Когда заходит речь о полупроводниковых технологиях и современных интегральных микросхемах, часто упоминают закон Мура, который в настоящее время является своеобразным хронометром полупроводниковой технологии. В этой статье мы рассмотрим, в чем суть закона Мура, а также поговорим о важных следствиях и приложениях этого гениального предсказания.
се началось в 1965 году, то есть всего через шесть лет после изобретения первой интегральной схемы (ИС) и за три года до того, как Гордон Мур (Gordon E. Moore) стал одним из основателей корпорации Intel. В то далекое время технология производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, директором исследовательской лаборатории полупроводников корпорации Fairchild Camera and Instrument Corp (Research and Development Laboratories, Fairchild Semiconductor division of Fairchild Camera and Instrument Corp), завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. Конечно, по сегодняшним меркам, когда в одной микросхеме насчитывается несколько десятков миллионов транзисторов, 60 транзисторов кажется ничтожно малой величиной, но не будем забывать, что речь идет о становлении интегральной электроники.
По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания (Electronics, Vol. 38, № 8, Apr. 19, 1965). В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз на ближайшие десять лет стал преамбулой ко всей статье.
Фактически по прогнозу Мура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.
Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы на их основе будут все дешевле, мощнее и доступнее. Из этого следовало, что изменится электронная отрасль в целом.
Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).
До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура», и оно прижилось.
Конечно, в буквальном смысле предсказание Мура законом не является хотя бы потому, что оно не отражает природных закономерностей и не является следствием фундаментальных законов физики. Фундаментальные законы природы, такие как закон гравитации, который выражается формулой Ньютона, или законы электромагнитного поля, описываемые уравнениями Максвелла, объективны по своей природе и существуют независимо от наших знаний о них. Поэтому, говоря о законе Мура, следует еще раз подчеркнуть, что речь идет лишь об эмпирическом правиле или предсказании.
В настоящее время термин «закон Мура» применяется также для описания следствий экспоненциального возрастания плотности размещения транзисторов в пределах одной микросхемы. О каких же следствиях закона Мура идет речь?
Следствия закона Мура
отя в законе Мура говорится лишь об экспоненциальном возрастании числа транзисторов на одной микросхеме, сводить все к одному этому утверждению было бы неверно. Точнее, сам факт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения их размеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говорить просто о количестве транзисторов в одной микросхеме, то со времени 30-транзисторных компонентов 1965 года это количество возросло на много порядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i486 содержал 1,4 млн. транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн. транзисторов в одном кристалле. Скоро технология производства интегральных микросхем позволит увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно.
Однако сколь впечатляющим ни был бы рост количества элементов - это только частность. Мощь и уникальность полупроводниковых компонентов состоит в том, что одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых - скорость и производительность. Так, процессор i486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеют тактовые частоты уже более 3 ГГц. Будущий процессор с миллиардом транзисторов, как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц.
Посмотрим на этот вопрос с другой стороны: в начале 1990-х годов для того, чтобы увеличить тактовую частоту i486 с 25 МГц до 50 МГц, понадобилось три года. Сегодня разработчики Intel наращивают тактовую частоту со скоростью 25 МГц в неделю. Главный директор Intel по технологиям Патрик Гелсингер заявил, что уже через несколько лет Intel планирует наращивать частоту процессоров со скоростью 25 МГц в день. Среди других характеристик, которые улучшаются благодаря закону Мура, - уровень интеграции, размеры, функциональные возможности, эффективность энергопотребления и надежность.
Еще одним немаловажным следствием закона Мура являются экспоненциальное падение цен в расчете на один транзистор и соответственно непрерывный рост покупательной способности.
Когда Гордон Мур впервые сформулировал свой закон, себестоимость одного транзистора составляла около 5 долл. Сегодня за 1 долл. можно приобрести 1 млн. транзисторов. Тот факт, что это стало возможным, является прямым следствием закона Мура: быстрое снижение себестоимости приводит к экспоненциальному росту экономической эффективности.
Заглядывая в будущее
а Форуме Intel для разработчиков, прошедшем весной прошлого года, главный технический директор корпорации Intel Гелсингер заявил: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закона Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области».
Первоначально прогноз Мура был просто наблюдением за тем, как развивается индустрия микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Однако через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. Однако, несмотря на то, что закон Мура оправдывает себя вот уже в течение почти что сорока лет, многие довольно скептически относятся к тому, что он будет действовать и в дальнейшем.
С приводимыми ими доводами трудно не согласиться. Действительно, уже сейчас микросхемы производятся по 0,13-микронному технологическому процессу, а толщина затвора транзистора составляет всего 60 нм. Но ведь не может же уменьшение размеров транзисторов происходить до бесконечности, хотя бы в силу дискретности самой природы! Вопрос ставится так: а что будет, когда размеры затворов транзисторов достигнут атомарных слоев? Вопрос, конечно, интересный, но ответить на него в ближайшее десятилетие вряд ли кто-нибудь сможет. Впрочем, до атомарных размеров транзисторов еще далеко. Если же говорить о перспективе дальнейшего совершенствования полупроводниковой электроники в соответствии с законом Мура на ближайшие лет тридцать, то можно утверждать, что предсказанное экспоненциальное возрастание числа транзисторов на одной микросхеме сохранится.
На весеннем Форуме Intel для разработчиков главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер поделился своими соображениями в отношении закона Мура: «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура? Сколько мы еще сможем пользоваться его плодами? В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в один микрон. В 90-е годы перед нами уже стояла задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующей четверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».
Итак, в корпорации Intel считают, что в обозримой перспективе закон Мура продолжит действовать. Впрочем, чтобы сохранить экспоненциальный рост числа транзисторов на одной микросхеме завтра, необходимо уже сегодня задумываться о новых технологиях.
Соблюдение закона Мура и реализация его предсказаний требует снижения проектной нормы - уменьшения номинального размера элементов, из которых состоит интегральная схема. За последнее десятилетие корпорация Intel уменьшила проектную норму на порядок - с одного микрона (примерно одной сотой толщины человеческого волоса) до менее чем 100 нанометров (нм), то есть до уровня, отвечающего нанотехнологиям. В предстоящее десятилетие проектная норма технологических процессов вплотную подойдет к физическим пределам, обусловленным атомной структурой, что приведет к новым проблемам, связанным с энергопотреблением, тепловыделением и поведением атомных частиц. Компания Intel уже продемонстрировала транзисторы, содержащие элементы толщиной всего в три атома.
Чтобы продолжить действие закона Мура, исследователи Intel активно занимаются поиском и устранением различных барьеров, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров элементов. Так, если сегодня для нанесения сложнейших рисунков, формирующих электронные схемы на полупроводниковой пластине, используется 130-нм литографическая технология, позволяющая получать транзисторы с длиной затвора 60 нм и шесть слоев медных соединений, то уже в этом году в массовое производство будет внедрен новый 90-нанометровый технологический процесс. Новый технологический процесс, представленный корпорацией Intel в августе минувшего года, предусматривает использование семи слоев медных соединений и включает целый ряд уникальных технологий. Во-первых, в нем применяются самые маленькие в мире серийно производимые КМОП-транзисторы с длиной затвора всего 50 нм. Во-вторых, это самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо применявшихся в производстве - его толщина составляет 1,2 нм (менее пяти атомных слоев).
Несколько позже будет внедрена в массовое производство революционная литографическая технология, находящаяся сегодня на стадии разработки. Известно, что возможности сегодняшней литографии уже практически исчерпали себя. Действительно, литография это процесс, при котором лазер световым пучком выжигает на пластине проводники для будущего процессора, при этом луч надо очень точно сфокусировать. Проводники в процессорах становятся все тоньше, и, чтобы точно вырезать тонкие проводники, длина волны луча света должна быть в несколько раз меньше ширины проводника. Стало быть, длина волны света постепенно уходит из видимого диапазона и перемещается в диапазон более коротких ультрафиолетовых волн. Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet - сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения, что позволяет формировать рисунки с толщиной линий менее 50 нм. Здесь главная сложность заключается в том, что ультрафиолетовый свет поглощается стеклом, и никакие линзы и призмы для его точной фокусировки уже не годятся необходимы совершенно новая техника и технология.
В 2001 году компания Intel представила первые фотомаски стандартного отраслевого формата для EUV-литографии. С помощью разработанного ею процесса формирования рисунка удалось получить линии шириной на 30% меньше, чем для самых совершенных масок, применяемых сегодня в производстве. Корпорация Intel планирует выпустить первые процессоры с использованием EUV-технологии во второй половине нынешнего десятилетия.
Описанные новые технологии относятся к ближайшему будущему, однако уже сейчас разрабатываются технологии, рассчитанные и на более далекую перспективу. Так, в июне 2001 года корпорация Intel объявила, что ее специалисты разработали транзисторы, содержащие структуры размером всего 20 нм. Эти новые транзисторы имеют на 30% меньшие размеры и на 25% большее быстродействие, чем созданные всего годом ранее. К концу того же года Intel преодолела еще один рубеж, изготовив самые маленькие в мире транзисторы с длиной затвора 15 нм. Именно такие крошечные транзисторы потребуются для серийных процессоров к концу текущего десятилетия.
По мере уменьшения размеров транзисторов, увеличения плотности их размещения на подложке и повышения быстродействия компонентов потенциальными ограничительными факторами для реализации закона Мура могут стать энергопотребление и тепловыделение. Чтобы решить проблему тепловыделения, специалисты Intel исследуют как новые структуры, например транзисторы с тремя затворами, так и новые материалы, в частности напряженный кремний, позволяющие увеличить производительность при одновременном повышении эффективности использования энергии. Возможно, лучший пример - это представленный Intel в ноябре 2001 года транзистор с рабочей частотой 1 терагерц.
Этот ключевой проект корпорации направлен на создание микроскопических «переключателей», которые меньше и быстрее существующих. В основе терагерцевого транзистора лежит несколько совершенно новых технологий. Первая - это новый диэлектрический материал с гораздо более высокими изолирующими свойствами (c более высокой диэлектрической проницаемостью); вторая - затворы, с помощью которых снижается ток утечки. Разработанные для этого нового транзистора элементы конструкции планируется использовать в серийной продукции Intel во второй половине текущего десятилетия.
Еще одной перспективной технологией, позволяющей устранить ограничения по росту тактовой частоты современных микросхем, является новая технология изготовления корпусов. В современных микросхемах полупроводниковые кристаллы соединяют с корпусом с помощью крошечных шариков припоя, обеспечивающих механическое крепление и электрическое соединение кристалла с корпусом. В результате экспоненциального роста частоты будущих процессоров эффективность шариковых соединений, толщина корпуса и количество точек соединения превращаются в серьезную проблему. В октябре 2001 года корпорация Intel представила новаторскую технологию изготовления корпусов, получившую название Bumpless Build-up Layer (BBUL), которая позволяет избавиться от шариковых соединений, наращивая корпус вокруг полупроводникового кристалла. Новая технология не только в несколько раз уменьшает размеры «упакованного» микропроцессора, но и существенно улучшает его индуктивные свойства. Этот метод позволяет уменьшить толщину корпуса и снизить рабочее напряжение процессора. Технология начнет активно применяться во второй половине этого десятилетия.
Еще одна серьезная проблема, препятствующая экспоненциальному росту тактовой частоты процессоров и соответственно закону Мура, - это проблема тепловыделения. Ее решению уделяется немало внимания уже сейчас. Действительно, давайте посмотрим, к чему приводит перспектива экспоненциального роста тактовой частоты.
В соответствии с законом Мура в 2010 году следует ожидать появления микропроцессора с тактовой частотой 30 ГГц и размером проводников 10 нм или меньше. Но, как следует из законов физики, чем больше транзисторов в процессоре и чем больше его тактовая частота, тем больший ток он потребляет. А с ростом потребляемого тока увеличивается и тепловыделение. С 1970-го по 1990 год плотность выделяемой мощности, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр, оставалась в пределах нескольких единиц, а к 2000 году достигла 10. Если выстроить прогнозируемую кривую до 2010 года, то в 2003-2004 годах этот показатель должен достичь 100 (что соответствует энерговыделению в ядерном реакторе), к 2008 году - 1000 (примерно как в соплах ракеты), а после 2010 года - 10 000 (лишь немного холоднее, чем на поверхности Солнца). Итак, совершенно очевидно, что без решения проблемы снижения энергопотребления дальнейший рост тактовой частоты процессоров просто невозможен.
Распространение закона Мура
сследователи Intel расширяют зону действия закона Мура, выявляя и активно разрабатывая полупроводниковые технологии, выходящие за рамки производства транзисторов и наращивания производительности. Поскольку количество транзисторов в полупроводниковых компонентах удваивается каждые два года, вместе с этим растут и возможности по повышению сложности компонентов и интеграции в них различных устройств. Такое сочетание - количество элементов, сложность и конвергенция - позволяет распространить действие закона Мура на самые разные сферы. Речь идет о беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также об оптических технологиях.
Беспроводные технологии
Беспроводные технологии корпорация Intel развивает под лозунгом «Radio Free Intel». Суть этой концепции состоит в том, что технологии беспроводной передачи данных становятся настолько универсальными и недорогими, что их вполне можно интегрировать практически во все электронные устройства. Для реализации этого плана в Intel разработано множество технологий.
До изобретения цифровой обработки радиосистемы строились полностью на аналоговых схемах. По мере освоения преимуществ, которые дает КМОП-технология в плане стоимости и размеров деталей, увеличивалась и роль цифровой обработки сигнала (DSP) в конструкции коммуникационных систем.
До недавнего времени в высокочастотных беспроводных коммуникационных системах для получения необходимой производительности аналоговых схем входного каскада использовались технологические процессы на основе арсенида галлия и другие аналогичные технологии. Несмотря на то что эти технологии обеспечивают функциональную производительность, необходимую для сегодняшних радиосистем, они все же не способны дать те показатели стоимости и масштабируемости, которые предоставляет стандартная КМОП-технология и которые диктует закон Мура. Увеличение скорости переключения транзисторов, которое происходит в результате уменьшения геометрии конструкций, разрабатываемых на основе КМОП, делает возможным проектирование аналоговых схем, работающих на очень высоких частотах, с очень хорошими коэффициентами передачи и параметрами линейности. Эти новые возможности позволят масштабировать конструкции аналоговых схем в соответствии с цифровыми возможностями, предсказанными Муром.
Исследования специалистов лабораторий Intel направлены на решение проблем, которые связаны с использованием технологии производства, оптимизированной под транзисторы с цифровым переключением и низким напряжением питания, а также под синтез аналоговых ВЧ-схем. В целях облегчения разработки и быстрого развертывания новых радиосистем специалисты лабораторий Intel работают над определением перепрограммируемой цифровой коммуникационной платформы с переменной конфигурацией. В платформе этой разработки будут использоваться мощные процессоры, различные методики цифровой обработки сигнала и высокоскоростные цифровые логические схемы, способные обеспечить передачу данных со скоростью свыше 100 Мбит/с. В целях поддержки различных протоколов беспроводной связи конфигурация этой платформы будет переменной. Например, масштабируемость указанной платформы позволит использовать ее в стандарте 802.11а или для запуска экспериментальных приложений нового стандарта Ultra Wide Band (UWB), работающих на скорости свыше 100 Мбит/с.
Исследователи Intel создают интегрированные в кристаллы интеллектуальные радиосхемы со встроенными перенастраиваемыми блоками подключения к беспроводным сетям, которые обеспечивают постоянное соединение, а также возможность автоматического и прозрачного переключения между проводными и беспроводными сетями.
В качестве одной из технологий, позволяющих реализовать радиосистемы на основе КМОП, являются микроэлектромеханические системы MEMS (Micro-Electro Mechanical System).
Микроэлектромеханические системы представляют собой механические структуры, выполненные на кремниевой основе с использованием технологий, аналогичных тем, которые применяются при производстве полупроводников. Технология производства микроэлектромеханических систем позволяет объединять на одном кристалле механические и электронные компоненты. Благодаря MEMS-технологиям в настоящее время могут быть созданы совершенно новые микросистемы, которые, обладая большим числом функциональных возможностей, займут гораздо меньше места. Микроэлектромеханические устройства представляют собой чипы, в состав которых входят механические элементы, способные совершать движения. Движение управляется напряжением или током, подающимся на кремниевый кристалл.
Микроэлектромеханические MEMS-системы являются первыми кандидатами для применения в области беспроводных коммуникаций. На базе MEMS-технологий возможно создание гибких компонентов беспроводных устройств, обладающих меньшими размерами и обеспечивающих более высокую производительность и более тесную интеграцию с пассивными радиоэлементами, применяемыми в беспроводных устройствах. Пассивные компоненты радиоустройств, такие как катушки индуктивности и кварцевые резонаторы, по-прежнему занимают много места. Из-за их аналоговой природы не произошло такого снижения стоимости и уменьшения размера, как у цифровых компонентов. Благодаря применению кремниевой MEMS-технологии возможно миниатюризировать эти пассивные компоненты и создать гибридные электронно-механические устройства, в которых пассивные и активные элементы изготовлены в рамках одного и того же компонента. В качестве примеров компонентов, выполненных с использованием MEMS-технологии, можно привести радиокоммутационные устройства, резонаторы, фильтры и варакторы. Кроме пассивных электронных компонентов, MEMS-технология применяется для производства сверхмаломощных бистабильных цветных дисплеев, очень чувствительных направленных микрофонов и интеллектуальных антенн. Сочетание электронных компонентов с микроскопическими механическими движущимися частями позволяет применить принципы закона Мура, повышая уровень интеграции и сокращая стоимость всей радиосистемы в целом.
Сенсорные сети
Другая сфера, на которую Intel планирует распространить действие закона Мура, это сенсорные сети. Сенсоры - это устройства, сочетающие в себе сразу три функции: измерительную, вычислительную и коммуникационную. Самонастраивающиеся сети сенсоров, соединяющие достижения полупроводниковых технологий с результатами исследований в области самоорганизующихся сетей, могут содержать тысячи сенсорных устройств, связывающихся между собой и обменивающихся информацией через беспроводные каналы. Будучи рассеянными на достаточно большой площади, они могут находиться в спящем состоянии и не потреблять энергии, если в них нет нужды. Когда же они оказываются востребованы, сенсоры просыпаются, самоорганизуются оптимальным образом в сеть и передают информацию по цепи - от каждого к каждому. Заставить сенсоры работать так, как это требуется, совсем непросто. Туда следует загрузить сложные алгоритмы, с помощью которых сенсор сможет определять, где находится ближайший сосед, и связываться с ним. В зависимости от ситуации они могут выбирать различные пути для передачи информации и разные информационные параметры.
Сенсорные сети могут применяться в самых разнообразных приложениях, включая недавно появившиеся системы мониторинга природных сообществ. Такая сеть, например, помогает орнитологам, изучающим гнездовья буревестника Лича на острове Грейт Дак в штате Мэн, получать важнейшие данные без присутствия человека.
Фотоника
Третье направление, на которое распространяет свое действие закон Мура, - это фотоника, или коммуникационные технологии на основе световых волн. В обычном компьютере и традиционном телефоне информация переносится посредством электрических сигналов, однако сей «информационный ресурс» имеет пределы. С каждым днем информационный поток нарастает, и сети на основе медного кабеля уже не справляются с такой нагрузкой. Телекоммуникационная отрасль в ответ на рост Интернет-трафика обратилась к оптоволоконным технологиям.
Передача информации, осуществляемая с помощью света, происходит обычно через волоконно-оптический кабель. Основное преимущество такого кабеля состоит в том, что в настоящее время можно передавать свет на очень большие расстояния, практически без потерь в мощности сигнала.
Еще одно достоинство волоконно-оптического кабеля заключается в возможности передачи сразу нескольких сигналов с разными длинами волн через единственный оптоволоконный кабель. Эта технология получила название Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) - плотное мультиплексирование по длине волны. С момента появления первых DWDM-систем в середине 1990-х годов количество каналов, передаваемых по одному волокну, увеличилось с 16 и менее до более чем 40. Сегодня удается передавать на большие расстояния несколько каналов по 10 Гбит/с каждый. Сочетание более высокоскоростных каналов передачи и возможностей технологии DWDM в будущем позволит телекоммуникационным компаниям передавать по одному оптоволокну триллион бит в секунду - это величина, превосходящая весь нынешний трафик Интернета.
Сегодня типичная оптическая сеть сегодня состоит из множества компонентов: лазерного источника или передатчика света, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптического сигнала, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты громоздки и зачастую собираются вручную, что обусловливает их высокую стоимость.
Задача полупроводниковой фотоники - поиск путей использования полупроводниковых компонентов и стандартных полупроводниковых технологий для создания оптических устройств. Идея состоит в том, чтобы создавать оптические конструктивные блоки, выполняющие активные функции, а не просто пассивные волноводы. Такие крошечные полупроводниковые конструктивные блоки в будущем можно будет устанавливать в оптические модули, снижая их цены и габариты.
В центре этих исследований - принципиально новый подход, позволяющий управлять оптическими сигналами в динамическом режиме без использования движущихся частей. Среди устройств, которые могут возникнуть в результате этих исследований, - оптические фильтры, быстродействующие коммутаторы и сверхскоростные оптические модуляторы. В рамках этих исследований удалось создать целый ряд функциональных оптических устройств исключительно на полупроводниковой основе. Среди этих устройств перестраиваемый оптический фильтр, который Intel продемонстрировала на конференции Форума Intel для разработчиков в прошлом году. Этот фильтр шириной в несколько микрон и длиной в пару миллиметров позволяет разделять по длинам волн сигналы в спектре DWDM. Его малые размеры подчеркивают потенциальную важность такого рода полупроводниковых фотоэлектронных устройств. Однако существует фундаментальный предел, связанный с природой света, который не позволяет сократить размеры этих устройств до уровня ниже нескольких микрон. Создание полупроводниковых оптических устройств действительно позволяет интегрировать различные оптические функции в значительно более компактных устройствах, чем существующие сегодня. Кроме того, применение полупроводников в сочетании со стандартными технологиями изготовления и сборки интегральных схем позволит создавать новые недорогие технологии корпусирования и сборки. Все это определяет реальные возможности и эффективность полупроводниковой фотоники независимо от конкретных устройств и приложений.
В статье были использованы материалы Форума Intel для разработчиков (IDF Spring 2002).
Вспомните, каким был ваш первый компьютер и сравните его со нынешним. Почему каждый следующий смартфон или компьютер получается более мощным и компактным, чем предыдущий? Ответ на этот вопрос вы найдёте в законе Мура, который гласит: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца!». Готовы поспорить, что об этом законе многие слышат впервые и к тому же, совсем не понимают, о чём идёт речь. Между тем, он отметил свой 50-летний юбилей. И эти полстолетия электроника развивалась строго в соответствии с ним. Но будет ли так всегда?
Наблюдение, ставшее законом
Закон Мура известен любому, кто имеет отношение к производству микропроцессоров, разбирается в микроэлектронике и микросхемах или хорошо понимает, как устроен компьютер.Чтобы смысл закона Мура стала понятен и вам, мы сформулируем его по-другому, используя простые и понятные слова: Вычислительная мощность и производительность компьютера удваивается каждые 24 месяца.
