Закон Мура в дії

Обчислювальна потужність комп'ютерів зростає з вражаюче високою і дивно постійною швидкістю. Нові технології забезпечать стійкість цієї тенденції і в майбутньому.

У 1965 р співзасновник фірми Intel Гордон Мур пророкував, що щільністьтранзисторів в інтегральних схемах подвоюватиметься щороку Пізніше йогопрогноз, названий законом Мура, був скоригований на 18 місяців. УПротягом трьох останніх десятиліть закон Мура виконувався з чудовоюточністю. Не тільки щільність транзисторів, а й продуктивністьмікропроцесорів подвоюється кожні півтора року

Енді Гроув, колишній виконавчий директор і голова правління Intel,передбачив на осінній конференції Comdex'96, що до 2011 року компанія випуститьмікропроцесор з 1 млрд. транзисторів і тактовою частотою 10 ГГц,виготовлений по 0,07-мкм напівпровідникової технології і здатнийвиконувати 100 млрд. операцій в секунду

Засновник і головний редактор журналу Microprocessor Report Майкл Слейтервважає, що в майбутньому за внесення серйозних змін у конструкціюпроцесора або зміні технології на більш досконалу для подвоєння числатранзисторів буде потрібно більше 18 місяців. Це буде викликано якускладненням логіки мікросхем, що приведе до збільшення часупроектування і налагодження, так і необхідністю долати все більшесерйозні технологічні бар'єри при виготовленні ІВ.

1. УДОСКОНАЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА

При кожному переході до технології нового покоління, наприклад від 0,25 - до
0,18-мкм, необхідно вдосконалювати багато операцій, які використовуються привиготовленні мікросхем. Особливу важливість має фотолітографічним процес,у якому світло з малою довжиною хвилі фокусується за допомогою наборупрецизійних лінз і проходить через фотошаблони, відповідні малюнкусхеми. Відбувається експонування фоторезиста, нанесеного на поверхнюпластини після проявлення, травлення та хімічного видалення маски на пластиніформуються мікроскопічні деталі схеми

За словами Марка Бора, директора Intel по виробничих технологій,, відповідно, повинні удосконалюватися джерела світла і оптика Наприкінці
1999 р фірма Intel випустить процесори Pentium III по 0,18-мкм технології звикористанням 248-нм джерела світла в глибокій УФ - області спектру, якпри виробництві сучасних 0,25-мкм кристалів Pentium II та Pentium III.
Але через три-чотири роки при переході до 0,13-мкм процесу передбачаєтьсявикористовувати випромінювання з довжиною хвилі 193 нм від ексімерний лазера

На думку Бора, слідом за 0,13-мкм може послідувати 0,09-мкм процес, вякому будуть використані ексімерний лазери з довжиною хвилі 157 нм
Наступний крок після порогу 0,09 мкм буде пов'язаний з подоланням серйозноготехнологічного і виробничого бар'єру освоєнням 0,07-мкм технологіїдля обіцяного Гроув процесора 2011 На цьому рівні дляфотолітографічним процесу, цілком ймовірно, буде потрібно випромінюваннявід джерел, що працюють в надзвичайно далекої області УФ-спектру Довжинахвилі складе всього 13 нм, що в перспективі може забезпечити формуваннязначно більш мініатюрних транзисторів, труднощі ж полягає в тому,що в даний час немає матеріалів для виготовлення фотошаблони,пропускає світло з такою малою довжиною хвилі Для вирішення проблемибудуть потрібні абсолютно нові процеси відбивної літографії і оптика,придатна для роботи в дальній області УФ - діапазону

У міру збільшення кількості транзисторів, з'єднувальні провідники між транзисторами стають тонше і розташовуються ближче один до одного, їхопір і взаємна ємність зростають, через що збільшуються затримкипри поширенні сигналів Щоб зменшити опір і скоротитиширину сполучних провідників у вузьких місцях, для напилювання провідниківзамість алюмінію стане застосовуватися мідь, що вже відбувається з кристалами
PowerPC G3 фірми IBM. Головний технолог компанії AMD Атік Раза обіцяє, що
AMD почне застосовувати мідь в нових мікросхемах вже в 1999 р. Борпрогнозує, що мідні з'єднання будуть використовуватися в майбутніхпроцесорах Intel, виконаних з технологічними нормами 0,13 мкм іменше.

2. ФІЗИЧНІ МЕЖІ

У майбутньому надзвичайно загостряться проблеми відводу тепла та подачі потужності.
Розміри транзисторів продовжують зменшуватися, і заради досягнення необхідноїшвидкості перемикання транзисторів товщина ізолюючих окислів у затворахбуде доведена до декількох молекул, і для запобігання структурикристала від пробоїв доведеться використовувати низькі напруги Представники
Intel вважають, що через десять років мікросхеми будуть працювати знапругою близько 1 В і потреб-1Я1ь потужність від 40 до 50 Вт, щовідповідає силі струму 50 А і більш Проблеми рівномірного розподілунастільки сильного струму усередині кристала і розсіювання величезної кількостітепла зажадають серйозних досліджень

Чи буде досягнутий фізичний межа сучасних методів виготовленнякремнієвих приладів до 2017 р (як передбачають багато фахівців), щоозначає неможливість формувати придатні для практичноговикористання транзистори менших розмірів. Важко заглядати так далековперед, але дослідження, що проводяться в таких галузях, як молекулярнананотехнологія, оптичні або фотонні обчислення, квантові комп'ютери,обчислення на базі ДНК, хаотичні обчислення, і в інших, доступнихсьогодні лише вузькому колу посвячених, сферах науки, можуть принестирезультати, які повністю змінять принцип роботи ПК, способипроектування і виробництва мікропроцесорів.

