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