Ритуалы 

В чем смысл закона мура. Закон Мура и квантовый компьютер. NVIDIA сотрудничает с DARPA в разработке систем для эпохи после закона Мура

Настоящая статья основана на пресс-релизе корпорации Intel и других официальных материалах, так как никто не расскажет лучше о своём создателе, чем его дитя.

В апреле 1965 года, примерно за три с половиной года до создания корпорации Intel, Гордон Мур (Gordon E. Moore), занимавший в ту пору должность директора отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, в статье для журнала Electronics дал прогноз развития микроэлектроники, получивший вскоре название закона Мура.

Ныне доктор Гордон Мур является почетным председателем совета директоров корпорации Intel. В августе 1968 года он стал одним из основателей Intel и в течение последующих семи лет занимал должность исполнительного вице-президента корпорации. В 1975 году он стал президентом и главным управляющим Intel и занимал обе должности до 1979 года, когда пост президента сменил на должность председателя совета директоров. Главным управляющим Intel Гордон Мур работал до 1987 года, а на посту председателя совета директоров - до 1997 года, когда его удостоили звания почетного председателя совета директоров. 19 апреля Закону Мура исполнилось 40 лет, и все эти годы он остается непререкаемым правилом для всей индустрии информационных технологий.

40 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. Чипов тогда производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство - все более массовым.

По своей сути закон Мура является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции «International Electron Devices Meeting», Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. И опять он оказался прав, разве что в последние годы количество транзисторов на микропроцессоре порой удваивается с интервалом в полтора года.

Почему столь простая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется во всем мире, став своеобразным фетишем для тех, кто работает на рынке информационных технологий? И почему закон Мура стал настолько универсальным, что его без колебаний применяют при прогнозировании роста Интернета и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения емкости жестких дисков и многого другого?

Происходит все это, прежде всего, потому, что закон Мура в на редкость простой, доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без компьютеров всех сортов. Некоторые аналитики даже предсказывают, что «конец эпохи закона Мура» приведет к новой великой депрессии, до самых основ потрясшей американскую экономику в 30-е годы прошлого века. Так или иначе, обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного, очень быстрого прогресса технологий, а значит, и всей мировой экономики.

Вездесущий микропроцессор

Когда в 1971 г. Intel выпустила свой первый микропроцессор, никто и предвидеть не мог весь диапазон использования микроэлектроники. Перечислим лишь некоторые из областей применения микросхем:

  • Контроллер светофора
  • Интерактивные игрушки
  • Радиомодем
  • Передача спутниковых данных
  • Цифровая автомобильная навигационная система
  • Автомобильная система управления зажиганием и впрыском
  • Принтеры
  • Профессиональный звуковой микшерный пульт
  • Локомотивы (микропроцессор управляет распределением электроэнергии по двигателю)
  • Интерактивный видеоэкран с тактильным управлением
  • Клавиатура терминала
  • Система управления распределением энергии
  • Контроллер процесса (микропроцессор управляет такими переменными технологического процесса, как температура, давление, расход, уровень и т. п.)
  • Система поиска рыбы
  • Электроорган, гитара, синтезатор
  • Детектор гелия
  • Физкультурное оборудование
  • Электронные «стрелки»
  • Лабораторные весы
  • Контроллер сцепления трансмиссии морского катера
  • Кассовый терминал
  • Сотовый телефон
  • Декодер кабельного TV
  • Факсимильный аппарат
  • Спутниковый приемник
  • Медицинское оборудование
  • Система поиска пациента и тревожного оповещения
  • Торговые автоматы
  • Электронный плотницкий уровень
  • Фотокопировальный аппарат
  • Принтер этикеток со штрих-кодом
  • Рука робота

Любопытные факты и цифры

В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (1019).

Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк-Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.

За время существования корпорации Intel (то есть с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак - например, запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн транзисторов.

Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Что дальше?

За истекшие сорок лет скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую кончину, но ученые и инженеры Intel своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации.

На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков (IDF) главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер сказал: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области ». Первоначально закон Мура был простым выводом из наблюдений за первыми этапами развития индустрии микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Но уже через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? - говорит П. Гелсингер - В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала 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 еще двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли ».

