`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

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

 

Чип, который изменил мир электроники

+33
голоса

Вдохновение, как это часто бывает, пришло поздно вечером. Боб Деннард (Bob Dennard), тогда 34-летний инженер-электрик из IBM, обдумывал научную презентацию коллеги, которую он видел ранее в тот день.

Была осень 1966 г., и Деннард помогал проектировать новый тип компьютерной памяти, использующий кремниевые транзисторы. Этот подход, известный как микроэлектроника, будет противоречить традиции компьютерной индустрии — технологии хранения данных на магнитных сердечниках. Презентация, которую Деннард слушал с завистью, была сделана конкурирующей командой инженеров IBM, работающих над новыми, меньшими формами магнитного хранилища.

Тогда крупнейшие магнитные системы хранения, требующие оборудования размером с комнату, могли хранить только один мегабайт данных. Это было бы эквивалентно 500-страничной книге или около минуты из топ-40 поп-песен. Помимо громоздкости, эти системы хранения были медленными и потребляли огромное количество электроэнергии. Но теперь коллеги Деннарда описывали план уменьшения размеров магнитной памяти следующего поколения до компактного 25-сантиметрового квадрата.

Вдохновленный этим, Деннард в тот вечер задумался, может ли он разработать что-то столь же простое и элегантное — и, возможно, намного дешевле. Его подход основывался на полупроводниковой технологии, в которой используются паттерны из крошечных проводов, транзисторов и других компонентов, выгравированных в кремнии.

Чип, который изменил мир электроники

В то время разработчики кремниевых микросхем IBM боролись со сложными схемами, которые использовали бы шесть транзисторов для хранения одного бита данных. Они работали. Но они вряд ли были эффективными — и это не казалось многообещающим способом создания систем, способных хранить большие объемы данных. Но внезапно, в тот вечер в 1966 году, у Деннарда вспыхнуло озарение: можно хранить бит на одном транзисторе!

Он понял, что для этого потребуется использовать очень малое количество энергии, требующееся для многократной подзарядки конденсатора, который удерживал заряд для хранения бита. В противном случае данные вскоре будут потеряны, так как заряд утечет. Но если бы это удалось, то можно было бы достичь того же объема памяти с помощью гораздо более простой, компактной и элегантной схемы.

Исходя из этого, Боб Деннард изобрел динамическую оперативную память, или DRAM.

Проницательность Деннарда вскоре приведет к созданию микросхем DRAM с килобитами памяти. В течение следующих пяти с половиной десятилетий DRAM будет из поколения в поколение превращаться в 8-гигабитный носитель данных. Сегодня 8-гигабитные чипы DRAM можно найти во всем — от смартфонов в наших карманах до суперкомпьютеров, которые обеспечивают глобальную экономику. И уже в пути 16-гигабитная DRAM.

Мало того, что память DRAM сменила более ранние магнитные технологии. Она стала основополагающей технологией для отрасли, которая изменила человеческое общество — от того, как мы работаем, до того, как мы развлекаемся и даже до того, как мы ведем войны. Сегодня две трети человеческой популяции несут изобретение Деннарда в своем кармане — в мобильных телефонах или смартфонах, которые способны хранить фильмы, тысячи фотографий и целые музыкальные библиотеки.

Деннард начал свою карьеру в 1958 году в качестве новоиспеченного инженера-электрика со степенью доктора наук в Технологическом институте Карнеги, ныне Университета Карнеги-Меллона. Он начал работать в тогдашнем частично завершенном исследовательском центре IBM Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк.

Йорктаун-Хайтс был и остается местом работы некоторых из ведущих в мире ученых, инженеров-электриков и физиков — интеллектуальный улей, который обеспечил IBM более 139 000 патентов США.

Изобретение Деннардом DRAM в 1966 г. — не единственный его вклад в компьютерном мире. В 1972 году он задумал идею, которая имела такое же долгосрочное наследие, показывая путь вперед для всей полупроводниковой промышленности. Он набросал детальную модель для своей «теории масштабирования», теперь известной как масштабирование Деннарда (Dennard Scaling).

Теория масштабирования предсказала, что по мере того, как размеры транзисторов станут меньше, они станут более многочисленными в данном пространстве, более мощными и дешевыми, даже если энергия, потребляемая каждым чипом, останется практически постоянной.

С каждым последующим поколением число транзисторов, которые могли бы поместиться в заданном пространстве, удваивалось, поскольку рабочая частота, известная как тактовая частота, увеличивалась на 40%.

Другими словами, поскольку все больше и больше транзисторов могут быть упакованы во все меньшие пространства, сами компьютеры станут быстрее и дешевле.

Под этим простым набором принципов подразумевалась не только замечательная экономия масштаба, но и целая бизнес-экосистема. Со времени их публикации в 1974 году полупроводниковая индустрия двигалась вперед, руководствуясь твердой верой в масштабирование Деннарда, желая инвестировать сотни миллиардов долларов в прорывы, которые привели к поразительному техническому прогрессу.

Компании и целые отрасли промышленности смогли составлять карту своего будущего, исходя из предположения, что каждые несколько лет будут доступны новые и все более мощные чипы памяти и логики.

Мир был впервые предупрежден о значении масштабирования Дугласом Энгельбартом в 1959 году в документе, представленном на технической конференции в Филадельфии. Энгельбарт, в то время работавший в Стэнфордском исследовательском институте, понял, что уменьшение размеров транзисторов в системах на основе кремния приведет к созданию все более мощных вычислительных систем.

В аудитории для презентации Энгельбарта сидел Гордон Мур, тогда 30-летний химик, который двумя годами ранее помогал ему в создании Fairchild Semiconductor Corporation. В 1965 году Мур в своей статье в журнале «Электроника» отметил, что полупроводниковая индустрия «набивает больше компонентов на интегральные схемы» с удивительной скоростью, удваивая число транзисторов, которые могут быть вытравлены на кремниевом чипе, через равные промежутки времени — примерно каждые два года.

Вскоре после этого физик Калифорнийского технологического института Карвер Мид (Carver Mead) назвал это явление «Законом Мура». Как раз в это время он приступил к разработке новых методологий проектирования, которые позволили бы создавать вычислительные микросхемы с сотнями тысяч компонентов. Микросхемы этой эпохи известны как СБИС, или сверхбольшие интегральные схемы (Very Large Scale Integration, или VLSI, в английском оригинале).

Однако именно Деннард изложил математику и физику, лежащие в основе закона Мура, и предоставил отрасли повестку дня, которую сотрудник IBM Биджан Давари (Bijan Davari) описывает как «золотой век» масштабирования, пришедшийся на начало 21-го века.

«За этот период частота микропроцессора увеличилась в 1000 раз», — сказал Давари. Это, в свою очередь, создало благотворную положительную обратную связь, поскольку увеличение объема памяти и увеличение скорости вычислений сделали возможными новые программные приложения, что, в свою очередь, создало новые требования к вычислительной мощности.

Помимо своих изобретений и своих теорий, Деннард оставит свой след в IBM, прививая культуру инноваций в исследовательском подразделении компании. Томас Дж. Уотсон-младший (Thomas J. Watson Jr.), который руководил компанией с начала 1950-х до начала 1970-х годов, называл таких сотрудников, как Деннард, «дикими утками», или людьми, которые отказывались «летать в строю».

Расс Ланге (Russ Lange), сотрудник IBM и бывший вице-президент по технологиям IBM, много лет работавший с Деннардом, сказал, что его инстинкты дикой утки означали, что ни одна проблема не будет непреодолимой.

Сегодня в IBM и везде, где исследователи продолжают расширять границы компьютерных технологий, эти качества важнее, чем когда-либо. Потому что несмотря на многолетнюю верность основной теории Деннарда, золотой век масштабирования уже позади.

Во-первых, примерно в 2006 году скорость компьютера перестала расти. Транзисторы приближались к таким микроскопическим размерам, что утечка электрического тока становилась проблемой. Обходные пути включали в себя множество технических достижений, в том числе новые типы изоляционных материалов, которые минимизируют утечку тока, и архитектуру трехмерных чипов для увеличения плотности.

Однако в последнее время стоимость транзисторов перестала падать. Это в основном произошло из-за необходимости огромных инвестиций — более 20 млрд. долл. — для создания кремниевых литейных цехов, способных производить чипы с характеристиками 10 нм и меньше.

Другими словами, виртуозный цикл, состоящий из более быстрых и более дешевых чипов, замедлился до виртуального ползания.

Эти разработки вновь обрели ценность благодаря человеческому вдохновению и изобретательности. Например, физические ограничения полупроводников являются одной из причин того, что IBM занялась квантовыми вычислениями, чтобы помочь решить некоторые из наиболее специализированных задач обработки информации в ближайшие годы.

26 ноября — не пропустите Dell Technologies Forum EMEA!

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Умели американцы организовывать инкубаторы с мозгами.

Почему умели? И сейчас умеют. :)

 

Slack подает жалобу на Microsoft и требует антимонопольного расследования от ЕС

 
Реклама

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