от 18 до 24 месяцев

Проанализировав характер развития микроэлектронных технологий, инженер сделал вывод, известный сегодня как закон Мура - производительность процессоров при неизменной стоимости также будет удваиваться каждые полтора-два года. Закон Мура работает уже свыше 30 лет. Первую проверку он прошел в 1969 году, когда компания Intel, одним из основателей которой был сам Мур, оснастила выпускаемый одной из японских корпораций калькулятор своим первым четырехразрядным процессором 4004, работавшим с тактовой частотой 104 КГц. Закон Мура не утратил своей силы и сегодня, после выпуска компанией Intel 32-разрядного 450-мегагерцевого процессора Pentium II. В этом микропроцессоре 7,5 млн. транзисторов, а его быстродействие в 233 тыс. раз превышает производительность Intel 4004, в котором было 2300 транзисторов.

Представители Intel заявили, что в 2001 году на рынке появится процессор, состоящий из 100 млн. транзисторов, а к 2011 году их количество увеличится еще на порядок, что позволит довести быстродействие до 100 тыс. MIPS.

Безусловно, столь быстрый прогресс может вызвать у пользователей только оптимизм. Но как долго эта тенденция может сохраняться?

Один ум - хорошо, а два - лучше

  
Пользователей, как правило, мало беспокоит число транзисторов в микропроцессорах, их тактовая частота и даже производительность, измеренная в MIPS. Их интересует лишь то, насколько хорошо купленный компьютер сможет справиться с поставленными перед ним задачами.

Многие современные микропроцессоры обладают суперскалярной архитектурой и выполняют одновременно сразу по несколько команд. Процессор Intel Pentium II, который способен за один цикл обработать до пяти инструкций, просматривает несколько последующих команд и предсказывает переходы внутри программы. Анализируя код программы, процессор определяет наиболее вероятный порядок выполнения команд. Некоторые инструкции обрабатываются «спекулятивно» - то есть еще до того, как до них дойдет очередь, а результаты хранятся по крайней мере до уточнения достоверности предсказанного перехода.

Однако со временем эффективность подобных решений снижается, поскольку схемы, управляющие столь сложными процессами, занимают все большую площадь процессора.

Сегодня разработчики возвращаются к давно известной концепции сверхдлинных команд (very long instruction word, VLIW). Именно на ее базе построен 64-разрядный микропроцессор Merced, представитель семейства Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC), проектируемого совместно компаниями Intel и Hewlett-Packard. Архитектура VLIW возлагает задачу определения возможности параллельного выполнения кода на компилятор и, отчасти, на программистов, освобождая тем самым процессор от дополнительной нагрузки.

«В то же время технология VLIW таит в себе ряд подводных камней, - отметил Джон Шен, работающий в Университете Карнеги - Меллона. - Авторы проекта Merced рассчитывают, что перенос нагрузки на компилятор позволит сделать аппаратные средства очень быстрыми и ясными. Однако опыт показывает, что со сложностью программного обеспечения гораздо труднее управиться, чем со сложностью аппаратуры, а на создание нового компилятора уходит больше времени, чем на выпуск нового процессора».

Старший вице-президент Intel Алберт Ю не стал вдаваться в особенности архитектуры EPIC, но заявил, что наклеивание на эти процессоры ярлыка VLIW следует считать неправильной интерпретацией информации, обнародованной корпорацией. В то же время он заметил, что нагрузка на компиляторы действительно увеличится.

Брюс Шрайвер, один из соавторов книги «Анатомия высокопроизводительного микропроцессора» (The Anatomy of a High-Performance Microprocessor), считает, что усовершенствованный алгоритм предсказания переходов позволит суперскалярным процессорам обрабатывать одновременно 12 и даже более инструкций, что как минимум в два раза превышает сегодняшние показатели. В новых же компиляторах будут применяться улучшенные методы оптимизации кода, обеспечивающие повышение эффективности выполнения программ.

- Гэри Антес

  
Десятилетиями обозреватели предупреждали, что экспоненциальный рост производительности процессоров должен вот-вот замедлиться, сегодня большинство экспертов сходятся в том, что закон Мура не потеряет своей силы по крайней мере еще 10 лет. Однако он может вступить в противоречие с еще двумя «сводами» законов: законами физики и экономики. По мере увеличения плотности размещения элементов на кремниевой подложке экспоненциально возрастает и сложность проблем, которые приходится решать разработчикам.

В 1997 году Ассоциация полупроводниковой индустрии (Semiconductor Industry Association, SIA) опубликовала отчет Technology Roadmap, в котором утверждается, что, после того как размер элемента микросхемы, составляющий сегодня приблизительно 250 нанометров (одна миллиардная метра), уменьшится до 100 нм (а это при существующих сегодня темпах произойдет в 2006 году, то есть через четыре открытых Муром цикла), производителям придется столкнуться с очень серьезными трудностями.

Сто нанометров - это тот барьер, который при использовании современных технологий производства крайне сложно преодолеть. И это не единственная неприятность, ожидающая разработчиков. В 1994 году, сразу после выпуска новейшего тогда процессора Pentuim, корпорации Intel пришлось продвигать его на рынок под ожесточенным огнем критики, что обошлось компании в 475 млн. долл.

Современные процессоры настолько сложны, что гарантировать их безошибочную работу практически невозможно. Все чаще производители микросхем не доводят до конца процесс их тестирования, полагаясь лишь на достаточно высокую вероятность правильной работы, определяемую с помощью статистических методов. Те же самые методы используются и при тестировании сложного программного обеспечения (например, операционных систем). Однако пользователи, готовые многое простить любимым программам, совершенно нетерпимо относятся к аппаратным ошибкам.

