Rudometov.COM

Закон Мура
(продолжение)

Прогрессивную сущность закона Мура и тесную связь его с развитием полупроводниковой индустрии отмечают многие специалисты, включая тех, кто самым непосредственным образом влияет на разработку современного аппаратного и программного обеспечения компьютеров. Об этом свидетельствуют, например, ключевые доклады руководителей корпорации Intel, представленные на IDF Spring 2002, а также высказывания ведущих специалистов крупнейших фирм, приведенные в демонстрационных видеороликах.

Важно то, что закон Мура устанавливает ориентиры для развития всей полупроводниковой промышленности. Он стал правилом для специалистов и бизнесменов, позволяющим предсказывать потенциальные возможности будущих, еще не созданных изделий даже в случаях отсутствия соответствующих технологий.

Рис. 5. Рост вычислительной мощности процессоров

Как известно, производительность и интеллектуальная мощь процессоров постоянно растет. И, что удивительно, этот рост подчиняется закону Мура. Нередко вопреки мнению многочисленных критиков.

Здесь уместно напомнить некоторые факты. В 1989 году тактовая частота процессора тогда новой и перспективной архитектуры достигла величины 25 МГц. В то время это был еще i486. На достижение же значения 50 МГц потребовалось целых три года. В настоящее же время прирост 25 МГц может быть осуществлен уже всего за одну неделю. А через пять лет такой прирост станет возможным в течение только одного дня. Такова поразительная мощь экпоненциального роста, осуществляемого для процессоров в соответствии с законом Мура уже три десятка лет стремительной эволюции процессоров.

При анализе возможностей современных технологий все чаще возникает вопрос о сроках действия закона Мура. Как долго компьютерные чипы будут эволюционировать по экспоненциальному закону? Существует ли предел амбициям разработчиков, увеличивающим количество транзисторов в микросхемах при постоянном уменьшении размеров элементов в соответствии с постоянным развитием технологий?

Действительно, в 80-е годы специалисты мечтали о технологии 1 мкм, и спорили о сроках достижения и возможности преодоления этого рубежа. Были скептики, чьи аргументы опирались на фундаментальные законы физики, например, на возрастающее влияние квантовых эффектов при уменьшении размеров элементов, используемых в чипах. Но были и оптимисты, которые верили в то, что новейшие технологии и архитектуры позволят им решить все проблемы. В конце концов рубеж в 1 мкм был успешно преодолен, и в 90-ые годы граница была отодвинута уже до 0,1 мкм (100 нм). И опять было много споров, много объективных трудностей, много работы. В результате напряженной деятельности тысяч специалистов указанный уровень уже не является непреодолимым пределом. Об этом свидетельствует демонстрация специалистами корпорации Intel чипов, созданных, кстати, впервые в отрасли, по технологии 0,09 мкм (90 нм). А сегодня речь уже идет о преодолении барьера в 0,01 мкм (10 нм).

Эволюция технологических процессов

В результате многие специалисты все чаще задаются вопросом, когда же из-за уменьшения размеров элементов все-таки наступит постоянно отодвигаемый предел? И когда же, наконец, закон Мура перестанет действовать?

Патрик Гелсингер, курирующий, кстати, в корпорации Intel работы по совершенствованию технологий, в своем докладе на IDF Spring 2002 ответил на подобные вопросы следующим образом. "Кто-то говорит 10 лет, 15 лет. Я же обещаю вам, что пока я не уйду на пенсию, по крайней мере, два с половиной десятилетия, закон Мура будет существовать. Будущее никогда не было для нас таким ясным, как оно есть сейчас. Мы будем двигаться вперед вместе с законом Мура, связанным с развитием бизнеса и технологии. И конец пока вне поля зрения".

По мере развития электронных и компьютерных технологий постоянно повышалась производительность процессоров. На этом пути действительно было множество объективных препятствий, но они постепенно преодолевались учеными и инженерами за счет создания новых архитектур и совершенствования новейших технологий, обеспечивающих реализацию очень сложных структур.

В качестве примера можно привести разработку процессоров Pentium III и Pentium 4, созданных по технологии 0,13 мкм с использованием внутренних структур, работающих на очень высоких частотах, значение которых уже сравнительно давно составляет несколько гигагерц. Особенно это касается процессоров линейки Pentium 4, созданных на основе архитектуры NetBurst. Достаточно вспомнить демонстрацию перспективных моделей этого семейства процессоров с тактовыми частотами 3 ГГц и даже 4 ГГц. Некоторые подсистемы этих процессоров функционируют на частотах, значения которых же сегодня приближаются к 10 ГГц. Но и эти очень высокие частоты уже не вызывают восторженного трепета у специалистов, создавших терагерцовый транзистор. Транзисторы этого типа станут основой новых перспективных, высокопроизводительных процессоров.

Рис. 6. Архитектура традиционного и терагерцового транзистора

Рост рабочих частот, повышение производительности и проблемы тепловыделения требуют постоянного совершенствования конструктива корпуса (package). На смену FC-PGA разработчики Intel создали BBUL (Bumpless Build-Up Layer). Новый конструктив позволяет повысить скорость работы процессоров в несколько раз. Специалисты оценивают этот рост примерно в 5 раз. В конструктиве BBUL кристалл, вместо того, чтобы находиться, как обычно, на поверхности корпуса, погружен внутрь корпуса. Это позволило улучшить показатели индуктивности и емкости, и в целом существенно повысить частоту, а, следовательно, и производительность процессоров.

Изменения, как известно коснулись и режима электропитания. Так, например, переход от технологии производства процессоров 0,18 мкм к 0,13 мкм потребовал от производителей материнских плат внести соответствующие коррекции в архитектуру и дизайн материнских плат. Это связано с тем, что для процессоров Pentium III и Pentium 4, созданных по технологии 0,13 мкм, регуляторы напряжения, удовлетворяющие спецификации VRM 8.5, осуществляют уменьшение напряжение питания ядра с ростом вычислительной нагрузки, вызывающей адекватный рост тока потребления.

Кроме того, специалисты Intel сделали несколько фундаментальных достижений в области литографии. Это касается программы EUVL — Extreme Ultraviolet Lithography. Производство намечается на вторую половину десятилетия. И, как подчеркнул Патрик Гелсингер, предполагается продвигать технологию и далее, даже по прошествии 2010 года.

Однако повышение рабочих частот и количества транзисторов процессорных чипов порождает еще одну чрезвычайно важную проблему. Связано это с ростом энергопотребления, а, следовательно, и теплообразования, что усложняет проблему поддержания оптимальных режимов работы высокопроизводительных процессоров.

Учитывая важность проблемы теплообразования современных и будущих процессоров целесообразно привести слова Патрика Гелсингера. Комментируя указанную проблему в своем докладе на IDF Spring 2002 он сказал следующее. "Мы предсказываем, что следующие 10 лет в первую очередь мы будем ограничены таким параметром, как мощность (power). В 2010 году мы планируем процессор с частотой 30 ГГц, с 10 миллиардами транзисторов, технология 20 нм или еще меньше. Все это принесет просто сногсшибательное быстродействие. Но следует вспомнить, что мы очень плавно двигались от 1 Вт до 10 Вт, затем от 10 до 100 Вт. И мы на пути от 100 Вт до 1000 Вт. А за 1000 идет 10000. В этом заключается экспоненциальный рост, который великолепно работает как за, так и против.

Рис. 7. Плотность энергии в процессорах Intel разных поколений

Еще сложнее, когда такая мощь приходится на очень маленькую площадь, когда речь идет о плотности мощности. Проводя некоторые аналогии, если в конце 80-х годов это было просто горячая плита, то в середине грядущего десятилетия это ядерный реактор, в конце это уже сопло ракеты, а в перспективе это поверхность Солнца. Это смешно, ведь люди не будут носить сопло ракеты или ядерный реактор в своих портативных ПК. Поэтому мы уделяем большое внимание такому важному параметру будущих и уже современных транзисторов, как их мощность".

Рис. 8. Оценка плотности энергии в процессорах Intel разных поколений

Как следует из приведенных примеров, покорение новых рубежей производительности требует значительных усилий. Однако нет сомнений, что все проблемы, возникающие в процессе разработки новых изделий, будут успешно решены. Залогом служит стремительное развитие современных технологий и архитектуры компьютерных чипов. Это позволяет говорить не только о соблюдении закона Мура на ближайшую перспективу, например, для процессоров, но и о его расширении: "Moore's Law is Expanding".

Сформулированный ранее как предсказание регулярного удвоения транзисторов этот закон Мура постепенно распространяется и на другие элементы сложных электронных схем, темпы усложнения которых нередко не уступают процессорным чипам.

В результате появляются совершенно новые многофункциональные устройства, которые включают не только транзисторы, но также и совершенно новые структуры, которые были недоступны до последнего времени из-за недостаточного уровня развития ранее используемых технологий.

В качестве примера можно привести, например, логические и оптические микросхемы, элементы беспроводной связи, чипы оперативной и энергонезависимой памяти перспективных технологий, разнообразные датчики и преобразователи, а также включенные в состав микросхем механические элементы и технологии. В дальнейшем, возможно, в это число будут добавлены биологические и жидкие структуры. В пользу этого свидетельствуют многочисленные, а в последнее время и успешные опыты по разработке комбинированных систем.

Благодаря указанным элементам и технологиям ученые и инженеры смогут существенно расширить функциональные возможности будущих устройств. Ввиду их перспективности корпорация Intel активно уделяет большое внимание развитию соответствующих направлений.

К их числу относятся беспроводные технологии (wireless). Разработчики Intel называют это "Radio Free Intel". Целью их работы являются попытки сделать радио настолько дешевым и интегрированным, насколько это вообще возможно. При этом одной из ключевых технологий, обеспечивающих достижение этой цели, является MEMS (Micro-Electro Mechanical System). В качестве основы используется традиционный кремний. Учитывая и объединяя его механические свойства с возможностями новой технологии литографии, можно создать большое количество очень интересных многофункциональных устройств. Новые устройства могут совмещать в себе как механические элементы, например, электромоторы, реле и переключатели, так и электронные элементы и радиоцепи, позволяющие создавать миниатюрные радиопередатчики и радиоприемники. Технология MEMS позволяет существенно уменьшить размер и стоимость пассивных компонентов (катушки индуктивности, конденсаторы и др.), необходимых в электрической цепи радио. Необходимо отметить, что уже имеются готовые разработки, сделанные в виде кремниевых чипов, работающих на частотах 10 ГГц и выше.

Другим перспективным направлением является Sensor Network. Развитие этого направления позволяет распространять компьютеры и их соединение в пространстве. После автоматического анализа расположения в пространстве также автоматически создается наиболее благоприятное соединение. При этом во внимание берется расстояние, энергопотребление и другие характеристики работы. Сеть сама адаптируется к возможным изменением параметров, динамически реконфигурируя себя целиком за очень короткое время.

В качестве еще одного направления разработки перспективных изделий следует назвать Optical networks (Silicon Photonics). Основой данных изделий являются оптические системы, состоящие, как правило, из лазеров, оптических систем, фото фильтров, волоконно-оптических линий и фотоприемников. Объединение большого числа комплектующих в одно простое устройство, построенное на небольшом числе микросхем, становится возможным благодаря современным кремниевым и другим достижениям, используемым в Silicon Photonics.

Преимущества этого метода — простота конструкции, дешевизна, а также, легкая настройка, возможно, даже удаленная.

Развитие указанных направлений и совместное использование позволит уже в ближайшее время создать изделия, обладающие уникальными свойствами. Цель специалистов, занимающихся разработкой новых технологий и изделий, — в максимальной мере раскрыть их потенциал в соответствии с широко известным законом Мура.