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 Гор¬дон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный законом Мура, был скорректирован на 18 месяцев. В те¬чение трех последних десятилетий закон Мура выполнялся с замечательной точно¬стью. Не только плотность транзисторов, но и производительность микропроцессо¬ров удваивается каждые полтора года

Энди Гроув, бывший главный управ¬ляющий и председатель правления Intel, предсказал на осенней конференции Com¬dex'96, что к 2011 г компа¬ния выпустит микропроцес¬сор с 1 млрд. транзисто¬ров и тактовой часто¬той 10 ГГц, изготовлен¬ный по 0,07-мкм полу¬проводниковой техно¬логии и способный вы¬полнять 100 млрд. опера¬ций в секунду

Основатель и главный редактор журнала Micro¬processor Report Майкл Слейтер полагает, что в будущем при внесении серьезных из¬менений в конструкцию про¬цессора или смене технологии на более совершенную для удво¬ения числа транзисторов потребуется более 18 месяцев. Это будет вызвано как усложнением логики микросхем, что при¬ведет к увеличению времени проектиро¬вания и отладки, так и необходимостью преодолевать все более серьезные техноло¬гические барьеры при изготовлении ИС.

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

При каждом переходе к технологии ново¬го поколения, например от 0,25- к 0,18-мкм, необходимо совершенствовать мно¬гие операции, используемые при изготов¬лении микросхем. Особую важность име¬ет фотолитографический процесс, в кото¬ром свет с малой длиной волны фокуси¬руется с помощью набора прецизионных линз и проходит через фотошаблоны, со¬ответствующие рисунку схемы. Происхо¬дит экспонирование фоторезиста, нане¬сенного на поверхность пластины после проявки, травления и химического удале¬ния маски на пластине формируются мик¬роскопические детали схемы

По словам Марка Бора, директора In¬tel 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 использова¬нием 248-нм источника света в глубокой УФ - области спектра, как при производст¬ве современных 0,25-мкм кристаллов Pen¬tium II и Pentium III. Но через три-четы¬ре 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 мо¬жет последовать 0,09-мкм процесс, в ко¬тором будут использованы эксимерные ла¬зеры с длиной волны 157 нм Следующий шаг после порога 0,09 мкм будет связан с преодолением серьезного технологическо¬го и производственного барьера освоени¬ем 0,07-мкм технологии для обещанного Гроувом процессора 2011 г. На этом уров¬не для фотолитографического процесса, по всей вероятности, потребуется излуче¬ние от источников, работающих в чрезвы¬чайно дальней области УФ-спектра Дли¬на волны составит всего 13 нм, что в пер¬спективе может обеспечить формирование значительно более миниатюрных транзи¬сторов, трудность же заключается в том, что в настоящее время нет материалов для изготовления фотошаблона, пропускаю¬щего свет с такой малой длиной волны Для решения проблемы потребуются со¬вершенно новые процессы отражательной литографии и оптика, пригодная для ра¬боты в дальней области УФ - диапазона

По мере увеличения числа транзисто¬ров, соединительные проводники между

транзисторами становятся тоньше и рас¬полагаются ближе друг к другу, их сопро¬тивление и взаимная емкость растут, из-за чего увеличиваются задержки при рас¬пространении сигналов Чтобы уменьшить сопротивление и сократить ширину со¬единительных проводников в узких мес¬тах, для напыления проводников вместо алюминия станет применяться медь, что уже происходит с кристаллами PowerPC G3 фирмы IBM. Главный технолог ком¬пании AMD Атик Раза обещает, что AMD начнет применять медь в новых микро¬схемах уже в 1999 г. Бор прогнозирует, что медные соединения будут использоваться в будущих процессорах Intel, выполнен¬ных с технологическими нормами 0,13 мкм и меньше.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ

В будущем чрезвычайно обострятся про¬блемы теплоотвода и подачи мощности. Размеры транзисторов продолжают уменьшаться, и ради достижения требуемой ско¬рости переключения транзисторов толщи¬на изолирующих окислов в затворах будет доведена до нескольких молекул, и для предохранения структуры кристалла от пробоев придется использовать низкие на¬пряжения Представители Intel полагают, что через десять лет микросхемы будут ра¬ботать с напряжением около 1 В и потреб-1Я1ь мощность от 40 до 50 Вт, что соот¬ветствует силе тока 50 А и более Пробле¬мы равномерного распределения столь сильного тока внутри кристалла и рассеи¬вания огромного количества тепла потре¬буют серьезных исследований

Будет ли достигнут физический предел современных методов изготовления крем¬ниевых приборов к 2017 г (как предска¬зывают многие специалисты), что означа¬ет невозможность формировать пригодные для практического использования транзи¬сторы меньших размеров. Трудно загляды¬вать столь далеко вперед, но исследования, проводимые в таких областях, как моле¬кулярная нанотехнология, оптические или фотонные вычисления, квантовые компью¬теры, вычисления на базе ДНК, хаотиче¬ские вычисления, и в прочих, доступных сегодня лишь узкому кругу посвященных, сферах науки, могут принести результаты, которые полностью изменят принцип ра¬боты ПК, способы проектирования и про¬изводства микропроцессоров.

В предстоящие годы значительные из¬менения произойдут не только в полупро¬водниковых технологиях, но и в архитектуре микропроцессоров, в том числе их логической структуре, наборах команд и регистров, внешних ин¬терфейсах, емкости встроенной памяти. По мнению декана Инженерной школы Станфордского универси¬тета и соучредителя компании MIPS Computer Sys¬tems Джона Хеннесси, завершается процесс повыше¬ния параллелизма выполнения команд, особенно в ус¬тройствах с набором команд х86, хотя в предстоящие годы и ожидается появление более сложных 32-раз¬рядных процессоров х86 от AMD, Cyrix, Intel и дру¬гих 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 так¬же отмечает, что для достижения существенно более высоких уровней производительности необходимы принципиально новые методы.

Для перехода к новому поколению приборов ком¬пании Intel и HP предложили в октябре 1997 г. кон¬цепцию EPIC (Explicitly Parallel Instruction Compu¬ting — Вычисления на базе набора команд с явно вы¬раженным параллелизмом), которая предполагает ра¬дикальный отход от х86. Предложенная 64-разрядная архитектура IA-64 представляет собой первый попу¬лярный набор команд, в котором воплощены прин¬ципы EPIC, а готовящийся к выпуску процессор Merced — первая массовая реализация IA-64. Поллак говорит, что первоначально IA-64 будет предназна¬чаться для рабочих станций и серверов, а будущие высокоуровневые 32-разрядные ЦП х86 — для про¬фессионалов и самых требовательных домашних пользователей. Раза (фирма AMD) и Поллак полага¬ют, что через десять лет 64-разрядные процессоры станут доступными для массового пользователя, но не решаются прогнозировать появление 64-разряд¬ных процессоров во всех наших настольных маши¬нах уже через пять лет.

По словам Раза, чрезвычайно важно разместить бы¬стродействующую память максимально большой ем¬кости как можно ближе к процессору и сократить за¬держки доступа к устройствам ввода-вывода. Раза ут¬верждает, что ЦП будущего должны оснащаться зна¬чительно более быстрыми шинами с непосредствен¬ным доступом к основной памяти, графической под¬системе и, особенно, устройствами буферизованного доступа с узкой полосой пропускания. Мы также ста¬нем свидетелями тенденции к объединению всех ос¬новных узлов ПК на одном кристалле.

Многопроцессорные кристаллы (Chip Multiproces¬sors — СМР) содержат несколько процессорных ядер в одной микросхеме, и ожидается, что в следующем десятилетии они получат широкое распространение. Чтобы можно было полностью использовать преиму¬щества этих архитектур, должно появиться множест¬во многопотоковых и многозадачных прикладных программ. Если предположить, что предел развития кремниевой технологии действительно будет достиг¬нут к 2017 г., то в дальней перспективе многопроцес¬сорные конструкции могут отсрочить необходимость перехода на компьютеры экзотической архитектуры. Но, по мнению Хеннесси, для внедрения СМР и слож¬ных многопотоковых программ на массовом рынке потребуется значительное время. Он считает, что пер¬вой целью для СМР станет рынок встроенных про¬цессоров. Слейтер полагает, что мы увидим СМР в рабочих станциях и серверах, хотя могут возникнуть проблемы с полосой пропускания канала связи не¬скольких 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 бу¬дет 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