"Закон Мура"
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 процессоровИзготовитель
ЦП1999г.2000г.2001г.2002г.2003г.2011г.
AMDK7K7+
CYRIXJalapeno, MXi+Jalapeno+
IDTC7C7
INTELPIII 667 (0,18-мкм)Willamette (>1ГГц), Merced (IA-64)McKinlee (Merced
II >1ГГц)Madison (Merced III)0,13-мкм медь10ГГц, 100 млрд. операций в сек.