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In-Depth Information
1.2
1.2 Technologische Randbedingungen
Im Jahr 1970 hat die so genannte VLSI-Technik (
Very Large Scale Inte-
gration
) Marktreife erlangt. Die VLSI-Technik erlaubt es, viele Transistoren
einschließlich deren Verdrahtung untereinander auf einem einzelnen Silizi-
umplattchen mit wenigen Quadratzentimetern Große unterzubringen, dem
Chip.
Bis dahin wurden Rechenwerke und Computer durch Verloten einzelner dis-
kreter Transistoren aufgebaut. Der erste in VLSI-Technik hergestellte Pro-
zessor war der 4004 von Intel, ein vier-Bit-Prozessor bestehend aus 2200
Transistoren. Seither hat diese Technik eine beispiellos rasante Entwicklung
durchgemacht. Die Anzahl der Transistoren, die auf einem Chip unterge-
bracht werden konnen, hat sich wahrend dieses Zeitraums etwa alle zwei Jahre
verdoppelt. Der Intel-Mitbegrunder Gordon Moore hatte diese Entwicklung
bereits 1970 vorausgesagt. Sie ist als das
Mooresche Gesetz
bekannt. Abbil-
dung 1.3 verdeutlicht die Entwicklung anhand einer Grafik.
Die kleinsten Strukturen, die auf einem Chip erzeugt werden, messen weniger
als 100 nm (Nanometer), also weniger als 10
−
7
Meter.
Ein damit verbundenes Problem ist, dass die Leistungsaufnahme der Prozes-
soren ebenso exponentiell mitwachst. Steigende Leistungsaufnahme bedeutet
hoheren Stromverbrauch. Dieser ist unerwunscht, weil er die Akkulaufzeit
mobiler Gerate (Telefone, Notebooks) verkurzt. Ein weiterer gravierender
Nachteil ist die damit verbundene Umweltbelastung. Man kann davon ausge-
hen, dass etwa 10% der erzeugten elektrischen Energie von IT-Systemen ver-
braucht wird. Eine hohere Leistungsaufnahme ist auch mit hoherer Abwarme
verbunden. Diese Abwarme muss durch Kuhlsysteme abgefuhrt werden, denn
sonst wurden die Prozessoren durch Uberhitzung zerstort.
Die Leistungsaufnahme von Prozessoren hangt allerdings nicht nur von der
Transistorzahl ab, sondern auch von der Hohe der Versorgungsspannung und
der Taktfrequenz, mit der ein Prozessor betrieben wird. Sehr vereinfacht ge-
sprochen, gilt nach [26] folgender Zusammenhang fur die Leistungsaufnahme.
Wir betrachten nur denjenigen Anteil, der aus dem Schalten der Transistoren
resultiert
2
:
P ∝ U
2
· A · C · f
Diese Formel besagt, dass die Leistungsaufnahme
P
proportional ist zum
Produkt aus der Taktfrequenz
f
,derAktivitat
A
der Transistoren (nicht
alle Transistoren schalten zu jedem Taktschritt), der kapazitiven Last
C
an
den Transistorausgangen (die durch die Anschlussleitungen gebildeten Ka-
2
In die Leistungsaufnahme gehen noch andere additive Terme ein, wie etwa
Leckstrome, die wir hier vernachlassigen.