При нынешних темпах совершенствования тестового оборудования доля исправных микросхем к 2012 году снизится с сегодняшних 90% до неприемлемых 52%. А стоимость тестирования превысит стоимость собственно производства, предупреждает SIA.

Производители процессоров всячески стремятся усовершенствовать методы тестирования - и при этом крайне неохотно обсуждают данную тему. Ведь именно качество тестового оборудования уже в ближайшей перспективе будет определять их конкурентоспособность.

Хотя стоимость микросхем в пересчете на один транзистор продолжает стремительно падать, а производительность столь же быстрыми темпами увеличиваться, за этим процессом скрываются факты, которые не могут не тревожить разработчиков: строительство завода по производству процессоров обходится сегодня в 2 млрд. долл., а при приближении размеров элементов к рубежу 100 нм эта величина будет составлять уже 10 млрд. долл., что превышает затраты на возведение атомной электростанции. Показательно, что эксперты SIA уже не считают главной целью для разработчиков максимальный рост технических показателей - приемлем лишь экономически оправданный рост.

«Нехватка средств серьезно замедляет дальнейшее техническое развитие, - подчеркнул Джеймс Клеменс, руководитель исследований в области технологий СБИС в лабораториях Bell Laboratories, научного подразделения корпорации Lucent Technologies. - Основным препятствием на пути создания интегральных схем с элементами, имеющими размеры менее 100 нм, станут не технологические трудности, а ограничения, обусловленные финансовыми и социальными факторами».

Транзисторы втравливаются в кремний путем оптической литографии - процесса, при котором под воздействием ультрафиолетовых лучей, пропускаемых через маску, на химически чувствительной поверхности образуется нужный контур. Традиционный подход, применяемый в настоящее время при изготовлении элементов размером 250 нм, позволяет уменьшить их величину до 130 нм. На таком отрезке (он в 1000 раз короче диаметра человеческого волоса) можно разместить всего 400 атомов. Однако при дальнейшей миниатюризации длина световой волны превысит размер элемента. Поэтому для организации производства таких микросхем потребуются принципиально новые методы.

Консорциум, возглавляемый корпорацией Intel, работает над переносом литографии в крайнюю область ультрафиолетового спектра. Применение инертного ксенона позволит уменьшить длину волны до 10 нм. Метод использования рентгеновских лучей, предложенный компанией IBM, даст возможность получить волну длиной всего 5 нм. Корпорация Lucent разрабатывает собственную технологию литографии, в которой применяются электронные пучки. Эти и другие решения крайне сложны, дорогостоящи и еще не доказали свою жизнеспособность на практике.

Дальнейшее увеличение быстродействия потребует поиска новых путей в конструировании и производстве, но в то же время необходимо отметить, что одно из основных препятствий на пути повышения производительности процессоров не связано напрямую с совершенствованием их конструкции. Роль сдерживающих факторов будут играть материнские платы, микросхемы, обеспечивающие обмен данными между процессором и кэш-памятью, графические порты и другие компоненты архитектуры современных компьютеров.

«Все эти элементы не поспевают за стремительным ростом тактовой частоты процессоров, - подчеркнул Брюс Шрайвер, профессор норвежского Университета Тромсо. - До тех пор пока производителям не удастся наладить выпуск новых внешних компонентов одновременно с выпуском новых процессоров, эти устройства будут ограничивать общую производительность системы».

Впрочем, не все специалисты разделяют это мнение.

«Шрайвер чересчур много внимания уделяет временным трудностям, которые по мере развития технологий исчезнут сами собой, - заявил генеральный менеджер подразделения микропроцессоров корпорации Intel Алберт Ю. - После интеграции внешних компонентов (например, кэш-памяти) в сами процессоры отпадет как необходимость выравнивания тактовой частоты, так и потребность в связующей шине».

За последние месяцы несколько американских исследовательских лабораторий сделали целый ряд многообещающих заявлений.

  • В сентябре корпорация IBM приступила к выпуску нового микропроцессора PowerPC, работающего с тактовой частотой 400 МГц. В этом процессоре вместо традиционных алюминиевых применяются медные проводники. В результате производство стало дешевле, расстояния между элементами уменьшились, а быстродействие возросло.
  • Разработчики IBM объявили об увеличении на 25-35% скорости переключения транзисторов за счет размещения изолирующего слоя диоксида кремния - так называемого «кремния на изоляторе» (silicon-on-insulator) между самим транзистором и кремниевой подложкой. Технология, с помощью которой удалось практически ликвидировать искажения сигнала и рассеяние мощности, в состоянии обеспечить уменьшение размеров элементов до 50 нм.
  • В феврале группа аспирантов Университета штата Техас, выполнявших задание консорциума Sematech, разработала метод печати, с помощью которого на полупроводниковой подложке можно размещать элементы размером 80 нм (в три раза меньше сегодняшних). Такие крошечные элементы создаются при помощи обычного ультрафиолетового излучения. Этого удалось достичь за счет применения специальной кварцевой маски, разработанной в компании DuPont Photomasks.

Конечно, ни одно из этих изобретений в отдельности не сможет продлить действие закона Мура еще на десять лет. Но из их совокупности как раз и складывается фундамент, обеспечивающий этому закону столь продолжительную жизнь.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями