`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Вокруг закона Мура

+33
голоса

В июле организация International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) выпустила отчет, в котором предсказывала, что транзисторы могут перестать уменьшаться всего через последующие пять лет. Однако и до этого отчета и после начали появляться публикации, в которых анализировалась удивительная справедливость закона Мура в течение более 50 лет и обсуждались подходы, позволяющие сохранить если не букву, то дух закона. Так, в журнале Nature на эту тему была опубликована обширная статья М. Митчелла Уолдропа (M. Mitchell Waldrop) More than Moore, а спустя четыре месяца на онлайновом ресурсе IEEE Spectrum – блог Рейчел Куртленд (Rachel Courtland), похожий по содержанию, но включающий ряд других интересных деталей. О чем же шла речь в этих двух публикациях.

В 1965 г. набросок, который один мог бы сделать знаменитым Гордона Мура, начинался с рассуждений о том, что можно было бы предпринять с еще новой технологией интегральных схем. Мур, который в то время был директором по исследованиям в компании Fairchild Semiconductor в Сан-Хосе, штат Калифорния, предсказал чудеса, таких как домашние компьютеры, цифровые наручные часы, автоматические автомобили и "личное портативное оборудование для связи" - мобильные телефоны. Но сердцем эссе была попытка Мура обеспечить сроки для этого будущего. В качестве меры вычислительной мощности микропроцессора, он рассмотрел транзисторы, переключатели состояний включено-выключено, которые выполняют цифровые вычисления. На основе достижений своей компании и других в предыдущие несколько лет, он оценил, что число транзисторов и других электронных компонентов на одном кристалле будет удваиваться каждый год.

Мур, который позже стал соучредителем Intel в Санта-Клара, штат Калифорния, недооценил время удвоения, и в 1975 г. он пересмотрел его в пользу более реалистичных двух лет. Но его видение было правильным. Будущее, которое он предсказывал, начало сбываться в 1970-х и 1980-х годах, с появлением потребительских товаров, оборудованных микропроцессорами, таких как ручные калькуляторы Hewlett Packard, компьютер Apple II и IBM PC. Спрос на такие продукты вскоре стал взрывоподобным, и производители начали оживленную конкуренцию, чтобы предложить все более и более производительные чипы все меньших и меньших размеров.

Это было дорого. Масштабирование требует серьезных улучшений в фотолитографии, базовой технологии для травления этих микроскопических элементов на поверхности кремния. Но уровень бума был таков, что это не имело значения: установился цикл с положительной обратной связью. Чипы были настолько универсальны, что производители могли делать лишь несколько их типов – в основном процессоры и память – и продавать их в огромных количествах. Это дало им достаточно денег, чтобы покрыть расходы на модернизацию своих производственных линий.

Вскоре, однако, стало ясно, что этот управляемый рынком цикл не мог выдержать безжалостные темпы закона Мура сам по себе. Процесс изготовления чипов становился слишком сложным, часто с наличием сотни этапов, а это означало, что следующий шаг вниз по шкале масштабов требует от сети поставщиков материалов и производителей аппаратных средств поставок необходимых обновлений в нужное время. «Если вам нужно 40 видов оборудования и только 39 будут готовы, тогда все останавливается», - говорит Кеннет Флэмм (Kenneth Flamm), экономист, изучающий компьютерную индустрию в Университете штата Техас в Остине.

Для обеспечения такой координации промышленность разработала свою первую дорожную карту. Полупроводниковая промышленность США запустила процесс планирования в 1991 г. с сотнями инженеров из различных компаний, которые работали над первым отчетом и его последующими итерациями, и с Паоло Гарджини (Paolo Gargini), тогда директором технологической стратегии Intel, в качестве председателя. В 1998 г. результатом этих усилий стала уже упомянутая выше Международная технологическая дорожная карта для полупроводников ITRS, в составлении которой приняли участие промышленные ассоциации в Европе, Японии, Тайване и Южной Корее. Идея, говорит Гарджини, заключалась в том, "что каждый будет иметь грубую оценку, куда они идут, и они могли бы поднять тревогу, если видели препятствия впереди".

