Это приводит сначала к образованию ловушек, а затем захвата ловушками дырок из канала в подзатворном окисле. Эта деградация происходит без протекания тока через канал транзистора.
А при воздействии тока, со временем можно наблюдать такой процесс, как электромиграция. Это физическое перемещение атомов металла под воздействием протекающего через металлические шины тока. Вследствие электромиграции возможно появление утолщений (скопление атомов металла) в одном месте, и образование пустот в другом месте. Металлическая разводка в кристалле процессора очень плотная. И соседние металлические шины расположены друг от друга, на минимально допустимом по технологии расстоянии. И утолщение одной из шин может привести к закорачиванию с соседней шиной.
Что может привести, как к повышению токов утечки, так и полному замыканию и отказу одного из участка схемы и как следствие неработоспособности всей схемы. Образование пустот в металлических шинах, напротив, может привести к обрыву шины, и не возможности передачи по ней сигналов, или же к значительному увеличению сопротивления в месте возникновения пустоты, и недопустимому затуханию (потери) сигнала на этом участке, что также приведет к неработоспособности всей схемы в целом.
реклама
На изображениях сделанных электронным микроскопом видно состояние металлической шины после длительного влияния вышеуказанных факторов. Тут видно и образование утолщений и образование разрывов вызванных протеканием тока.
А на этом снимке темная область – это пустота, образовавшаяся внутри металлической шины.
Деградация МОП транзисторов, при протекании через них тока происходит следующим образом: под воздействием протекающего электрического тока по цепи исток – канал – сток, из области истока происходит диффузия ионов металла в полупроводниковую область канала. Тем самым делая канал МОП транзистора проводником электрического тока. При малой концентрации ионов металла в канале МОП транзистора, происходит увеличение тока утечки, и как следствие увеличивается тепловыделение процессора, и его температура, процессор при этом начинает сбоить. В этом случае помогает увеличение запирающего напряжения на затворе транзистора, которого можно достичь поднятием общего напряжения питания процессора. Но при этом еще больше увеличится температура и токи, что еще больше ускорит деградацию и ухудшение всех параметров процессора. При дальнейшем увеличении концентрации ионов в канале МОП транзистора, сопротивление канала становится очень низким, через него начинает протекать ничем не регулируемый ток, и работоспособность всей схемы процессора нарушается.
Деградация параметров МОП транзисторов под воздействием горячих (высокоэнергетических) носителей заряда происходит по причине инжекции этих носителей заряда разогнавшихся в электрическом поле канала транзистора, и обладающих необходимой энергией для преодоления барьера Si-SiO2 (полупроводник – окисел) в подзатворный окисел, оседая, и накапливаясь там.
Теперь зная физические процессы, происходящие в кристалле процессора, разберемся, почему же все современные процессоры, производящиеся по техпроцессам с малыми значениями, подвержены деградации в разы быстрее, чем например их предшественники 7 – 15 летней давности. С уменьшением техпроцесса происходит уменьшение всех внутренних элементов процессоров, увеличивается плотность упаковки элементов. Например, уменьшение толщины диэлектрика, уже само по себе снижает его электрическую прочность (напряжение, при котором произойдет его пробой), так еще и увеличивается электрическое поле, воздействующее на диэлектрик между сблизившимися обкладками конденсатора или металлическими соединительными шинами. Как мы помним из курса школьной физики уменьшение толщины диэлектрика между обкладками конденсатора, и сближение обкладок друг с другом, приводит к увеличению электрического поля между ними. Что приведет к более быстрому разрушению диэлектрика в современных процессорах, нежели это происходило в старых процессорах, где толщина диэлектрика в разы больше. При уменьшении поперечного сечения металлических соединительных шин и размеров МОП транзисторов, происходит увеличение плотности тока протекающего через них, что приводит к ускоренному развитию пустот и расширений на металлических шинах и электромиграции ионов металла в каналы МОП транзисторов.