В наступні роки значні зміни відбудуться не лише внапівпровідникових технологіях, але й в архітектурі мікропроцесорів, у томучислі їх логічній структурі, наборах команд і регістрів, зовнішніхінтерфейсах, ємності вбудованої пам'яті. На думку декана Інженерної школи
Стенфордського університету і співзасновника компанії MIPS Computer Systems
Джона Хеннессі, завершується процес підвищення паралелізму виконаннякоманд, особливо в пристроях з набором команд х86, хоча в майбутніроки і очікується поява більш складних 32-розрядних процесорів х86 від
AMD, Cyrix, Intel і інших компаній.

За словами Фреда Поллака, директора лабораторії Microcomputer Research Labфірми Intel, існує безліч творчих підходів, які дозволятьудосконалювати мікроархітектуру 32-розрядних процесорів х86 ще багатороків. Однак Поллак також відзначає, що для досягнення суттєво більшевисоких рівнів продуктивності необхідні принципово нові методи.

Для переходу до нового покоління приладів компанії Intel і HP запропонували вжовтні 1997 р. концепцію EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing -
Обчислення на базі набору команд з явно вираженим паралелізмом), якапередбачає радикальний відхід від х86. Запропонована 64-розряднаархітектура IA-64 являє собою першу популярний набір команд, вякому втілені принципи EPIC, а що готується до випуску процесор Merced --перша масова реалізація IA-64. Поллак каже, що спочатку IA-64буде призначатися для робочих станцій і серверів, а майбутнівисокорівневі 32-розрядні ЦП х86 - для професіоналів і самихвимогливих домашніх користувачів. Раза (фірма AMD) і Поллак вважають,що через десять років 64-розрядні процесори стануть доступними длямасового користувача, але не наважуються прогнозувати появу 64 --розрядних процесорів в усіх наших настільних машинах вже через п'ять років.

За словами Раза, надзвичайно важливо мати швидкодіючу пам'ятьмаксимально великої ємності якомога ближче до процесора і скоротитизатримки доступу до пристроїв введення-виведення. Разів стверджує, що ЦПмайбутнього повинні оснащуватися значно більш швидкими шинами збезпосереднім доступом до основної пам'яті, графічної підсистеми і,особливо, пристроями буферізованние доступу з вузькою смугою пропускання.
Ми також станемо свідками тенденції до об'єднання всіх основних вузлів ПКна одному кристалі.

Багатопроцесорні кристали (Chip Multiprocessors - БМР) містятькілька процесорних ядер в одній мікросхемі, і очікується, що внаступному десятилітті вони отримають широке розповсюдження. Щоб можна булоповністю використовувати переваги цих архітектур, має з'явитисябезліч багатопотокових і багатозадачних прикладних програм. Якщоприпустити, що межа розвитку кремнієвої технології дійсно будедосягнутий до 2017 р., то в далекій перспективі багатопроцесорні конструкціїможуть відстрочити необхідність переходу на комп'ютери екзотичноїархітектури. Але, на думку Хеннессі, для впровадження СМР і складнихбагатопотокових програм на масовому ринку буде потрібно чимало часу.
Він вважає, що першою метою для СМР стане ринок вбудованих процесорів.
Слейтер вважає, що ми побачимо СМР в робочих станціях і серверах, хочаможуть виникнути проблеми з смугою пропускання каналу зв'язку декількохобчислювальних ядер з пам'яттю.

Можна сміливо прогнозувати, що ще протягом багатьох років будуть з'являтисянововведення в технології виготовлення кремнієвих приладів та архітектури ЦП. До
2011 р. - якщо не раніше - на кристалі буде розміщуватися 1 млрд.транзисторів, а потужність обчислювальних пристроїв значно перевершитьбудь-які прогнози.

3. Технології в маси.

Користувачі ПК звикли до того, що рік від року обчислювальна потужністьмікропроцесорів зростає, але зараз вони стикаються з новим явищем:великою кількістю варіантів вибору. Після багатьох років проходження строго у фарватеріфірми Intel кампанії, які виготовляють мікропроцесори для ПК, випустятьвироби з небувало різноманітними наборами команд, шинними інтерфейсами іархітектурою кеша. Та й сама фірма Intel тепер представляє свої нові (іне зовсім) розробки для кожного з сегментів ринку, з майже повнимвідповідністю маркетингу автомобільних компаній. Однак у своїй гонки Intelнавмисно забуває про те, що процесори, як інструмент для виконанняпевних завдань, не настільки цілісні як автомобіль

Запаморочливі темпи розвитку мікропроцесорів, а також дволикістьринку комп'ютерних технологій (hard & soft), створило парадоксальнуситуацію, коли до зміни технологій фізичного виробництва мікрочіпів НЕготові не тільки більшість кінцевих користувачів, а й виробникипрограмного забезпечення. Сучасні ЦП володіють обчислювальною потужністюцілком достатньою для виконання будь-яких персональних завдань, крім 3D ігор івузько спеціалізованих додатків. Для пересічних користувачів цеобернулося необхідністю постійної зміни комп'ютерних комплектуючих,викликаної не їх фізичним старінням або нездатністю виконувати завданнякористувача, а лише як наслідком закону Мура.

Перспективні плани випуску процесорів

Виробник ЦП | 1999р. | 2000р. | 2001р. | 2002р. | 2003р. | 2011р. | | AMD | K7
| K7 + | | | | | | CYRIX | Jalapeno, MXi + | Jalapeno + | | | | | | IDT | C7 | C7 | |
| | | | INTEL | PIII 667 (0,18-мкм) | Willamette (> 1 ГГц), Merced (IA-64)
| McKinlee (Merced II> 1 ГГц) | Madison (Merced III) | 0,13-мкм мідь | 10ГГц,
100 млрд. операцій в сек. | |