Закон Мура в действии

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. | |