«Закон Мура - основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей », - заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний (этого года) Форум Intel для разработчиков. - «Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество ». Со своей стороны, в своем выступлении на последнем IDF Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 млрд долларов.

В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год - внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркнул Паоло Джарджини, в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.

Тогда же Паоло Джарджини заявил, что вплоть до 2020 года Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы - с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них - организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн.

В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место », - пишет Джарджини в одной из своих работ. - «Можно производить множество операций, не теряя электронов ».

Другая альтернатива - углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок - 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления », - пишет Джарджини. - «Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла ».

Следующая альтернатива - изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников - покажет время.

Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся буквально вездесущими, а достижения высоких технологий - максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными нишами Intel предлагает использовать их и в совершенно новых областях: в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических технологиях. Так что, по мнению руководства Intel, все только начинается…

Вот уже на протяжении 40 лет развитие микроэлектроники служит главной движущей силой всемирной технологической революции, принося радикальные позитивные перемены в жизни миллиардов людей. Закон Мура открывает новый, удивительно увлекательный и разнообразный цифровой мир. Будущее уже наступило, и осталось лишь научиться жить в нем.

От себя только остаётся поздравить дедушку электронной промышленности с этим юбилеем и пожелать ему здоровья и творческого долголетия.

Те, кто интересуется дополнительными материалами, например, оригинальным текстом, могут найти их по .

Наверное, многие из вас задавали себе ряд вопросов: почему быстрые процессоры появляются только сегодня? Какие процессоры появятся завтра, и от чего это зависит? Почему современные процессоры сильно греются? В данной статье мы постараемся ответить на все эти вопросы и обрисовать некоторые перспективы.
Процессоры - это сложные устройства, базирующиеся на транзисторах . Транзистор является мельчайшим вычислительным элементом, который можно сравнить с краном: если кран открыт, то вода льется, если закрыт - то нет. Используя комбинацию множества таких "кранов", мы можем создавать сложные логические схемы. Современные процессоры состоят из миллионов транзисторов, в то время как первые модели насчитывали всего несколько тысяч (эволюцию процессоров вы можете проследить по соответствующей таблице).
В 1965 году Гордон Мур , один из основателей компании Intel , публикует в журнале Electronics статью. Впоследствии эта статья стала легендарной, а сделанное в ней предположение получило название "закона Мура". Следует отметить, что закон Мура является наблюдением - то есть когда-то он может перестать выполняться. Но вот уже почти 40 лет закон Мура работает. К сожалению, автор дал запутанную и длинную формулировку этого закона, поэтому мы перефразируем ее так: "каждые два года число транзисторов на процессорах, которые выгодно производить, удваивается ". Чтобы понять ее важность и разобраться в последствиях, давайте представим себя в роли производителя процессоров.

Создаем свой процессор
Чипы вырезаются из кремниевых подложек - круглых пластин, которые на современных заводах достигли диаметра 300 мм.
В процессе производства на пластинах вытравляются транзисторы. Однако также возникают и дефекты - они на схематическом изображении подложки показаны желтыми точками. Процессоры с дефектными участками придется выкинуть. На нашем примере из подложки получается 16 процессоров. При этом 4 процессора пойдут в мусорное ведро, поэтому доля выхода годных чипов составляет 75%, а убытки за счет дефектных процессоров нам придется компенсировать повышением цены на оставшиеся 12 чипов. Как же сделать так, чтобы чипы стоили дешевле - чтобы наше производство было рентабельным?

Способ I
Улучшаем технологический процесс производства
Когда производитель процессоров запускает новый завод, он указывает два параметра: диаметр подложки и размер элемента. Как вы понимаете, чем больше диаметр подложки, тем больше мы сможем получать из нее процессоров . Однако здесь есть ограничивающий фактор: число дефектов около края подложки выше, чем в центре. Совершенствование технологии подложек направлено на увеличение "благоприятной зоны" в центре. Как только производитель этого достигает, он может переходить на подложки большего диаметра. Так, процессоры для первого IBM PC (1981 г.) производились из 50-мм подложек, в то время как на современных заводах используются 300-мм подложки (Intel) и 200-мм (AMD).
Под размером элемента понимают минимальный размер детали (транзистора), которую оборудование завода может вытравить на поверхности подложки. Так, под фразой "новые процессоры Prescott перешли на 0,09-мкм технологический процесс" следует понимать то, что размер минимального элемента завода по производству Prescott составляет 0,09 микрометра (миллионная часть метра). Процессоры первого IBM PC имели размер элемента 3 мкм, процессор Pentium - 0,8 мкм, а современные Pentium 4 - 0,09 мкм. Соответственно, чем меньше размер элемента, тем меньшую площадь будет занимать процессор и тем больше процессоров мы сможем получить из одной подложки .
Итак, поднять эффективность производства можно с помощью увеличения диаметра подложки или уменьшения размера элемента - но и тот, и другой способы являются накладными, поскольку предусматривают полную замену оборудования на заводе. Есть ли еще варианты?

Способ II
Уменьшаем размер чипов
Инженеры нашего завода создали микропроцессор, который будет состоять из 100 миллионов транзисторов. Так получилось, что на мощностях нашего завода из одной подложки можно вырезать 16 чипов по 120 миллионов транзисторов. То есть мы можем разместить весь процессор на одном чипе, который можно назвать "сложным", поскольку он будет содержать большое число транзисторов. Но при этом процент выхода годных кристаллов составляет 75%. Мы знаем, что можно достичь лучших результатов. Давайте разобьем наш процессор на 4 отдельных чипа, по 25 миллионов транзисторов каждый.
 При этом из подложки можно вырезать 64 чипа, которые могут содержать до 30 миллионов транзисторов.
По-прежнему дефектными оказываются 4 чипа, но доля выхода годных чипов возросла с 75% до 94% - значимое улучшение. Недостатком подобного дизайна будет вы

Переходим
на 4 чипа.
сокая стоимость упаковки чипов - ведь нам нужно будет упаковать в один цельный процессор четыре чипа. Фактически, увеличение стоимости упаковки съедает весь тот выигрыш в стоимости, который мы получили, увеличив долю выхода годных кристаллов с 75% до 94%.
Существует ли здесь "золотая середина"? Предположим, что наши инженеры ее нашли: если мы будем получать с одной пластины 36 чипов по 53 миллиона транзисторов. Тогда мы можем сделать наш процессор двухчиповым, по 50 миллионов транзисторов в каждом чипе. При этом уровень выхода годных кристаллов составит 89% - лучше, чем в случае с 16 чипами, но хуже, чем при получении 64 чипов. Кстати, процессоры Pentium II и Pentium III состояли не из одного чипа - у них был внешний кэш L2. Тогда процессор вместе с кэшем упаковывались в отдельный картридж.
Переходим
на 2 чипа.

