Перспективы развития процессоров кратко

Обновлено: 02.07.2024

На самом деле прошло не так много времени, с тех пор как идея, уместить несколько процессорных ядер в один пакет, казалась экзотической. Однако, глядя на современные многоядерные ЦПУ с интегрированной графикой, возможно, это лишь вопрос времени, когда Intel и AMD смогут добавить еще больше функциональности самому важному компоненту вашего компьютера - процессору.Обе компании работают над гибридными ЦПУ, которые по-настоящему смогут изменить будущее вычислительной техники, в особенности для устройств, сильно зависящих от времени автономной работы, таких как ноутбуки и планшеты. Но, что же такое гибридные процессоры?

Гибридный процессор Intel Lakefield

Главная идея состоит в том, чтобы обеспечить многоядерные процессоры разными ядрами. Такие ЦПУ должны быть оснащены большими, высокопроизводительными ядрами, и маленькими ядрами с низким энергопотреблением и небольшой производительностью. Такой принцип уже применяется во множестве чипов для смартфонов с архитектурой Arm, и называется big.LITTLE. Главное преимущество такого подхода заключается в том, что множествам приложений, которые мы запускаем на своих ноутбуках, например, такие как текстовые редакторы или веб браузеры, не нужна большая вычислительная мощность. Однако, процессорные ядра, спроектированные для серьезных задач, все равно могут потреблять большое количество энергии при выполнении подобных задач, даже если система занизит их частоты.

Поэтому, вместо этого, гибридный ЦПУ использует преимущество маленьких ядер, которые в частности имеют те же возможности, что и привычные процессорные ядра в вашем ноутбуке, но их главным достоинством является то, что они используют гораздо меньше энергии. С другой стороны, когда вашему компьютеру потребуется дополнительная процессорная мощность, он сможет переключиться на использование высокопроизводительных ядер, с большим энергопотреблением.

Распределение задач на большие или маленькие ядра является обязанностью планировщика. Планировщик, как правило встроен в операционную систему и отвечает за определение порядка, в котором ваш компьютер будет выполнять задачи.

В гибридных ЦПУ, аппаратное обеспечение спроектировано специальным образом, чтобы взаимодействовать с планировщиком операционной системой таким образом, чтобы ЦПУ и Windows ( или любая другая ОС ) могли работать вместе для наилучшего понимания того, какие задачи имеет наибольший смысл назначать каждой группе ядер. Таким образом, высокоприоритетные задачи, такие как редактирование фотографий, могут быть назначены для большого ядра, а фоновые задачи будут делегированы на маленькие ядра, которые более энергоэффективны.

Архитектуры Arm и x86

Новые Apple MacBook с процессорами A14X на архитектуре Arm, могут быть анонсированы уже в конце 2020 года

Здесь может возникнуть вопрос - почему бы просто не использовать в ноутбуках Armпроцессоры, если там такая система уже давно реализована и прекрасно работает? Apple уже решила пойти именно этим путем, так почему бы всем остальным не последовать ее примеру?

На самом деле, глобальное отличие заключается в том, что гибридные проекты AMD и Intel по-прежнему строятся вокруг x86 архитектуры, которую они используют на протяжении десятилетий, и для которой написано большинство приложений Windows. Apple может себе позволить переписать свою операционную систему и программы, для беспроблемной работы на собственных процессорах Arm, но на ноутбуках с Windows, попытка транслирования x86 приложений для запуска на чипах Arm, приводит к значительному снижению производительности.

На самом деле, один из крупнейших производителей чипов Arm, компания Qualcomm, пыталась выйти на рынок Windows ноутбуков с Arm процессорами, но проблемы с производительностью, вызванные тем, что большинство приложений Windows не работает на таких процессорах нативно, помешало стать Qualcomm крупным игроком на рынке процессоров для ноутбуков.

Однако, это вовсе не означает, что новые гибридные процессоры, построенные на x86 архитектуре, не будут иметь недостатков. Разработка планировщика для достижения максимальной эффективности является по-настоящему сложной задачей. Помимо этого, из-за использования разных типов процессорных ядер, код, который работает на одних ядрах, может вызывать ошибку при работе на других.

Дело в том, что наборы инструкций больших и маленьких ядер могут отличаться, и поэтому производителям чипов приходится удалять поддержку работы некоторых инструкций, для того чтобы оба набора ядер имели один и тот же набор, а программы могли работать на любом типе ядер, не вызывая ошибок. Современное программное обеспечение для x86 процессоров, предполагает, что все ядра одинаковы и имеют один и тот же набор команд. Поэтому попытка запустить приложение, к примеру, на маленьких ядрах с одними инструкциями, а затем переместить программу на другую группу ядер, где нет поддержки определенных инструкций, непременно приведет к фатальной ошибке - появлению синего экрана, если мы говорим о Windows.

Несмотря на столь большие проблемы, данная технология имеет многообещающие перспективы. Intel, в частности, уже вложила огромное количество денег в разработку этой технологии. И в настоящее время, ноутбук с гибридным процессором Intel Lakefield уже поступил в продажу.

