Закон Мура в действии
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.
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
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.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ
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.
3. Технологии в массы.
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.
Перспективные планы выпуска процессоров
Изготовитель ЦП 1999г. 2000г. 2001г. 2002г. 2003г. 2011г.
AMD K7 K7+
CYRIX Jalapeno, MXi+ Jalapeno+
IDT C7 C7
INTEL PIII 667 (0,18-мкм) Willamette (>1ГГц), Merced (IA-64) McKinlee
(Merced II >1ГГц) Madison (Merced III) 0,13-мкм медь 10ГГц, 100 млрд.
операций в сек.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