Действительно, персональные , ноутбуки, смартфоны очень быстро устаревают. Вы, наверное, замечали: не успел купить новую модель, через некоторое время появляются более мощные, более быстрые, с большим объёмом памяти. При этом их цена остаётся прежней, а если повышается, то не на много. И все это благодаря развитию технологий.
Гордон Мур – один из тех, кто в 1968 году основал корпорацию Intel. В течение первых семи лет был исполнительным вице-президентом корпорации. Затем президентом и главным управляющим Intel. До 1997 года занимал пост председателя совета директоров. Ныне 87-летний Гордон Мур является почётным председателем совета директоров корпорации Intel и проживает на Гавайях.
Свой закон Гордон Мур вывел на основе наблюдений, а огласил его в 1965 году. Он заметил, что ежегодно стоимость одного транзистора уменьшается, а их количество на одном кристалле удваивается. Это объяснялось бурным развитием микроэлектроники и растущими потребностями в более мощных компьютерах. Но через десять лет Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года.
Связано это было с тем, что разработка новинок стоит дополнительных денег и их необходимо окупить. Поэтому слишком частый выпуск новых продуктов не даёт компании достаточно времени заработать на них, а слишком редкий выпуск новых продуктов открывал бы дорогу конкурентам. Чтобы компания не осталась в убытках, нужна золотая середина, которую и нащупал Мур.
То, что изначально было интересным наблюдением, впоследствии стало правилом и законом для всей индустрии, которая жила и развивалась по ним все 50 лет. Однако теперь многие эксперты заявляют, что дни «закона Мура» сочтены. Чтобы разобраться, так ли это, нужно стать немножко специалистом. Попробуем?
Как работает транзистор
Итак, интегральная схема (синонимы: микросхема, чип) – это, как бы, мозг любого электронного устройства. Мы не зря использовали слово мозг, ведь у чипа тоже есть своя память и логика. Человеческий мозг получает информацию, перерабатывает, а потом передаёт её другим органам человека. Вернее, это делают нейроны головного мозга при помощи химических и электрических сигналов. Чип, как и мозг, также обрабатывает, хранит и передаёт информацию при помощи электрических сигналов. Но только роль нейронов играют транзисторы. Благодаря транзисторам, чип может выполнять наши команды. Например, банковские карты, удостоверения личности, SIM-карты имеют встроенные чипы, которые хранят разную информацию, обрабатывают её, а также выполняют разные операции.
Таким образом, транзисторы определяют работу всей интегральной схемы, потому что они усиляют, генерируют и преобразовывают электрические сигналы. Другими словами, транзистор – это усилительный элемент. Он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.
Чтобы было понятно, приведём аналогию. При нажатии педали акселератора (педали газа) увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль нажимать приходится не очень сильно. Мощность нажатия на педаль ничтожна по сравнению с мощностью, которую развивает при этом двигатель. Чем больше угол нажатия на педаль, тем больше открываются специальные клапаны (заслонки в карбюраторе), которые регулируют количество подаваемой топливно-воздушной смеси в двигатель, где она и сгорает, увеличивая давление внутри двигателя. Как следствие, увеличивается частота вращения вала двигателя и скорость движения автомобиля.
То есть, акселератор можно назвать усилительным элементом, который при помощи слабой энергии, затрачиваемой человеком при нажатии на педаль, управляет и преобразовывает более мощную энергию, источником которой является бензин.
В транзисторе всё происходит также. Только через него проходит не бензин, а электрический ток.
Физический предел
Как вы помните, закон Мура есть результат наблюдательности господина Мура, который при его формулировке не задумывался о законах математики и физики. Поэтому, чтобы он работал и далее, нужно, чтобы производители каждые два года умудрялись «впихивать» в чип в два раза больше транзисторов.
К сожалению, этот процесс не может быть бесконечным, и уменьшение размеров транзисторов имеет свой предел. Связано это в первую очередь с физическими ограничениями: невозможно делать элементы бесконечно маленькими. Когда транзистор станет размером в несколько атомов, в силу вступят квантовые взаимодействия. Это означает, что предсказать движение электронов станет просто невозможным,а это сделает транзистор бесполезным.
Но проблемы на этом не закончатся. Чем больше количество транзисторов в чипе, тем больше тепловыделение. Как вы знаете, высокие температуры сильно влияют на проводимость тока, что опять же может сделать транзистор непригодным.
На данный момент самый маленький размер транзисторов – 22 нанометра – в процессоре Intel Haswell (1 нанометр равен одной миллиардной части метра, т. е. 10−9метра). У корпорации Intel ещё имеется потенциал дальнейшего уменьшения размеров транзистора. Так, 10-нанометровые чипы должны появиться на рынке во второй половине 2017 года.
С каждым годом удвоение транзисторов на кристалле уже не делает их дешевле. Иначе говоря, следовать закону Мура уже невыгодно для производителей. Ведь с каждым новым шагом на преодоление физических барьеров начинает уходить больше средств: сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и при этом – большое количество отбракованных микросхем, ведь при создание супертонкой кристаллической кремниевой пластинки с встроенными в неё микроскопическими транзисторами будет очень чувствительна даже к небольшим, незаметным человеку изменениям, например колебаниям земной коры.
Итак, рано или поздно, законы природы положат конец господству закона Мура. Окончание эры стремительного развития кремниевых транзисторов предсказывают на 2020-2025 годы. Что же ждёт компьютеры дальше? Эксперты предрекают, что появятся 3D- и молекулярные транзисторы, а в более далёкой перспективе – квантовые.
Количество транзисторов на одном кристалле достигает миллиардов штук. Естественный способ их использовать – строить многопроцессорные системы. Для таких компаний как Intel вопрос создания многопроцессорных систем – это вопрос существования.
Г. Мур (G. Moor – создатель Intel) на основе развития технологии в компа
нии Intel в 1965 году выдвинул следующее положение, которое сейчас называ-
ют законом Мура:
Каждые 2 года количество транзисторов на кристалле удваивается
Этот закон и с некоторыми колебаниями сохраняется длительное время.
Число транзисисторов на кристалле увеличится в такой степени, что это позво-
ляет создавать многоядерные процессоры (МЯП), в которых на одном кристал-
ле размещены сотни и тысячи ядер, каждое из которых является полноценным
процессором.
Считается, что нанотехнологии начинаютя со 100 нм. Таким образом, можно сказать, что современные микропроцессоры – это область нанотехнологий.
До минимального размера порядка 10 нм транзистор сохраняет свои пере-
ключательные и усилительные свойства, что полностью определяет путь разви-
тия кремниевой наноэлектроники вплоть до 2020 г. Ниже 10 нм кремний теря-
ет проводимость. В диапазоне размеров 5-0.5 нм наступает эра мезоскопических структур и приборов. Мезоскопические структуры - электронные при-
боры, размеры активной области которых сопоставимы с параметрами электро-
на. При размерах 0.5 нм и менее - эра квантовых кристаллов.
Графен – это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, образующих решётку из шестиугольных ячеек. Нанотрубки состоят из тех же шестиугольных ячеек, имеют средний диаметр около 1 нм и длину до нескольких сантиметров. Но отдельный транзистор – это не процессор. Поэтому квантовые компьютеры могут оказаться ближе по времени, чем мезоскопические структуры.
Вопросы для самоконтроля
В чем суть параллелизм независимых ветвей?
Сформулируйте закон Амдала.
Закон Мура и его перспективы.
Лекция 4. Основные этапы развития параллельной обработки
Идея параллельной обработки возникла одновременно с появлением первых вычислительных машин. В начале 50-х гг. американский математик Дж. Фон Нейман предложил архитектуру последовательной ЭВМ, которая приобрела классические формы и применяется практически во всех современных ЭВМ. Однако фон Нейман разработал также принцип построения процессорной матрицы, в которой каждый процессор был соединен с четырьмя соседними.
D825. Одной из первых полномасштабных многопроцессорных систем явилась система D825 фирмы “BURROUGHS”. Начиная с 1962 г. было выпущено большое число экземпляров и модификаций D825. Выпуск первых многопроцессорных систем, в частности D825, диктовался необходимостью получения не высокого быстродействия, а высокой живучести ЭВМ, встраиваемых в военные командные системы и системы управления. С этой точки зрения параллельные ЭВМ считались наиболее перспективными. Система D825 содержала до четырех процессоров и 16 модулей памяти, соединенных матричным коммутатором, который допускал одновременное соединение любого процессора с любым блоком памяти.
Практическая реализация основных идей параллельной обработки началась только в 60-х гг. 20 - го столетия. Это связано с появлением транзистора, который позволил строить машины, состоящие из большого количества логических элементов, что принципиально необходимо для реализации любой формы параллелизма.
CRAY. Основополагающим моментом для развития конвейерных ЭВМ явилось обоснование академиком С.А. Лебедевым в 1956 г. метода, названного
“принципом водопровода” (позже он стал называться конвейером ). Прежде все-
го был реализован конвейер команд, на основании которого практически одно-
временно были построены советская ЭВМ БЭСМ-6 (1957-1966 гг., разработка
Института точной механики и вычислительной техники АН СССР), и англий-
ская машина ATLAS (1957-1963 гг.). Конвейер команд предполагал наличие
многоблочной памяти и секционированного процессора, в котором на разных
этапах обработки находилось несколько команд.
Следующим заметным шагом в развитии конвейерной обработки, реализо
ванном в ЭВМ CDC-6600 (1964 г.), было введение в состав процессора не-
скольких функциональных устройств, позволяющих одновременно выполнять
несколько арифметико-логических операций: сложение, умножение, логические операции.
В конце 60-х гг. был введен в использование арифметический конвейер , который нашел наиболее полное воплощение в ЭВМ CRAY-1 (1972-1976 гг.).
Арифметический конвейер предполагает разбиение цикла выполнения арифме-
тико-логической операции на ряд этапов, для каждого из которых отводится
собственное оборудование. Таким образом, на разных этапах обработки нахо-
дится несколько чисел, что позволяет производить эффективную обработку
вектора чисел.
Сочетание многофункциональности, арифметического конвейера для каж
дого функционального блока и малой длительности такта синхронизации по-
зволяет получить быстродействие в десятки и сотни миллионов операций в се-
кунду. Такие ЭВМ называются супер ЭВМ.
ILLIAC-IV. Идея получения сверхвысокого быстродействия в первую очередь связывалась с процессорными матрицами (ПМ). Предполагалось, что,
увеличивая в нужной степени число процессорных элементов в матрице, можно
получить любое заранее заданное быстродействие.
Поскольку в 60-е гг. логические схемы с большим уровнем интеграции от
сутствовали, то напрямую реализовать принципы функционирования процес-
сорной матрицы, содержащей множество элементарных процессоров, не пред-
ставлялось возможным. Поэтому для проверки основных идей строились одно-
родные системы из нескольких больших машин. Так, в 1966 г. была построена
система Минск-222, разработанная Институтом математики Сибирского отде-
ления АН СССР и минским заводом ЭВМ им. Г.К.Орджоникидзе. Система со-
держала до 16 соединенных в кольцо ЭВМ Минск-2. Для нее было разработано
специальное математическое обеспечение.