И все это работало прекрасно вплоть до тех пор, пока это не остановила … тепловая смерть. Кремниевые схемы становились все меньше и все горячее. Это препятствие не было неожиданным, но удар был силен. Однако появились идеи.

ITRS предсказывает, что ведущие компании-чипмейкеры отойдут от структуры транзистора, используемой в настоящее время в высокопроизводительных чипах FinFET. Для управления током это устройство имеет затвор в форме плавника (fin), обернутый вокруг трех сторон горизонтального канала. В соответствии с дорожной картой, производители микросхем предпочтут использовать поперечный затвор, полностью окружающий устройство, которое имеет горизонтальный канал подобно FinFET, но окруженный затвором, который проходит также и под четвертой стороной. После этого транзисторы станут вертикальными с каналами в форме столбиков, или нанопроволок, стоящих на основании.

Традиционный кремниевый канал также будет заменен каналами, сделанными из альтернативных материалов, а именно, кремния-германия, германия и соединений, взятых из III и V групп периодической таблицы элементов.

Эти изменения позволят компаниям упаковать больше транзисторов на данной площади и таким образом придерживаться буквы закона Мура. Вопрос теперь в том, что будет происходить в начале 2020-х годов, когда продолжать масштабирование кремниевых схем будет уже невозможно, поскольку вступают в игру квантовые эффекты (рис. 1).

 

 Вокруг закона Мура

        Рис. 1. Кривая уменьшения длины затвора, предсказанная
        в отчете ITRS (источник: IEEE Spectrum)

Одним из возможных вариантов является принять совершенно новую парадигму – что-то вроде квантовых вычислений, которые обещают экспоненциальное ускорение для определенных типов расчетов, или нейроморфических вычислений, целью которых является моделирование обрабатывающих элементов на нейронах в головном мозге. Но ни одна из этих альтернативных парадигм пока не вышла далеко из лабораторных стен. И многие исследователи полагают, что квантовые вычисления будут давать преимущества только для нишевых приложений, а не для решения повседневных задач, на которых цифровые ЭВМ их превосходят. «Что это значит, квантовый баланс на чековой книжке?» - задается вопросом Джон Шалф (John Shalf), руководитель научных исследований по вычислениям в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, штат Калифорния.

Другой подход, который рассматривается в цифровом мире, это стремление найти "милливольтный переключатель" - материал, который мог бы работать в устройствах, по крайней мере, так же быстро, как и кремниевые собратья, но гораздо меньше генерировал бы тепло. Есть много кандидатов, начиная от графеноподобных 2D-соединений до спинтронных материалов, которые работали бы на основе спинов, а не движущихся электронов. К сожалению, здесь также все находится на этапе исследований.

Есть еще архитектурный подход: кремний, но конфигурированный в совершенно новых направлениях. Один популярный вариант – переход в 3D. Вместо травления плоских схем на поверхности кремниевой пластины строить небоскребы: укладывать множество тонких слоев кремния с микросхемами, вытравленными в каждом из них. В принципе, это должно позволить упаковать больше вычислительной мощности в том же пространстве. На практике, однако, такой подход в настоящее время используется только для микросхем памяти, которые не имеют проблемы тепла: они потребляют мощность только тогда, когда к ячейкам памяти выполняется доступ, что не так часто. Одним из примеров является конструкция Hybrid Memory Cube, стек из восьми слоев памяти, первоначально запущенный Samsung и производителем памяти Micron Technology в Бойсе, штат Айдахо. Сейчас эта конструкция рассматривается промышленным консорциумом.

Микропроцессоры являются более проблематичными: укладка слой за слоем горячих микросхем просто делает их еще более горячими. Но один из способов обойти эту проблему – отказаться от раздельной памяти и микропроцессорных чипов, а также от потрясающего количества тепла – по меньшей мере, 50% от общего количества, – которое сегодня генерируется при челночных пересылках данных туда и обратно между ними. Вместо этого интегрировать их в той же наноразмерной высотке.

