|
"Закон Мура"
Вычислительная мощность компьютеров растет с
поразительно высокой и удивительно постоянной скоростью. Новые технологии
обеспечат устойчивость этой тенденции и в будущем. В 1965 г соучредитель
фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных
схемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный законом Мура,
был скорректирован на 18 месяцев. В течение трех последних десятилетий закон
Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотность транзисторов, но
и производительность микропроцессоров удваивается каждые полтора года Энди
Гроув, бывший главный управляющий и председатель правления Intel, предсказал на
осенней конференции Comdex'96, что к 2011 г компания выпустит микропроцессор с 1
млрд. транзисторов и тактовой частотой 10 ГГц, изготовленный по 0,07-мкм
полупроводниковой технологии и способный выполнять 100 млрд. операций в
секунду Основатель и главный редактор журнала Microprocessor Report Майкл
Слейтер полагает, что в будущем при внесении серьезных изменений в конструкцию
процессора или смене технологии на более совершенную для удвоения числа
транзисторов потребуется более 18 месяцев. Это будет вызвано как усложнением
логики микросхем, что приведет к увеличению времени проектирования и отладки,
так и необходимостью преодолевать все более серьезные технологические барьеры
при изготовлении ИС. При каждом
переходе к технологии нового поколения, например от 0,25- к 0,18-мкм, необходимо
совершенствовать многие операции, используемые при изготовлении микросхем.
Особую важность имеет фотолитографический процесс, в котором свет с малой длиной
волны фокусируется с помощью набора прецизионных линз и проходит через
фотошаблоны, соответствующие рисунку схемы. Происходит экспонирование
фоторезиста, нанесенного на поверхность пластины после проявки, травления и
химического удаления маски на пластине формируются микроскопические детали
схемы По словам Марка Бора, директора Intel по производственным технологиям,
соответственно должны совершенствоваться источники света и оптика В конце 1999 г
фирма Intel выпустит процессоры Pentium III по 0,18-мкм технологии с
использованием 248-нм источника света в глубокой УФ - области спектра, как при
производстве современных 0,25-мкм кристаллов Pentium II и Pentium III. Но через
три-четыре года при переходе к 0,13-мкм процессу предполагается использовать
излучение с длиной волны 193 нм от эксимерного лазера По мнению Бора, вслед за
0,13-мкм может последовать 0,09-мкм процесс, в котором будут использованы
эксимерные лазеры с длиной волны 157 нм Следующий шаг после порога 0,09 мкм
будет связан с преодолением серьезного технологического и производственного
барьера освоением 0,07-мкм технологии для обещанного Гроувом процессора 2011 г.
На этом уровне для фотолитографического процесса, по всей вероятности,
потребуется излучение от источников, работающих в чрезвычайно дальней области
УФ-спектра Длина волны составит всего 13 нм, что в перспективе может обеспечить
формирование значительно более миниатюрных транзисторов, трудность же
заключается в том, что в настоящее время нет материалов для изготовления
фотошаблона, пропускающего свет с такой малой длиной волны Для решения проблемы
потребуются совершенно новые процессы отражательной литографии и оптика,
пригодная для работы в дальней области УФ – диапазона По мере увеличения числа
транзисторов, соединительные проводники между транзисторами становятся тоньше
и располагаются ближе друг к другу, их сопротивление и взаимная емкость растут,
из-за чего увеличиваются задержки при распространении сигналов Чтобы уменьшить
сопротивление и сократить ширину соединительных проводников в узких местах, для
напыления проводников вместо алюминия станет применяться медь, что уже
происходит с кристаллами PowerPC G3 фирмы IBM. Главный технолог компании AMD
Атик Раза обещает, что AMD начнет применять медь в новых микросхемах уже в 1999
г. Бор прогнозирует, что медные соединения будут использоваться в будущих
процессорах Intel, выполненных с технологическими нормами 0,13 мкм и
меньше. В будущем чрезвычайно обострятся проблемы
теплоотвода и подачи мощности. Размеры транзисторов продолжают уменьшаться, и
ради достижения требуемой скорости переключения транзисторов толщина изолирующих
окислов в затворах будет доведена до нескольких молекул, и для предохранения
структуры кристалла от пробоев придется использовать низкие напряжения
Представители Intel полагают, что через десять лет микросхемы будут работать с
напряжением около 1 В и потреб-1Я1ь мощность от 40 до 50 Вт, что соответствует
силе тока 50 А и более Проблемы равномерного распределения столь сильного тока
внутри кристалла и рассеивания огромного количества тепла потребуют серьезных
исследований Будет ли достигнут физический предел современных методов
изготовления кремниевых приборов к 2017 г (как предсказывают многие
специалисты), что означает невозможность формировать пригодные для практического
использования транзисторы меньших размеров. Трудно заглядывать столь далеко
вперед, но исследования, проводимые в таких областях, как молекулярная
нанотехнология, оптические или фотонные вычисления, квантовые компьютеры,
вычисления на базе ДНК, хаотические вычисления, и в прочих, доступных сегодня
лишь узкому кругу посвященных, сферах науки, могут принести результаты, которые
полностью изменят принцип работы ПК, способы проектирования и производства
микропроцессоров. В предстоящие годы значительные изменения произойдут не
только в полупроводниковых технологиях, но и в архитектуре микропроцессоров, в
том числе их логической структуре, наборах команд и регистров, внешних
интерфейсах, емкости встроенной памяти. По мнению декана Инженерной школы
Станфордского университета и соучредителя компании MIPS Computer Systems Джона
Хеннесси, завершается процесс повышения параллелизма выполнения команд, особенно
в устройствах с набором команд х86, хотя в предстоящие годы и ожидается
появление более сложных 32-разрядных процессоров х86 от AMD, Cyrix, Intel и
других компаний. По словам Фреда Поллака, директора лаборатории Microcomputer
Research Lab фирмы Intel, существует множество творческих подходов, которые
позволят совершенствовать микроархитектуру 32-разрядных процессоров х86 еще
много лет. Однако Поллак также отмечает, что для достижения существенно более
высоких уровней производительности необходимы принципиально новые методы. Для
перехода к новому поколению приборов компании Intel и HP предложили в октябре
1997 г. концепцию EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — Вычисления
на базе набора команд с явно выраженным параллелизмом), которая предполагает
радикальный отход от х86. Предложенная 64-разрядная архитектура IA-64
представляет собой первый популярный набор команд, в котором воплощены принципы
EPIC, а готовящийся к выпуску процессор Merced — первая массовая реализация IA-
64. Поллак говорит, что первоначально IA-64 будет предназначаться для рабочих
станций и серверов, а будущие высокоуровневые 32-разрядные ЦП х86 — для
профессионалов и самых требовательных домашних пользователей. Раза (фирма AMD) и
Поллак полагают, что через десять лет 64-разрядные процессоры станут доступными
для массового пользователя, но не решаются прогнозировать появление 64-разрядных
процессоров во всех наших настольных машинах уже через пять лет. По словам
Раза, чрезвычайно важно разместить быстродействующую память максимально большой
емкости как можно ближе к процессору и сократить задержки доступа к устройствам
ввода-вывода. Раза утверждает, что ЦП будущего должны оснащаться значительно
более быстрыми шинами с непосредственным доступом к основной памяти, графической
подсистеме и, особенно, устройствами буферизованного доступа с узкой полосой
пропускания. Мы также станем свидетелями тенденции к объединению всех основных
узлов ПК на одном кристалле. Многопроцессорные кристаллы (Chip Multiprocessors
— СМР) содержат несколько процессорных ядер в одной микросхеме, и ожидается, что
в следующем десятилетии они получат широкое распространение. Чтобы можно было
полностью использовать преимущества этих архитектур, должно появиться множество
многопотоковых и многозадачных прикладных программ. Если предположить, что
предел развития кремниевой технологии действительно будет достигнут к 2017 г.,
то в дальней перспективе многопроцессорные конструкции могут отсрочить
необходимость перехода на компьютеры экзотической архитектуры. Но, по мнению
Хеннесси, для внедрения СМР и сложных многопотоковых программ на массовом рынке
потребуется значительное время. Он считает, что первой целью для СМР станет
рынок встроенных процессоров. Слейтер полагает, что мы увидим СМР в рабочих
станциях и серверах, хотя могут возникнуть проблемы с полосой пропускания канала
связи нескольких вычислительных ядер с памятью. Можно смело прогнозировать,
что еще в течение многих лет будут появляться новшества в технологии
изготовления кремниевых приборов и архитектуре ЦП. К 2011 г. — если не раньше —
на кристалле будет размещаться 1 млрд. транзисторов, а мощность вычислительных
устройств значительно превзойдет любые прогнозы. Пользователи ПК привыкли к тому, что год от года вычислительная
мощность микропроцессоров растет, но сейчас они сталкиваются с новым явлением:
обилием вариантов выбора. После многих лет следования строго в фарватере фирмы
Intel кампании, изготовляющие микропроцессоры для ПК, выпустят изделия с
небывало разнообразными наборами команд, шинными интерфейсами и архитектурой
кэша. Да и сама фирма Intel теперь представляет свои новые (и не совсем)
разработки для каждого из сегментов рынка, с почти полным соответствием
маркетинга автомобильных компаний. Однако в своей гонки Intel намеренно забывает
о том, что процессоры, как инструмент для выполнения определенных задач, не
столь целостны как автомобиль Головокружительные темпы развития
микропроцессоров, а также двуликость рынка компьютерных технологий (hard &
soft), создало парадоксальную ситуацию, когда к смене технологий физического
производства микрочипов не готовы не только большинство конечных пользователей,
но и производители программного обеспечения. Современные ЦП обладают
вычислительной мощностью вполне достаточной для выполнения любых персональных
задач, кроме 3D игр и узко специализированных приложений. Для рядовых
пользователей это обернулось необходимостью постоянной смены компьютерных
комплектующих, вызванной не их физическим устареванием или неспособностью
выполнять задачи пользователя, а лишь как следствием закона Мура. McKinlee (Merced II
>1ГГц)
| |