Процесс деградации будет сильно ускорен при неправильном разгоне процессора, при котором напряжение питания будет сильно завышено. И при неправильном температурном режиме процессора.
Таким образом, благодаря современным техпроцессам производства процессоров, теперь абсолютно любой пользователь станет свидетелем деградации своего процессора, после хотя бы пятилетнего периода его использования. Чего не могли предоставить пользователям старые процессоры с большими техпроцессами. Ну, например Pentium 4 (техпроцесс 90 нм.) или FX 8320 (техпроцесс 32 нм.), у которых деградация не сильно то и проявлялась, и через десятилетия их использования. А у современных процессоров, например у Intel Core i9-10900 техпроцесс 14 нм., у Ryzen 9 5950X техпроцесс 7 нм., ну не совсем и честных нужно сказать, хитрят, опять хитрят хитрецы, деградация даст о себе знать уже лет через 3 – 5. Пожалуй Ryzen 9 5950X будет лидер ом в гонке деградации.
Ну и эти свойства современных процессоров накладывают особенность при их покупке на вторичном рынке. Если б/у процессоры старых годов выпуска можно было покупать не опасаясь, что их параметры уже не те, так как нужно было очень сильно постараться, чтобы подвергнуть их сколь-нибудь заметной деградации. То современные б/у процессоры, можно с большой вероятностью приобрести уже «убитыми». Ибо их деградация успела посетить основательно. Нужно иметь это ввиду при покупке б/у современных процессоров.
Хотя может и правильно, что ресурс в современные процессоры закладывается на период времени их актуальности, на срок 3 – 5 лет. А не так как старые процессоры, которые работают уже по 20 лет без признаков деградации, но морально устарели уже как лет 15 тому назад.
Заметили ли вы деградацию своего процессора, или еще нет? Пишите в комментариях.
xTechx.ru
Новости Высоких Технологий
Деградация процессора — определение и причины. Миграция электронов и как избежать повреждения процессора.
Повреждение процессора чаще всего происходит по причине создания процессору условий не регламентированных производителем. Это могут быть высокие температуры использования, недостаточное или неравномерное охлаждение, завышенное напряжение и частота функционирования.
В данных условиях, может произойти миграция электронов в полупроводниках транзисторов процессора. То есть из изолятора, они превратятся в проводник с высоким сопротивлением.
То есть, электроны могут в определённый момент перескочить «не туда» и там остаться. Это приведёт к неправильному переключению транзистора, то есть ошибке, которая потом влечёт другие множественные. Часто повреждается и кэш-память процессора (занимает 10-60% транзисторного бюджета процессора), что не так опасно. Ведь кэш-память процессора, имеет систему исправления ошибок ( ECC ).
Если процессор уже деградировал, то для предотвращения ошибок, может помочь понижение частоты функционирования, что разгрузит повреждённый транзистор и следовательно, он будет справляться со своей задачей какое то время. В большинстве случаев помогает и комбинированное понижение напряжения, совместно с частотой.
Что не стоит делать, чтобы избежать деградации процессора :
· Для каждой архитектуры процессора, есть пороговое значение напряжения, при котором он может функционировать долгое время без повреждений. Данные значения обычно прописаны в спецификациях или на сайте производителя. Не повышайте напряжение процессора выше этого значения. В любом случае не стоит повышать напряжение выше 1.38 В. Производители отмечают именно эту максимальную цифру, хотя реально к деградации, хоть и растянутой по времени, приводит напряжение выше 1.4 В.
· Не допускайте долговременного функционирования процессора при критической температуре. Данная температура прописана в спецификациях. Её превышение на длительное время, может привести к повреждению процессора и миграции электронов. Позаботьтесь о качественном охлаждении процессора.
· Не используйте процессор в экстремальном разгоне для работы в режиме 247. В зависимости от экземпляра процессора, это тоже одна из основных причин выхода процессора из строя. Процессор работает на износ и велик шанс того, что через несколько лет он откажется проходить тесты на этой же частоте. Понижение частоты процессора, в большинстве случаев помогает избежать ошибок в работе.