Это сложно не в последнюю очередь потому, что микропроцессоры текущего поколения и микросхемы памяти настолько различны, что не могут быть сделаны на той же технологической линии; укладка их требует полной реконструкции структуры чипа. Но несколько исследовательских групп надеются это сделать. Инженер-электрик Субхасиш Митра (Subhasish Mitra) и его коллеги из Стэнфордского университета в Калифорнии разработали гибридную архитектуру с укладкой в стеки блоков памяти вместе с транзисторами, изготовленными из углеродных нанотрубок, которые также несут ток от слоя к слою. Группа считает, что ее архитектура может сократить потребление энергии до уровня менее одной тысячной от потребления стандартных чипов.

Но производители предприняли и ряд практических мер. Во-первых, они прекратили попытки повышать тактовые частоты микропроцессоров. Максимальная тактовая частота не сдвинулась с места, начиная с 2004 г. (рис. 2). Во-вторых, чтобы сохранить движение вдоль кривой производительности закона Мура, несмотря на ограничение тактовой частоты, производители переработали внутреннюю схему таким образом, чтобы каждая микросхема содержала не один процессор, или «ядро», а два, четыре или более.

 Вокруг закона Мура

Рис. 2. Кривые увеличения транзисторов на чипе и тактовой частоты
(источник: Nature)

Второй камень преткновения для закона Мура был более неожиданным, но возник примерно в то же время, что и первый: вычисления стали мобильными.

Двадцать пять лет назад вычислительная техника определялось потребностями настольных и портативных машин; суперкомпьютеры и центры обработки данных использовали в основном одни и те же микропроцессоры, просто упакованные вместе в гораздо большем количестве. Но сегодня уже не так. Сегодня все больше и больше вычислений определяется тем, что делают высокоуровневые смартфоны и планшеты, не говоря уже о смарт-часах и других носимых устройствах, а также взрывоподобным ростом числа интеллектуальных устройств во всем, от мостов до человеческого тела. И эти мобильные устройства имеют приоритеты, существенно отличающиеся от тех, которые имеют их более оседлые родственники.

Такое разделение подрывает экономический цикл с положительной обратной связью, который когда-то поддерживал справедливость закона Мура.

«Особенность старого рынка в том, чтобы сделать немного разных вещей, но продавать их в огромных количествах, - говорит Дэниел Рид (Daniel Reed), ученый и вице-президент по исследованиям в Университете штата Айова в Айова-Сити. - Новый рынок требует, чтобы вы делали много разных вещей, но продали несколько сотен тысяч штук – так что их разработка и производство должны быть очень дешевы, чтобы окупиться».

Кроме технологических проблем, встают проблемы финансовые. Каждый раз, когда масштаб уменьшается в два раза, производители нуждаются в целом новом поколении все более точных фотолитографических машин. Строительство новой линии сегодня требует инвестиций, обычно исчисляющимися многими миллиардами долларов – лишь немногие компании могут себе это позволить. И фрагментация рынка, вызванная мобильными устройствами, затрудняет окупаемость этих вложений. «Как только стоимость одного транзистора в следующем узле превышает существующую, масштабирование останавливается», - говорит Билл Боттомз (Bill Bottoms), президент Third Millennium Test Solutions, изготовителя оборудования в Санта-Клара.

Многие наблюдатели считают, что отрасль уже находится в опасной близости к этому моменту. «Я ставлю на то, что деньги кончатся прежде, чем мы убежим от физики», - говорит Рид.

Эти приоритеты и другие потребуют от исследователей много работы в ближайшие годы. Многие согласны с тем, что закон Мура подходит к концу в буквальном смысле этого слова, потому что экспоненциальный рост количества транзисторов не может продолжаться вечно. Но с точки зрения потребителя, закон Мура просто устанавливает, что пользовательская ценность удваивается каждые два года. И в таком виде закон будет действовать до тех пор, пока отрасль может начинять свои устройства  новыми функциональными возможностями.

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT