Статья: 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. |