Samsung Galaxy Book S, благодаря использованию новейшего ЦПУ, отличается крайне небольшим весом ( всего 907 грамм, при толщине 1,27 см ) и продолжительным временем автономной работы ( до 17 часов ). Мы также знаем, что AMD подала патент на аналогичную технологию, хотя остается не ясным, когда мы увидим гибридные ЦПУ от этой компании.

Сколько хоронили закон Мура, а он продолжает работать. Даже сейчас, на фоне острого дефицита микросхем.

Планы Intel, AMD, Apple и производителей ARM следующего поколения говорят, что мы на пороге небольшой технологической революции. Транзисторы с круговым затвором, техпроцесс 2 нм, 3D-компоновка, квантовые технологии — вот планы производства микросхем на ближайшие годы. Впрочем, обо всём по порядку.

Транзисторы с круговым затвором

Типы транзисторов

На отраслевой конференции IEDM 2021 компания Intel поделилась планами на ближайшую пятилетку. Она рассчитывает на фундаментальные технологические прорывы в следующих областях:

Упаковка микросхем с 10-кратным повышением плотности межсоединений.
Увеличение плотности размещения транзисторов в CMOS на 30–50%.
Первые в мире переключатели на основе GaN (нитрид галлия).
Новые концепции в физике, которые могут произвести революцию в вычислительной технике.

Как показано на слайде, современные технологические процессы используют полевые транзисторы с вертикальным затвором (FinFET). Сейчас происходит переход с технологии компоновки межсоединений EMIB (2.5 D) на Foveros Direct HBI (3D).

Технология трёхмерной компоновки Foveros Direct позволяет уменьшить шаг контактных площадок до 10 микрон, что сильно увеличивает плотность межсоединений.

Foveros Direct

Дальнейшее уменьшение технологических норм и размеров компонентов на техпроцессе 2 нм предусматривает внедрение транзисторов c круговым затвором — GAAFET (Gate All Around).

В таком же направлении двигаются и другие разработчики микроэлектроники. Недавно компания Samsung тоже анонсировала транзисторы GAAFET и внедрение техпроцесса 2 нм.

Свои транзисторы с круговым затвором Samsung обозначает аббревиатурой MBCFET (multi-bridge channel FET). Первое поколение будет производиться по нормам 3 нм.

TSMC переходит на 2 нм в 2025 году одновременно с Samsung и Intel.

Прорыв IBM и Samsung

На самом деле в презентации IBM речь идёт о другой разновидности GAAFET, которая здесь называется VTFET (Vertical Transport Field Effect Transistors). Но суть прежняя: это те же самые транзисторы с круговым затвором, за которыми вся индустрия признала будущее микросхем.

Транзистор VTFET, графика: Samsung

VTFET

VTFET гораздо лучше поддаётся современным технологиям производства, поскольку здесь устройство как бы повёрнуто набок. Тот же самый GAA, но боком, что избавляет от трудностей анизотропного травления. Сформировать плоское кольцо легко и просто с помощью современных процессов, уверяют разработчики.

Суммируя всё вышесказанное, вот таблица максимальной плотности транзисторов по разным техпроцессам у четырёх крупнейших производителей, включая недавно представленные микросхемы 2 нм от IBM.

Максимальная плотность транзисторов (млн транзисторов на мм 2 )
IBM	TSMC	Intel	Samsung
22 нм	16,50
16/14 нм	28,88	44,67	33,32
10 нм	52,51	100,76	51,82
7 нм	91,20	100,76	95,08
5/4 нм	171,30	~200	126,89
3 нм	292,21
2 нм / 20A	333,33

AMD напугала Intel

Интересные события происходят в разработке процессорных архитектур. Компания AMD благодаря революционной микроархитектуре Zen выдала несколько рекордных лет. В 2021 году на десктопах она ненадолго даже опередила Intel, впервые с 2006 года.

AMD стала реальным технологическим лидером, у которого реально лучшие микросхемы по всем параметрам: производительность, энергоэффективность и цена.

Но во второй половине года Intel попыталась выровнять ситуацию, выпустив 12-е поколение Alder Lake по техпроцессу Intel 7 (бывший 10ESF) с поддержкой DDR5 и предложив большие скидки на процессоры предыдущих поколений.

Нас ждёт очень интересный 2022 год. Возможно, AMD представит процессоры на архитектуре Zen 4 (платформа AM5, техпроцесс TSMC N5) с поддержкой DDR5 и PCIe Gen5. По предварительным оценкам они будут на 25–40% быстрее нынешнего поколения на той же тактовой частоте.

AMD запланировала мероприятие 4 января 2022 года на выставке CES с презентацией технологии 3D V-Cache и процессоров, которые должны стать достойным ответом Alder Lake.

В то же время Intel дополнит линейку 12-го поколения, в том числе выпустит топовый Core i9-12900KS c частотой 5,2 ГГц на всех ядрах.

ARM наступает

Процессоры на архитектуре ARM традиционно доминировали на рынке смартфонов, но постепенно находят применение и в настольных компьютерах, и в серверах.