Другое направление в развитии однородных сред, основанное на построе-
нии процессорных матриц, состоящих из крупных процессорных элементов с
достаточно большой локальной памятью, возникло в США и связано с именами
Унгера, Холланда, Слотника. Была создана ЭВМ ILLIAC-IV (1966-1975 гг.), ко-
торая надолго определила пути развития процессорных матриц. В машине ис-
пользовались матрицы 8×8 процессоров, каждый с быстродействием около 4
млн оп/с и памятью 16 кбайт. Для ILLIAC-IV были разработаны кроме Ассемб-
лера еще несколько параллельных языков высокого уровня. Особенно ценным
является опыт разработки параллельных алгоритмов вычислений, определив-
ший области эффективного использования подобных машин.
T ранспьютер . Совершенствование микроэлектронной элементной базы,
появление в 80-х годах БИС и СБИС позволили разместить в одной микросхеме
процессор с 4-мя внешними связями, который получил название транспьютер .
Теперь стало возможным строить системы с сотнями процессоров.
пошло широким потоком. Сначала строились монолитные многопроцессорные
системы, для которых все разрабатывалось специально для конкретной систе-
мы: элементная база, конструктивы, языки программирования, операционные
системы. Затем оказалось много дешевле строить вычислительные кластеры на
основе промышленные средства, появились многояденые процессора, Грид,
квантовые компьютеры.
Некоторые этапы развития параллельных ЭВМ качественно можно представить следующей таблицей:
|
НАЗВАНИЕ ЭВМ |
ПРОГРАММЫ |
|||
|
D825 - одна из первых многопроцессорных систем |
Доказана возможность построения многопроцессорных систем |
Первая ОС для многопроцессорных систем - ASOR |
||
|
Матричный процессор ILLIAC IV |
Реализована ОКМД |
Параллельный язык |
||
|
Векторно- конвейерная ЭВМ CRAY |
Предложены конвейерные вычисления |
Предложен ЯВУ векторного типа |
||
|
Транспьютер Т414 |
Разработан процессор на кристалле со связями для мультисистем |
Язык описания параллелизма OCCAM |
||
|
Кластер Beowulf |
Сборка на серийном оборудовании |
Использованы обыч ные сетевые ОС |
||
|
Неограниченная возможность расширения |
GlobusToolkit, gLite |
|||
|
Многоядерные про- |
Разработаны МЯ процессоры с общей и индивидуальной памятью |
OpenMP и MPI. Нужны новые разработки |
||
|
Квантовый компью- тер Orion компании |
Кубит, эспоненциальная скорость за счет суперпозиции |
Алгоритмы Шора, Гровера. Языки моделирования |
Вопросы для самоконтроля.
Основные этапы развития параллельной обработки. D825
Основные этапы развития параллельной обработки. CRAY.
Основные этапы развития параллельной обработки. ILLIAC-IV.
Некоторые этапы развития параллельных ЭВМ.
Здравствуйте, уважаемые читатели моих немудреных статей! В данном посте я хотел бы поговорить о такой теме, как закон Мура .
Что же их себя представляет закон Мура? Это законодательный акт, или объясненное и вложенное в четкие рамки природное явление? Ни то, ни другое.
Закон Мура представляет собой эмпирическое наблюдение, которое сделал вскоре после изобретения интегральной схемы, еще в 1965 году, Гордон Мур – один из основателей корпорации Intel. В чем же данное наблюдение заключается?
Формулировка закона Мура.
Основное предположение данного закона гласит, что число транзисторов на кристалле микропроцессора будет увеличиваться в 2 раза каждые 2 года . Когда он в процессе подготовки к какому-то выступлению на компьютерную тематику делал анализ роста производительности микросхем, он заметил, что данная производительность удваивается с периодичностью 18-24 месяца. На основании данного анализа и было высказано предположение, которое впоследствии блестяще подтвердилось – развитие вычислительной техники и ее вычислительных мощностей будет происходить экспоненциально. Это и стало законом Мура – пожалуй, самым знаменитым законом в информационной среде.
И хотя закон Мура и не является научным, физически м, математическим или экономическим законом, а представляет собой просто хорошо подмеченное Муром некое эмпирическое правило, но ему производители вычислительной техники стараются следовать уже на протяжение 40 лет . Закон оказался очень полезным при прогнозировании деятельности производителей IT-индустрии.
Немного истории.
Когда закон Мура был впервые сформулирован, вычислительная электроника пребывала еще в фазе своего начального формирования. Основной элемент современной микроэлектроники – транзистор, был изобретен в 1947 году, и только в 1956 году, когда были оценены его достоинства, его изобретателям была присуждена Нобелевская премия.
Первая рабочая микросхема была создана в 1958 году (а за нее Нобелевскую премию дали лишь в 2000 году). Ее изобретателями считаются Д.Килби и еще один из основателей компании Intel – Р.Нойс.
К 1965 году, то есть к моменту, когда Мур сформулировал закон своего имени, в самой сложной микросхеме было всего… 64 транзистора. Как он сумел столь точно предугадать темпы развития электронной промышленности – стоит только удивляться. Стоит заметить, что вначале формулировка закона Мура предусматривала удвоение вычислительной мощности каждый год, что на тот момент блестяще подтверждалось. А в 1975 году Г.Мур на выступлении по поводу десятилетия своего закона высказал предположение, что в дальнейшем темпы удвоения несколько замедлятся и составят 2 года. И новая трактовка закона Мура сбылось в точности так же, как и первая. Она действует и сегодня!
Трактовки и интерпретации закона Мура.
Существует несколько трактовок закона Мура. Все их перечислять, наверное, особого смысла нет (если читателю интересно, загляните в Вики), но наиболее интересные я все же упомяну:
Технологически возможное число транзисторов на кристалле микропроцессора удваивается каждые два года.
Общая производительность процессоров микроэлектронных устройств удваивается каждые 18 месяцев.
Тактовая частота процессоров удваивается каждые 18 месяцев.
Стоимость чипа уменьшатся вдвое каждые 18 месяцев.
Как мы видим, закон Мура работает и в наши дни. Стоимость компьютеров и комплектующих постоянно падает, а вычислительные мощности постоянно растут . Современные домашние компьютеры обладают мощностями, которые были, пожалуй, недоступны даже для суперкомпьютеров всего лишь несколько лет назад. Так что закон Мура действует и сегодня.
Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону - количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18-24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.
Это наблюдение получило название закон Мура. Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном , который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $.
По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:
«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ». - Журнал «В мире науки» (1983, № 10) (русское издание «Scientific American»)
В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.
Параллелизм и закон Мура
В последнее время, чтобы получить возможность задействовать на практике ту дополнительную вычислительную мощность, которую предсказывает закон Мура, стало необходимо задействовать параллельные вычисления. На протяжении многих лет, производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что на новых процессорах старые однопоточные приложения исполнялись быстрее без каких либо изменений в программном коде. Сейчас по разным причинам производители процессоров предпочитают многоядерные архитектуры, и для получения всей выгоды от возросшей производительности ЦП программы должны переписываться в соответствующей манере. Однако, по фундаментальным причинам, это возможно не всегда.
2012: Опровержение закона Мура
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales) совершили очередной прорыв в развитии компьютерной отрасли: им впервые удалось создать рабочий транзистор на базе одного атома.
С 1954 года, когода научный сотрудник Texas Instruments Джордж Тиль (George Teal) создал первый кремниевый транзистор, инновационные решения позволили постепенно уменьшать и уменьшать размер этих электронных компонентов, что привело к созданию компьютеров и мобильных устройств современного типа.
Одно устройство может содержать миллиарды транзисторов, которые работают вместе для выполнения простых двоичных вычислений. Чем больше транзисторов находится на единицу площади, тем быстрее производятся расчеты и тем больше информации компьютеры могут обработать и сохранить, одновременно затрачивая меньше энергии.
В прошлом уже были созданы одноатомные транзисторы. Но к сегодняшнему дню в их использовании была достигнута погрешность в 10 нанометров (нанометр равен одной миллиардной метра). Но для одноатомного транзистора, чтобы он мог использоваться в реальных устройствах, требуется расположение одного атома точно на кремниевом чипе. По данным журнала о нанотехнологиях Nature Nanotechnology, именного этого и удалось достичь исследователям.
Они использовали сканирующий туннельный микроскоп (устройство, которое позволяет исследователям видеть атомы и обеспечить точность манипуляций с ними) ученые проделали узкий канал в кремниевой базе. Затем был применен газ фосфин, с помощью которого был помещен отдельный атом фосфора между двумя электродами в нужной области. Когда электрический ток проходит через такое устройство, оно усиливает и передает электрический сигнал, что и является основным принципом работы любого транзистора.
Так что достижение ученых из Австралии приблизило человечество еще на один шаг к созданию квантовых компьютеров. Удивительно также и то, что команда бросила вызов закону Мура (основывается на публикации Гордона Мура (Gordon Moore) в журнале Electronics Magazine в 1965 году). Согласно этому закону, число транзисторов, размещающихся на одной схеме, удваивается каждые 18-24 месяцев. Так что, по прогнозам Мура, одноатомные транзисторы должны появиться не раньше 2020 года. Однако это произошло на 8 лет раньше.
Мишель Симмонс (Michelle Simmons), директор ARC Centre for Quantum Computation and Communications и глава исследовательской группы, заявил: «Мы решили 10 лет назад, что создадим одноатомный транзистор так быстро, как это будет возможно, и тем самым опровергнем этот закон. И вот мы сделали это в 2012 году».
Однако до реального использования таких транзисторов пройдет еще 15-20 лет. Дело в том, что работающий образец функционирует только при температуре минус 391 градус в пределах лаборатории, так что является всего лишь доказательством концепции.
2015: Intel верит в дальнейшее соблюдение закона Мура
На конференции International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), которая с 22 по 26 февраля 2015 года прошла в Сан-Франциско, участники полупроводниковой отрасли рассказали о своих достижениях и планах в части освоения «тонких» технологических норм. Добраться до 10 нм чипмейкеры смогут при помощи нынешних технологий, но дальнейшее развитие осложнится, поэтому производителям потребуются новые решения.
По словам ведущего специалиста Intel Марка Бора (Mark Bohr), несмотря на всеобщую борьбу с растущими расходами на полупроводниковые пластины, компания продолжает увеличивать в микросхемах плотность транзисторов и снижать себестоимость каждого из них, и делает это быстрее в случае с 14 нм по сравнению с предыдущими технологиями. Эти темпы сохранятся на 10 и 7 нм шаге за счет масштабирования, позволяющего повысить степень интеграции и удешевить стоимость одного транзистора, заявил Бор.
Стоит отметить, что Intel начала 14-нм производство с запозданием примерно на 6-9 месяцев относительно планируемых сроков. Несмотря на это американская корпорация опередила конкурентов, и к концу февраля 2015 года лишь она предлагает 14-нм процессоры, а TSMC , Samsung и GlobalFoundries только-только приноравливаются к выпуску 16-нм продукции с сохранением 20-нм геометрии в металлических слоях.
Intel обещает коммерческое освоение 10-нм техпроцесса в 2016 году и планирует использовать 7-нм технологию в 2018-м. Еще через два года компания рассчитывает на переход к 5 нм.
Сделать это без инноваций будет трудно. Они обязательно появятся, поскольку именно так было в последние годы, уверен Марк Бор, ссылаясь на закон Мура, предполагающий, что вычислительная мощность удваивается каждые 24 месяца.
При освоении передовых проектных норм Intel, возможно, будет применять упаковку чипов типа 2,5D (слои помещаются рядом друг с другом) и 3D (слои располагаются поверх друг друга). При этом корпорация продолжает поиск новых эффективных с точки зрения себестоимости решений.
Глава полупроводникового подразделения Samsung Кинам Ким (Kinam Kim) заявил, что CMOS-транзисторы теоретически можно уменьшить до норм 3-5 нм. Вместе с тем топ-менеджер согласился с тем, что технологии ниже 10 нм требуют новых подходов.
