Chips worden nóg zuiniger

Bij een dermate lage spanning wordt het moeilijk om een siliciumschakeling zich volgens het boekje te laten gedragen. De grote boosdoener in deze is de zogeheten ‘band-gap’, de spanning die minimaal aanwezig moet zijn tussen het niveau van een logische ‘1’ en dat van een logische ‘0’. Bij onbehandeld silicium heeft die een waarde van ongeveer 0,7 volt. De makers van halfgeleiders hebben allerlei technieken bedacht om die gap kleiner te maken, bijvoorbeeld door de toevoeging van verontreinigingen aan het silicium. Welke toevoegingen precies worden gebruikt is een fabrieksgeheim. Frequentie De nieuwe Pentium M-processors werken op een maximale frequentie van 1 respectievelijk 1,1 gigahertz, afhankelijk van het type. Er bestaat een lineair verband tussen de frequentie waarop een schakeling loopt en het vermogen dat deze consumeert. Intel heeft de consequenties van het opvoeren van de klokfrequentie een paar jaar geleden al verzacht met de Speed Step-techniek. Deze zorgt ervoor dat de chip wanneer mogelijk op een lagere klokfrequentie ging werken. Op het moment dat meer verwerkingskracht nodig is, wordt de klokfrequentie weer verhoogd. Ook bij de Pentium M wordt deze techniek toegepast. De eerste vorm van energiebeheer bij processors was in staat te kiezen tussen een actieve stand en een slaapstand. Bij de Pentium M is dit verder verfijnd. De processor heeft nog steeds een actieve stand, die min of meer geregeld kan worden door de aanpassing van de klokfrequentie. De volgende stand is de slaapstand, waarbij de meeste essentiële onderdelen van de chip zijn stilgezet. Weer een niveau lager bevindt zich de ‘deep sleep’ en dan is er ook nog een ‘deepest sleep’ mogelijk. In die laatste modus worden zelfs de interne klokcircuits van de chip stilgezet. Geen ventilator Door de energiebesparende maatregelen in en rond de processor kan de ventilator achterwege blijven. De temperatuur op de chip wordt dermate binnen de perken gehouden dat een geforceerde koeling door een ventilator niet nodig is. Bij het ontwerp van de chip moesten daarvoor wel enkele speciale maatregelen worden genomen. Het resultaat is dat de chips zijn voorzien van ‘thermal management’, ofwel temparatuurbeheer. Die voorziening zorgt ervoor dat de temperatuur op het niveau van de ‘junction’ niet hoger wordt dan 100 graden celsius. De junction is het punt op een transistor waar de eigenlijke schakelingshandeling plaatsvindt, het punt ook waar de temperatuur het hoogst kan oplopen. De oppervlakte van alle junctions bij elkaar is maar een fractie van het hele chipoppervlak, dus als alles naar behoren werkt wordt het chipoppervlak minder heet dan 100 graden. Voor het meten van de temperatuur worden in de Pentium M twee methodes gebruikt, de Intel Thermal Monitor (ITM) en een zogeheten thermische diode. De ITM is een op de chip geïntegreerd onderdeel dat in onmiddelijk in actie komt zodra de junction-temperatuur boven de maximale waarde dreigt te komen. Wat dit betreft valt de ITM te vergelijken met een noodrem. De thermische diode is ook op de chip vastgebakken, maar dit onderdeel voert niet zelfstandig een actie uit. De diode is te beschouwen als een thermokoppel, een schakeling die afhankelijk van de temperatuur een bepaalde spanning opwekt. Deze spanning wordt door een A/D-convertor omgezet in een digitale weergave van de temperatuur. Die waarde kan door een externe schakeling (een van de perifere chips rondom de Pentium M) worden gebruikt om instellingen te wijzigen zodat de temperatuur niet te hoog wordt. De ontwerpers tekenen hier wel bij aan dat de temperatuur die wordt gemeten door de thermische diode niet altijd de hoogste temperatuur op het chipoppervlak aangeeft. Dit komt door de afstand tussen de thermische diode en de ‘hot spot’, het heetste plekje. Silicium is geen perfecte geleider van warmte, dus hoe groter de afstand tussen warme plek en sensor, des te lager de gemeten temperatuur. Bij het ontwerp van een systeem rondom een Pentium M-processor wordt rekening gehouden met een maximale afwijking van 11 graden celsius. Intel heeft de nieuwe Pentium M’s gebakken volgens een vernieuwd recept, dat bekend staat onder de codenaam Dothan. Dit is een fabricageproces waarmee spoorbreedtes van 0,09 micron (90 nanometer) kunnen worden gemaakt.