Особенно стоит выделить SoC Apple M1 Pro и M1 Max.

На массовый рынок выходят также производители вроде Qualcomm, которая недавно выпустила десктопный процессор Snapdragon 8cx Gen 3 (5 нм). По объёму вычислений на ватт в некоторых задачах он на 60% эффективнее процессоров x86 в тестах Geekbench 5.

Сейчас вычисления на серверах ARM зачастую обходятся дешевле, чем на x86. Можно предположить, что в ближайшие годы тенденция перехода на ARM продолжится, особенно на серверах.

Оперативная память

Активные исследования идут также в области микросхем DRAM. Например, Intel сейчас тестирует память нового типа FeRAM с задержками чтения/записи 2 нс. Судя по фотографиям уже есть готовые экспериментальные образцы.

FeRAM

FeRAM (Ferroelectric RAM) работает на другой физике, по сравнению с существующими чипами памяти. Если вкратце, принцип работы FeRAM основан на эффекте гистерезиса в сегнетоэлектрике: в электрическом поле ячейка меняет свою поляризацию, переходя на другой участок петли гистерезиса. Подробнее читай в статье на Хабре.

Квантовая электроника

На конференции IEDM 2021 была представлена первая в мире экспериментальная реализация магнитоэлектрического спин-орбитального логического устройства (MESO) при комнатной температуре. Эксперименты в этой области могут привести к созданию нового типа транзистора, основанного на переключении нанометровых магнитов.

MESO

Мы видим электронику, в которой уже используются законы квантовой физики.

Для чего нужна высокая производительность

Дополнительная вычислительная мощность понадобится и на ПК, и на смартфонах. И не только для кривого и тормозного софта, но и для реально сложных вычислительных задач.

Например, сейчас разработаны лингвистические системы нового поколения на больших языковых моделях (LLM), такие как LaMDA (Language Model for Dialogue Applications), BERT и GPT-3. Некоторые даже считают их прорывом в исследованиях сильного ИИ.

Эти модели поддерживают полноценный диалог с человеком на любые темы, но требуют огромных вычислительных ресурсов. Сейчас поговорить LaMDA можно только на суперкомпьютере, такая возможность есть у редких исследователей.

Мощные CPU нового поколения, а также инновации в многоуровневой упаковке микросхем памяти DDR5 (в продаже уже появились модули DDR5 на 96 ГБ) дают надежду, что в будущем упрощённая модель LaMDA сможет жить на обычном домашнем ПК или смартфоне.

Или посмотрим на ситуацию с другой стороны. Микросхемы с той же производительностью будут потреблять в несколько раз меньше энергии. Это позволит выпускать ноутбуки, смартфоны и другие устройства, которые работают от батарейки несколько дней и недель. К сожалению, в реальности такое обычно не происходит из-за парадокса Джевонса: повышение эффективности использования ресурса ведёт не к уменьшению, а к увеличению его потребления. Получается, чем энергоэффективнее микросхемы, тем больше ёмкость аккумулятора.

Новые фабрики, конец дефицита

По прогнозам, спрос на микроэлектронику будет расти экспоненциально. К 2025 году рынок вырастет с $0,5 млрд до $2 млрд.

В текущем году производители инвестируют в строительство и оборудование $152 млрд (+34% к прошлому). Лидеры по инвестициям — Intel ($19 млрд), контрактные фабрики TSMC, Samsung Foundry и GlobalFoundries. TSMC готовится к переходу на техпроцесс N3 (3 нм) в 2023 году, а затем N2, что требует нового оборудования и новых заводов.

Инвестиции в производство DRAM по итогу года составят $24 млрд, в производство NAND — $27,9 млрд.

В следующем году сильно вырастет производство микропроцессоров, чипов памяти, логических и аналоговых интегральных схем. Главное для бизнеса — не перестараться и в погоне за прибылью не построить лишние производственные мощности.

2025 год

Таким образом, к 2025 году все ведущие производители должны наладить производство CPU по техпроцессу 2 нм на транзисторах с круговым затвором. Это означает значительное повышение количества транзисторов на единицу площади кристалла. Процессоры нового поколения будут значительно мощнее существующих и гораздо энергоэффективнее. Десятки новых заводов помогут удовлетворить растущий спрос.

Если же спрос на микросхемы окажется ниже прогнозов, то возможен кризис перепроизводства с катастрофическим обвалом цен на комплектующие, как уже неоднократно происходило раньше.

Еще несколько лет, и производству чипов в том виде, какому мы их знаем, грозит конец. Пределы физических возможностей усложняют знакомую нам процессорную гонку. При этом компьютерная индустрия, как и прежде, измеряет свои успехи по закону Мура: один из основателей Intel около 50 лет назад предположил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, будет [. ]

Еще несколько лет, и производству чипов в том виде, какому мы их знаем, грозит конец. Пределы физических возможностей усложняют знакомую нам процессорную гонку.

При этом компьютерная индустрия, как и прежде, измеряет свои успехи по закону Мура: один из основателей Intel около 50 лет назад предположил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, будет удваивается каждые 24 месяца. Компания Intel и сегодня продолжает следовать закону Мура и стремится к уменьшению транзисторов каждые два года.

Процессор последнего поколения на базе микроархитектуры Haswell состоит из примерно 1,4 млрд транзисторов — для сравнения, десять лет назад на Pentium 4 было всего 100 млн.

Другие крупные производители чипов, такие как компании Samsung, TSMC или Globalfoundries, тоже следуют этому ритму в меру своих возможностей.

Сейчас уже несомненно, что в предстоящее время производителей ждут все более значительные препятствия, делающие невозможным уменьшение транзисторов на базе существующих на данный момент технологий производства.

С каждым годом транзисторы становятся меньше. Длина затвора, являющаяся определяющей для эффективности, уменьшается не так быстро, как техпроцесс. В этом проявляется кризис в производстве чипов.

Нанометровый апгрейд

Производитель чипов, освоивший более тонкий техпроцесс производства транзисторов, имеет на рынке решающее преимущество: он может делать более быстрые и энергоэффективные CPU.

Между тем, разработчики дошли до таких стандартов техпроцесса, что могли бы заинтересовать даже микробиологов: например, диаметр вируса гриппа составляет от 80 до 120 нм, а шаг между контактными площадками транзистора — 80 нм для 22-нанометрового техпроцесса.

Транзисторы включаются, когда появляется напряжение на затворе: электроны перемещается от истока к стоку. Обедненный слой необходим для того, чтобы этого не происходило, когда транзистор выключен. При размере менее 20 нм возникает ток утечки.

Планарные CMOS-транзисторы состоят из полупроводника кремния, в который внедряются чужеродные атомы. Эта примесь обеспечивает проводимость: в легированном примесью n-типа истоке и стоке находятся такие атомы, как фосфор, которые имеют больше внешних электронов, чем кремний, и могут легче их отдавать.

Оставшийся субстрат имеет примесь р-типа, например, атомы брома, которые могут принимать электроны. Если в затворе между истоком и стоком, в канале между истоком и стоком проходит электрический ток — транзистор включен.

Если уменьшить длину затвора, транзисторы работают более эффективно, но возникают проблемы: обедненный слой становится еще более проницаемым, так что электроны беспрепятственно проходят от истока и стока в субстрат. Этот ток утечки составляет почти 40% потребляемой энергии. Именно поэтому многие производители чипов останавливают дальнейшие разработки планарных транзисторов на 20-нанометровом техпроцессе.

Новые типы транзисторов

Проблемой миниатюризации в чипах является то, что транзисторы меньшего размера можно получить только изменением конструкции. В своих новых транзисторах с кодовым именем Tri-Gate компания Intel первой применила новый индустриальный стандарт FinFET (от англ. Fin Field Effect Transistors — трехмерные транзисторы) — один из вариантов техпроцесса, который позволит перейти на еще меньшие геометрические размеры транзисторов.

FinFET представляет отдельные транзисторы внутри микросхем уже не в плоском (планарном) виде, а в форме 3D-конструкции, что дает технологические преимущества. В FinFET-транзисторе канал, исток и сток отделяется от субстрата. Канал имеет лишь незначительную примесь с чужеродными атомами, а субстрат не имеет ее вовсе. Это значительно уменьшает ток утечки и позволяет использовать узлы размером вплоть до 10 нм.

Однако длина затвора транзистора и минимальное разрешение литографии техпроцесса — это не одно и то же. Для примера, длина затвора на 16-нанометровом процессе TSMC — 30 нм.

Специализирующийся на процессорах аналитик Малколм Пенн ожидает для выпускаемых в следующем году транзисторов с длинами затворов в диапазоне между 17 и 20 нм. Если есть намерение достигнуть длины менее 10 нм в 2017–2018 годах, потребуются другие материалы и новая конструкция транзисторов.

Технология FinFET работает до десяти нанометров без возникновения тока утечки. При использовании нанопроводов (менее десяти нанометров) влияние затвора еще выше.

Металл вместо кремния

Чипы, выполненные по технологии FinFET, способны решить многие проблемы миниатюризации. Но уменьшение функциональных компонентов (исток, сток и канал) создает и новую проблему, которая коснется производителей чипов, начиная с десятинанометрового техпроцесса.

Кристаллическая структура растянутого кремния повышает подвижность электронов, а также способствует более высокой энергоэффективности процессоров.

Оба слоя связываются в одну кристаллическую решетку. Увеличение кристаллической решетки повышает проводимость материала.

Растяжение кремния становится все более трудоемким, и при десяти нанометрах наступает предел. Уменьшение транзистора больше не дает никаких преимуществ, и кремний в качестве полупроводника исчерпывает себя полностью.

Решение приходит в виде новых материалов, которые частично заменяют кремний. В качестве идеальной основы для компонентов с примесью р-типа действует германий, который имеет естественное растяжение и в четыре раза более высокую проводимость, чем кремний.

Для компонентов с примесью n-типа в роли фаворита выступает смесь индия, галлия и мышьяка (InGaAs) — ее проводимость выше в шесть раз.

Разработчики бельгийского центра микроэлектроники в Левене создали первый прототип с каналом из InGaAs, и он потребляет только 50% энергии, необходимой сопоставимому FinFET с кремниевым каналом. Аналитики ожидают внедрение новых материалов в массовое производство с 2017 года.Сплав металлов в канале FinFET: инженеры бельгийского центра микроэлектроники заменяют кремниевый канал сплавом из индия, галлия и мышьяка (InGaAs). Фотография показывает канал в поперечном разрезе.

Учет отдельных атомных решеток

После 2020 года при технологическом процессе пять нанометров будут востребованы компоненты еще меньшего размера, но с хорошей проводимостью. Для этого подходят двумерные (2D) нанослои, то есть материалы, состоящие из одного слоя атомов. Уже активно исследовался графен — решетка из атомов углерода, еще идет изучение германена, силицена и станена.

Например, не так давно инженерам IBM удалось изготовить графеновый процессор, работающий на поражающей воображение частоте — 100 ГГц. Исследователи из IBM также продемонстрировали возможность выполнения графеновых транзисторов на основах, подобных традиционным кремниевым.

Прототип процессора выполнен на пластине диаметром два дюйма, но сегодня уже возможно формирование графеновых транзисторов и на пластинах большего диаметра. Графен изготавливается методом нагревания подложки из карбида кремния с испарением последнего.

Идеальные характеристики для узла пять нанометров с 2019 года обещают монослои. Через эти однослойные атомные решетки электроны двигаются беспрепятственно. Некоторые материалы, такие как станен пока только исследуются.

В третьем измерении

Почти все крупные производители планируют разработку чипов c 3D-транзисторами, в которых элементы процессора и хранения информации взаимодействуют без больших отставаний по времени. Пример: на слое центрального процессора лежит слой запоминающего устройства и сверху — слой из флеш-памяти.

Так, крупнейший контрактный производитель TSMC с его будущими 16-нанометровыми чипами предлагает трехмерную интеграцию — в 2016 году ее можно будет использовать, например, для процессора iPhone 7, ведь помимо прочего Apple является клиентом TSMC.

Производитель запускает технологию с помощью TSV (от англ. Through-Silicon Vias — сквозные отверстия в кремнии). TSV предполагает просверливание отдельных отверстий размером до десяти нанометров в кремниевой пластине и заполнение электрическим проводником.

Ввиду монолитности TSV действует только как временное решение: здесь весь процессор состоит только из блока материалов, в котором кремниевые слои напрямую соединены с транзисторами проводами толщиной около 100 нм.

Только самый нижний слой создается на обычной кремниевой пластине. На нее последовательно накладываются другие слои, и, соответственно, создаются транзисторы и провода. Это удается только в том случае, если работать с температурами до 400 °C.

Поскольку слои находятся еще ближе друг к другу, а провода становятся меньше, данные передаются с меньшим расходом энергии и быстрее чем с TSV.

Новые технологии производства SSD

С 2015 года будут доступны TSV-чипы, изготавливаемые из нескольких кремниевых пластин. Существенное увеличение соединений между слоями получается из изготавливаемых только из одной кремниевой пластины монолитных 3D-чипов.

Ячейки флеш-памяти в том виде, в каком они сегодня используются в твердотельных накопителях, сходны с логическими транзисторами с дополнительным компонентом — плавающим затвором. Он находится между каналом и затвором и служит в качестве накопителя электронов.

Актуальные ячейки флеш-памяти имеют ширину менее 20 нм, и потому борются с теми же проблемами миниатюризации, что и транзисторы центрального процессора: ячейки находятся настолько близко друг к другу, что накопленные заряды создают взаимные помехи.

Если уменьшить ячейки флеш-памяти, чтобы они были удалены друг от друга только на десять нанометров, контроллер SSD при считывании больше не сможет передавать правильные значения. Поэтому такие производители твердотельных дисков, как Samsung, Toshiba, SanDisk и Hynix, сегодня изменяют конструкцию: они укладывают ячейки флеш-памяти таким образом, чтобы они состояли из отдельных трубок.

В своих твердотельных накопителях компания Samsung накладывает друг над другом 24 ячейки флеш-памяти. Свой электрический заряд они накапливают в слое нитрида кремния между затвором и каналом. Это позволяет создавать более высокую плотность записи в памяти и увеличивает срок службы ячейки.

Строение ячейки флеш-памяти упрощается: так, Samsung перемещает их в своем накопителе V-Nand и дает возможность дополнительного увеличения процессов записи/удаления с 3000 до 35 000, прежде чем иссякнет ресурс.

Кроме того, Samsung намеревается в десять раз увеличить плотность записи в памяти в SSD на базе V-Nand до 2017 года. Из актуальных чипов на 128 Гбит в таком случае должны получиться чипы на 1 Тбит.

Жесткие диски из нескольких магнитных слоев: новый прототип HDD международного университета Флориды может по-разному намагничивать три лежащих один над другим слоя. Считывающая головка также получает в ответ восемь возможных полей силы, которые она интерпретирует как битовые значения. Так максимальная плотность записи в памяти жестких дисков увеличивается в три раза.

Фотографии в статье: компании-производители; Taiwan Semiconductor Manufacturing CO LTD., IMEC, Image Courtesy Lawrence Berkeley National Laboratory, Samsung Иллюстрации: Andreia Margarida DaSilva Granada

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Ближайшее будущее микропроцессоров

2. Нано технологии

1. Ближайшее будущее микропроцессоров

Естественно, что последние несколько лет были отмечены большим прогрессом вычислительных систем. Однако какими каких бы успехов мы не достигли за прошедшие десять лет, в следующем десятилетии появление новых высокопроизводительных приложений широкое внедрение портативных компьютеров определят более высокие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.

Следует отметить то, что фактически произошел огромнейший прорыв в моделях использования компьютеров, определяются и проектируются компьютерные платформы будущего, которые значительно, повсеместно изменят не только вычисления, но и интерфейсы, а также требования к инфраструктуре.

Архитектура микропроцессоров 2015 года

Говоря о будущем, можно сказать, что процессоры и платформы станут не только более производительными, но и станут богаче и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.

Intel планирует в течение нескольких последующих лет выпустить процессоры, которые будут содержать множество ядер – в некоторых случаях даже сотни. В корпорации считают, что архитектуры Intel с поддержкой многопроцессорной обработки на уровне кристалла ( chip-level multiprocessing , CMP) представляют будущее микропроцессоров, потому что подобные архитектуры позволяют достичь огромных уровней производительности и в то же время, обеспечить эффективное управление питанием и эффективно осуществлять охлаждение.

В прошлом повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в большинстве случаев осуществлялось за счет увеличения тактовой частоты, то есть тактовая частота и оказывала основное влияние на производительность. Однако динамичное наращивание тактовой частоты встретит на своём пути ряд фундаментальных физических препятствий. Первое, при уменьшением размеров кристалла и с повышением частоты увеличивается ток утечки транзисторов. Что приведёт увеличению мощности и более сильному тепловыделению. Второе, Из - за задержки при обращении к памяти преимущество наращивания тактовой частоты на процессоре сводятся к минимуму, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам. Третье, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с увеличением тактовой частоты причиной тому служит фон-неймановское узкое место (ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений). При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.

Из этого следует, что увеличение тактовой частоты не панацея, необходимо другие решения в области увеличения производительности, отличными от повышения тактовой частоты больших монолитных ядер. Решению способствует разделение задачи на множество одновременных операций и их распределение между множеством небольших вычислительных устройств (принцип многозадачности). Многопроцессорная обработка будет естественно более производительна в отличие от последовательного выполнения операций с максимально возможной тактовой частотой. Процессоры с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при средних тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций. Новые Архитектуры смогут решить ряд проблем, связанных с повышением тактовой частоты (увеличение тока утечки, несоответствие производительности процессора и памяти, а также проблемы фон-неймановского узкого места).

Специализированное аппаратное обеспечение

Со временем большинство важных функций, выполняющиеся современным программным обеспечением или специализированными микросхемами, перейдут непосредственно к процессору. Это направление является основным в развитии бизнес - моделей на протяжении последних лет. Передавая выполнение функций на кристалл, мы получим выигрыш в скорости, экономия места и значительное сокращение энергопотребления. Связь с малыми задержками между специализированным аппаратным обеспечением, ядрами общего назначения возможно будет очень важным этапом для удовлетворения потребности производительности и функциональности архитектур будущих процессоров и платформ. Специализированное аппаратное обеспечение – является важной составляющей архитектур будущих процессоров и платформ. Примерами таких устройств, реализованными в прошлом – вычисления с плавающей запятой, обработка графики и сетевых пакетов. На протяжении нескольких лет в процессорах специализированное аппаратное обеспечение будет использоваться для широкого спектра задач. К которым можно отнести: критические функциональные блоки приемопередатчиков для беспроводных сетей, цифровую обработку сигналов, рендеринг трехмерной графики, расширенную обработку изображений, распознавание речи и рукописного текста, расширенные функции безопасности, надежности и управления, обработка XML и других интернет-протоколов , извлечение информации, а также обработка естественных языков.

Подсистемы памяти большой емкости

Чтобы управлять всеми сложными процессами происходящими в процессоре: назначением задач ядрам, включением и выключением ядер при необходимости, реконфигурацией ядер при изменении рабочей загрузки и многими другими микропроцессорам потребуется внушительные интеллектуальные способности. В архитектурах с развитыми возможностями параллельной обработки процессор сам по себе сможет выполнять несколько потоков вычислений, невидимых на пользовательском уровне, разделяя приложение на потоки, которые могут выполняться параллельно. Один из способов продуктивно выполнить весь ряд этих задач – использовать встроенное микроядро, дополняющее ПО высокого уровня для решения задач всестороннего управления аппаратным обеспечением.

Виртуализация

Микропроцессоры будущего будут работать с несколькими уровнями виртуализации, которая необходима для того, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от расположенного выше Программного обеспечениия . Виртуализация используется для обеспечения управляемости, надежности и безопасности. Процессор представляет собой множество виртуальных процессоров, часть из которых будет решать задачи управления и безопасности, другие будут управлять приложениями.

Управление питанием и охлаждением

В настоящее время существует тенденция, что увеличение производительности на один процент вызывает повышение потребляемой мощности на три процента. Происходит это из-за того, что при уменьшении размера транзисторов, их плотности на кристалле, в месте с тактовой частотой будет возрастать ток утечки, это в свою очередь приведёт к нагреву и бесполезному расходу электроэнергии. При росте плотности транзисторов небольшими темпами, но при этом инноваций в области управления питанием, микропроцессоры станут выделять десятки тысяч ватт тепла на квадратный сантиметр.

Для соответствия запросам будущего, необходимо кардинально сократить потребляемую мощность. Для чего могут быть использованы несколько технологий которые позволят создать процессор состоящий из десятков и или сотен небольших ядер с низкой потребляемой мощностью и обеспечить всё это функцией интеллектуального управления питания. Подобное решение может сильно сократить потери электроэнергии, при этом будет пользоваться теми ресурсами которые необходимы ему в данный момент В дополнении всего подобная архитектура позволит воплотить ультравысокую производительность без ультравысоких тактовых частот, позволит обойти проблемы тока утечки которые вызывает увеличение частоты. Задачи, критичные по времени, будут работать на быстрых ядрах с большей потребляемой мощностью, в тоже время остальные будут работать, на более медленных ядрах с пониженным энергопотреблением.

Главная задача всех этих нововведений – создание архитектур с интеллектуальным управлением питанием, которое сможет автоматически менять конфигурацию процессора с учетом потребностей питания и рабочей нагрузки

Параллелизм

Если мы хотим добиться эффективности будущих архитектур, то как уже упоминалась ранее мы должны использовать принцип параллельности то есть разделение на подзадачи, которые могут выполняться одновременно на множестве ядер. Современные одноядерные и многоядерные процессоры способны одновременно обслуживать всего несколько потоков. Процессоры будущего сделают революцию, осуществляя обработку множества потоков. Некоторые задачи можно достаточно просто распараллелить с небольшой помощью компиляторов и в данном случае процессор и микроядро обеспечат необходимую много поточность.

Примером подобного разделения может служить обработка изображений которое можно разделить на множество отдельных областей, каждую из которых можно обрабатывать независимо и одновременно. К этой категории задач относится от 10 до 20% предполагаемых задач будущего. Вторая группа задач – около 60% –некоторые приложения баз данных, извлечения информации, синтеза, обработки текста и голоса. Третья группа – задачи, которые сделать параллельными трудно, к таким задачам можно отнести: задачи с линейными алгоритмами, когда выполнение каждой стадии зависит от результатов выполнения предыдущей стадии.

Анализируя сегодняшние потребности и тенденции, можно утверждать, что архитектура процессоров и платформ должна двигаться в направлении виртуализированной , реконфигурируемой архитектуры с большим числом ядер, богатым набором встроенных функциональных возможностей, большим объемом внутри кристальной памяти и интеллектуальным микроядром. Подобное динамичное развитие архитектур, ведущая к увеличению объёмов вычислений и неукоснительным соблюдением совместимости с тысячами существующих приложений, даёт нам право сказать, сто процессоры и платформы в ближайшем будущем дадут старт созданию супер мощных приложений, что повлечёт за собой кардинальные изменения в жизнедеятельности человека и государства.

2. Нано технологии

Нано технология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нано технологии в микроэлектронике – достаточно остро обсуждаемая в данное время тема, ей посвящены огромное количество трудов, сотни научных конференций и семинаров. Следует отметить интерес производителей процессоров к данной области в 2002 и 2003 годах затраты Intel на проведение научных исследований в области нано технологий в микроэлектронике составили более 4 миллиардов долларов. Чтобы микропроцессоры с десятками и сотнями миллионов транзисторов не сгорели при работе на частотах в единицы ГГц. Intel ведет исследования в области нано технологий в микроэлектронике. Уже не существует преград геометрического разрешения в 0,1 мкм или 100 нм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами уже существует возможность получать разрешение менее 40-50 нм.

Толщина диэлектрика полевых транзисторов сейчас составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием само формирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев. Чтобы улучшить электрические характеристики кремния используется его растяжение называемый напряженный кремний, улучшающее атомарную структуру материала.

Замена алюминия медью в проводниках даёт дополнительные преимущества, так как известно медь металл обладающий меньшим удельным сопротивлением, чем алюминий. Уже сейчас благодаря исследованиям в этой области мы можем создавать пластины и даже трубки толщиной в атомный слой, и это ещё не является пределом. Можно сказать, что рост транзисторов будет удваиваться каждые полтора-два года. Повсеместное внедрение персональных ЭВМ изменило требования к приложениям. Основными из которых стали: дружественность к пользователю, эстетичность, надежность программ, универсальность их функций, простота освоения компьютера.

Нано технологии в микроэлектронике развиваются уверенными шагами. В данное время в России созданы научные центры и открываются факультеты в ВУЗах, ориентированные на изучение нано технологий и их развитие.

Сейчас работы в области нано технологий ведутся в четырех основных направлениях:

•биохимические и органические решения;

• квазимеханические решения на основе нано трубок;

Рассмотрим более подробно каждую из них:

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекул как активных элементов электроники уже давно привлекает внимание учёных различных областей науки. Но только в последнее время, после осознания границ потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной электронике построения базовых элементов электроники возрос и стали проводиться глубокие исследования в этом направлении, которые стали сегодня одним из значительнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.

Перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время довольно широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низко размерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Исследователи надеются, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.

Не случайно молекулярным системам предаётся такое важное значение . Во-первых, молекула представляет собой идеальную квантовую структуру, состоящую из отдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическими законами и является естественным пределом миниатюризации. Ещё одной, не менее значительной особенностью молекулярной технологии, является то, что создание подобных квантовых структур в значительной мере облегчено тем, что в основе их создания лежит принцип само сборки. Способность атомов и молекул при определенных условиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярные образования является средством организации микроскопических квантовых структур; оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтез молекулярной системы является первым актом само сборки соответствующих устройств.

Сейчас ведётся активный поиск концепций развития молекулярной электроники и физических принципов функционирования, и разрабатываются основы построения базовых элементов. Для реализации стоящих перспективных задач, необходимы исследования в различных областях науки, уже сейчас во всех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся международные конференции и семинары.

Биохимические и органические решения

Сегодня биофизики выявили более пятидесяти соединений, на основе которых могут быть построены процессоры-модели различных нелинейных задач. Отдельного внимание следует уделить разработки нового типа процессора - белкового.

Управление у вышеупомянутого процессора химическое: воздействуя на него различными веществами, можно регулировать законы распространения волны - тоесть получить волну, развитие которой описывается такими же уравнениями, что и исследуемые процессы. При помощи таких процессоров можно моделировать нелинейные задачи, решить которые сегодня не могут даже суперкомпьютеры. Причем решение мы получаем мгновенно. Ведь ответ на задачу - поведение самой волны.

Каждая частица белка на подложке процессора имеет диаметр 50 мкм и занимает площадь меньшую, чем транзистор на подложке интегральной микросхемы. То есть если провести расчёт: на подложке площадью в один квадратный сантиметр можно разместить 1012 вычислительных белковых ячеек. В создание волны за одну секунду вовлекаются 1012 частиц. Вследствие чего мы получим довольно неплохое быстродействие - миллион операций в секунду, учитывая, что волна движется со скоростью всего лишь в одну десятую миллиметра в секунду. Однако скорость этого движения можно увеличить путём изменения веще ств вх одящих в состав белков.

Как уже было сказано, чтобы улучшить быстродействие нужно производить манипуляции с волной, но волна не видима. Учёным удалось решить и этот вопрос. Они сделали волну видимой сопровождая её движение изменением цвета либо излучением световых волн Т еперь у нас есть возможность наблюдать за волной при помощи оптических устройств.

На сегодняшний день можно смело заявить о новом поколении вычислительных устройств - гибридах электронной техники и биологии. Квазимеханические решения на основе нано трубок

Углеродные нано трубки (НТ) - своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Эти полимерные системы впервые были обнаружены менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза. Тем не менее в настоящее время на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нано метрового (молекулярного) размера. Планируется, что в скором временем они вытеснят своих устаревших предшественников. В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации (порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины станут иметь безграничную память с колоссальным быстродействием, ограничиваемое только временем прохождения сигнала через прибор.

Существует 2 основных типа нано трубок: одно стенные нано трубки ОСНТ ( single-walled nanotubes - SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, и много стенные МСНТ ( multi-walled nanotubes - MWNT), которые состоят из множества сгруппированных углеродных трубок. Особенность нано трубок, способность крепко слипаться между собой, формируя набор или “канат”, включающий в себя металлические и полупроводниковые нано трубки. Металлические проводящие ток нано трубки могут выдерживать плотности тока в 100 раз выше, в отличи и от обычных металлов, а полупроводниковые нано трубки можно электрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом, что даёт возможность создавать полевые транзисторы.

Квантовые компьютеры

Компьютер на ядерно-магнитном резонансе.

Компьютер на ионных ловушках.

Квантовый компьютер на твердом теле.

Оскольский политехнический колледж

В основе любой ЭВМ лежит использование микропроцессоров. Это самое важное устройство любого компьютера. Именно от него зависит уровень производительности любого компьютера, и не только персонального. Микропроцессоры окружают человека везде. Любая электроника в современном обществе снабжена своим микропроцессором.
В 1971 году был создан первый микропроцессор, а вместе с ним наконец-то родилось четвертое поколение компьютеров.

Центральный процессор (CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ). Иногда называют микропроцессором или просто процессором.Главными характеристиками центрального процессорного устройства (ЦПУ) являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной программы, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов процессоров.[1]

Глядя в будущее, можно сказать, что процессоры и платформы будут выделяться не только высокой производительностью самой по себе, но также богатыми и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.

Читайте также: