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. | |