Мир компьютеров, радио и оптики (по материалам IDF). Часть 1.

Евгений Рудометов, Виктор Рудометов.
authors@rudometov.com

Вопреки мнению пессимистов, уже десятки лет предсказывающих существование многочисленных пределов научно-техническому прогрессу, развитие компьютерных технологий продолжается. Компьютеры становятся меньше, а их мощность и функциональные возможности стремительно растут. И как свидетельствуют материалы весенних и осенних IDF 2002 г., существование непреодолимых пределов этому развитию не прогнозируется, по крайней мере, в течение ближайших десятилетий.

Человечество всегда пыталось заглянуть в грядущее, чтобы ускорить приход светлого и изобильного будущего, а также избежать возможных ошибок и досадных тупиков. Для координации своих усилий ученые, инженеры и техники стараются координировать свою созидательную деятельность. Становятся доброй традицией IDF (IDF - Intel Developer Forum), посвященные высоким технологиям в области компьютеров и электроники. Эти Форумы являются крупнейшим мероприятием для разработчиков аппаратных средств и программного обеспечения.

На заседаниях IDF, проводимых в разных странах мира в течение всего года, обсуждаются самые современные технологии и продукты электронных отраслей индустрии, определяющих возможности современной вычислительной техники. Кроме того, на этих заседаниях крупнейшими специалистами обсуждаются перспективные направления, а также анализируются возможности существующих и будущих технологий.

И хотя уже многими принято расшифровывать первый символ в IDF как Industry и считать Форум мероприятием всей компьютерной индустрии, нельзя забывать, что корпорация Intel является косо лидирующей фирмой, в значительной степени определяющей развитие всей отрасли. Именно по этой причине большое внимание вызывают выступления на руководителей Intel, например, Патрика Гелсингера, Вице-президента и Главного Технического Директора корпорации Intel (Patrick Gelsinger, Vice President, Chief Technology Officer, Intel Corporation). Например, его доклады на IDF Spring 2002 в Сан-Франциско (февраль) и в Мюнхене (май).

 

Его доклады на IDF можно рассматривать в качестве своеобразного путеводителя по перспективным технологиям. При этом реализация некоторых из описанных технологий будет осуществлена не через два-три года, а, как отметил сам Патрик Гелсингер, в течение 10 лет.

Ключом же к описанному будущему, по мнению Патрика Гелсингера, является небезызвестный закон Мура. Более трех десятков лет назад Гордон Мур (Gordon Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation) предсказал регулярное удвоение числа транзисторов в сложных электронных устройствах. В дальнейшем закон Мура был откорректирован: удвоение числа транзисторов в процессорах происходит каждые 1,5-2 лет. Именно это теперь называется законом Мура (Moore's Law).

Закон Мура стал правилом для специалистов и бизнесменов, позволяющим предсказывать потенциальные возможности будущих, еще не созданных изделий.

При анализе же возможностей современных технологий 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?

Действительно, в 80-е годы специалисты мечтали о технологии 1 мкм, и спорили о сроках достижения и возможности преодоления этого рубежа. Сегодня речь уже идет о преодоления барьера в 0,01 мкм (10 нм). Когда же в результате уменьшения размеров элементов наступит постоянно отодвигаемый предел? И когда же, наконец, закон Мура перестанет действовать?

Здесь следует напомнить, что процессор Intel 4004, выпущенный в 1971 году содержал 2 250 транзисторов, Intel 486DX — 1 180 000, а Intel Pentium 4 с ядром Northwood — это уже 55 млн. транзисторов. И в ближайшие пятнадцать лет, по мнению Крейга Барретта, главы корпорации Intel (Craig Barrett, Chief Executive Officer, Intel Corporation) развитие полупроводниковых технологий позволит разработчикам процессоров реализовать изделия, работающие на тактовой частоте 30 ГГц и содержащие 2 миллиарда транзисторов.

Перспективы же закона Мура Патрик Гелсингер оценивает следующим образом: "Кто-то говорит 10 лет, 15 лет. Я же обещаю вам, что пока я не уйду на пенсию, по крайней мере, 2,5 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 повышается сложность и производительность процессоров. На этом пути было множество объективных препятствий, но они постепенно преодолевались учеными и инженерами за счет создания новых архитектур и совершенствования новейших технологий. И на IDF уже продемонстрированы экземпляры процессоров, работающие на частотах превышающих 4 ГГц.

Основу же будущих моделей составят так называемые терагерцевые транзисторы. В своем выступлении Патрик Гелсингер: "Мы считаем этот транзистор совершенно новой фундаментальной архитектурой. И мы будем расширять это направление в следующие 10 лет и далее".

Конечно, высокие частоты будущих изделий потребуют новых конструктивов для процессоров и корпусов системных блоков. Но и сама технология, по которым будут производиться будущие высокопроизводительные элементы, требует соответствующего развития. С этой целью специалисты Intel сделали несколько фундаментальных достижений в области литографии. Речь идет о программе EUVL — Extreme Ultraviolet Lithography. Массовое производство микросхем по этой технологии намечается на вторую половину текущего десятилетия. Но, как подчеркнул Патрик Гелсингер, предполагается продвигать данную перспективную технологию и далее, даже по прошествии 2010 года. Это позволит выпускать очень сложные изделия с большим числом транзисторов, работающих на очень высоких частотах и размещенных на полупроводниковых кристаллах минимальных размеров.

Однако высокая плотность активных элементов, размещаемых на кремниевых кристаллах, порождает проблему высокой плотности энергии тепловыделения, уже сегодня превышающей уровень горячей плиты, а в ближайшие годы достигнет и даже превысит уровень плотности энергии ядерного реактора. Это очень высокие уровни, но у специалистов нет сомнений, что все проблемы, возникающие в процессе разработки новых изделий, будут успешно решены.

Это означает, что сформулированный ранее как предсказание регулярного удвоения транзисторов, закон Мура постепенно распространяется и на другие элементы сложных электронных схем.

Здесь следует напомнить, что в основе подавляющего количества выпускаемых в настоящее время микросхем лежит использование традиционных полевых МОП-транзисторов (полевые транзисторы МОП-технологии — Металл-Окисел-Полупроводник содержат по три контакта-области — Исток, Сток, Затвор; ток Исток-Сток транзистора управляется напряжением, подаваемым на затвор; ток через Затвор практически равен нулю).

Оценивая возможности современных архитектур и технологий, нельзя забывать и о развитии альтернативных технологий и элементов. Уже сегодня появляются совершенно новые многофункциональные устройства, которые включают не только транзисторы, но также и совершенно новые структуры и элементы, которые были недоступны ранее инженерам и ученым.

В это множество попадают, например, оптические, беспроводные, память, датчики и преобразователи, а также механические элементы и технологии. Возможно, в это число следует включить биологические и жидкие структуры, например на основе сложных органических молекул. К слову, жидкие кристаллы относятся именно к органическим веществам, конечно, не таким сложным, как, например, ДНК, на основе которых, как ожидается, через несколько десятилетий могут быть построены чрезвычайно сложные, мощные и компактные компьютеры.

Благодаря использованию новейших элементов и технологий ученые и инженеры смогут уже в ближайшие несколько лет существенно расширить функциональные возможности перспективных устройств. Особенно это касается устройств, построенных на основе применения коммуникационных и компьютерных технологий. Перспективность объединения данных технологий нашло свое отражение в появлении даже специального термина — commputing, образованного от слов computing и communications (COMMunications-comPUTING).

В настоящее время большое внимание ученые и инженеры уделяют разработке изделиям, в основу которых положены беспроводные технологии (wireless). Разработчики Intel называют это "Radio Free Intel". Здесь основная цель — сделать радиосредства настолько дешевыми и интегрированными, насколько это вообще возможно.

И для достижения этой цели уже имеется ряд разработанных перспективных технологий.

Одна из таких перспективных технологий — MEMS (Micro-Electro Mechanical System — Микроэлектрические Механические Системы).

В качестве основы используется 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.

Кстати, необходимо напомнить, что оптика современных изделий, работа которых рассчитана на видимый диапазон спектра, создана на основе стекла. А стекло, как известно, представляет собой окись кремния, материала активно используемого в современных микросхемах.

Используя технологию MEMS можно в едином цикле на подложке кремния выращивать структуры полупроводниковых микросхем, механические части устройства, и даже оптические системы с необходимыми свойствами. При этом в качестве механических устройств можно выращивать сложные конструкции, состоящие и шестеренок и электромоторов. Так на кремниевых подложках можно создавать, например, миниатюрные фото и видеокамеры со всеми их электронными и механическими частями, включая оптику. При этом изделия могут быть столь миниатюрными, что несколько из них легко поместятся, например в наперстке.

Технология MEMS позволяет существенно уменьшить размер и стоимость пассивных компонент: катушки индуктивности, конденсаторы, кварцевые резонаторы и др. Эти элементы являются типичными и необходимыми в высокочастных электрических цепях радио.

В беспроводных технологиях существует множество перспектив, множество стандартов и сред применения. И одним из направлений, над которым работают специалисты Intel, является роуминг. Пользователи могут быть подключены к обычной проводной локальной сети (wire LAN), затем отключиться от нее и перейти на беспроводную сеть (wireless LAN), а затем выйти за пределы действия последней и переключится на некоторую глобальную беспроводную сеть (wireless WAN). Уже разработана технология, расширяющая стандартное понятие сети, базирующаяся на понятии мобильного IP и его расширения. Разработчики Intel старались создать не просто некоторый автоматический переход из одной сети в другую, а цельную законченную систему, которая охватывает все сферы до региональной беспроводной сети. И, кстати, будет включать и такие важные вещи, как безопасность, VPN и др. При этом, очевидно, необходимо обеспечить полноценную работу приложений (сохранение IP) на всем пути от одного стандарта сети в другой.

Следующая перспективная технология — это кремниевое радио и динамически реконфигурирующееся радио.

Часть 2.

В статье были использованы материалы IDF Spring 2002 и документы фирмы Intel.

Опубликовано в журнале "Вы и Ваш компьютер"

Перейти к разрелу Процессоры