Подведем итог: при данной плотности расположения дефектов на пластине оптимальное число транзисторов, при котором достигается минимальная себестоимость производства кристаллов, составляет 53 миллиона транзисторов на процессор. Это число и фигурирует в законе Мура. Как предсказывал Гордон Мур в своей статье, оптимальное число транзисторов будет удваиваться каждые два года.
Оптимальное число транзисторов зависит от следующих факторов (в порядке уменьшения влияния):
1. размер элемента;
2. диаметр подложки;
3. среднее число дефектов на квадратный сантиметр;
4. затраты на упаковку чипов.
Закон Мура очень важен, поскольку он описывает многие события в мире процессоров. К тому же из закона Мура выводятся интересные следствия.Следствия закона Мура
Для лучшего визуального представления разделим каждый процессор, в свою очередь, на блоки. За основу возьмем наш процессор в 100 миллионов транзисторов и разделим его на 36 блоков. При этом каждый участок будет состоять примерно из 3 миллионов транзисторов. Увеличиваем функциональность
Продолжая пример, приведенный выше, мы построили второй завод, который имеет ту же плотность дефектов и размер подложки, однако мы смогли значительно снизить размер транзистора, увеличив плотность расположения транзисторов в 2 раза. Если взять пример оптимального разбиения подложки на 36 кристаллов, то тогда каждый кристалл сможет вмещать 106 миллионов транзисторов - то есть наш процессор со 100 миллионами транзисторов теперь легко поместится на один кристалл, и теперь мы будем изготавливать процессор из одного чипа, экономя на упаковке. Если обратиться к истории, то процессоры Intel Pentium III сначала изготавливались в многочиповом варианте, с внешним кэшем 512 Кбайт (ядро Katmai ), а затем появились одночиповые варианты Pentium III с кэшем 256 Кбайт на кристалле процессора (ядро Coppermine ).
Но не будем на этом останавливаться. Построим третий завод, у которого размер элемента еще меньше. Поскольку наш процессор уже полностью входит на кристалл, можно расширить его возможности, увеличив функциональность. Так произошло при переходе от 386 процессора к 486 : тогда на кристалл был добавлен сопроцессор для работы с плавающ ей запятой, до этого существующий в виде отдельного чипа. Затем на кристалле процессора появился кэш сначала первого (486), а затем и второго и третьего уровней. С переходом ядра Willamette Pentium 4 на Northwood мы стали свидетелями увеличения на кристалле процессора кэша второго уровня. Опять же, недавно вышедший Prescott с 0,09-мкм технологическим процессом вновь получил увеличение кэша L2 до 1 Мб.
Добавление новых функций (сопроцессор, кэш и т.д.) непосредственно на кристалл процессора позволило ощутимо увеличить его производительность, не говоря о снижении затрат на упаковку. Так что закон Мура действительно можно связать с вычислительной мощностью.Уменьшаем размер кристалла
При переходе на меньший размер элемента вместо добавления новых функций на кристалл процессора мы можем оставить все как есть и просто уменьшить площадь ядра.
Обратите внимание на два столбца слева. Первый показывает импульсы тактовой частоты (мегагерцы), второй - тепловыделение (ватты). Уменьшение площади кристалла дает очень хороший эффект: снижение тепловыделения (немало этому помогает и то, что переход на меньший размер элементов позволяет понизить напряжение питания). В результате процессор будет меньше греться, кулер будет работать с меньшими оборотами вентилятора - то есть тише.
Тепловыделение также связано с тактовой частотой процессора. Как знают любители разгона, повышение тактовой частоты приводит к увеличению выделяемого тепла. Чтобы уменьшить размер кристалла чипа, не снижая тепловыделение, можно поднять тактовую частоту так, чтобы количество выделяемого тепла осталось прежним.
Подведем итог. Снижение размера элемента дает нам две возможности: одна -добавить новые функции на кристалл, а вторая - уменьшить размер кристалла, в то же время сохраняя прежний набор функций. Что интересно, вторая возможность распадается еще на два варианта: увеличение тактовой частоты процессора - с повышением тепловыделения, сохранение тактовой частоты на прежнем уровне - со снижением тепловыделения.Практические выводы
Итак, мы представили работу завода по производству процессоров. Но как работают настоящие заводы? Выполняется ли в реальности закон Мура вместе со следствиями из него?
На самом деле размер кристалла процессора с 1970 года рос со скоростью примерно 7% в год (несмотря на уменьшение размера транзисторов). Связано это с тем, что при выборе между добавлением новых функций на чип или уменьшением его размера и тепловыделения разработчики процессоров чаще всего выбирали первое. На определенных линейках процессоров, типа Pentium III или G4 , к примеру, уменьшение размера элемента часто приводило к уменьшению тепловыделения. Но когда разработчики процессоров принимались за продукт следующего поколения (например, Pentium 4), они с самого начала думали не о ваттах, а о производительности. А повышение производительности всегда означало нахождение способа использования возросшего числа транзисторов - а не их отсечение в угоду уменьшению площади.
С новым дизайном процессоров часто случается ситуация, когда инженеры пытаются добавить так много функций на чип, что размер ядра значительно возрастает, несмотря на уменьшение размера элемента. К примеру, при разработке Pentium 4 планировалось сразу же оснастить процессор очень большим кэшем. Но 0,18-мкм технология не позволила это сделать - чип получался слишком крупным и дорогим. Поэтому первый Pentium 4 вышел с кэшем L2 в 256 Кбайт.
Тактовые частоты процессоров за последние два десятилетия выросли на несколько порядков. Если раньше процессоры работали на частоте 5-10 МГц (8086 ), то к концу 2004 года частота вырастет в сотни раз - до 4 ГГц (Pentium 4). Рост тактовых частот, опять же, приводил к увеличению тепловыделения. Кстати, тактовые частоты тоже удваиваются в среднем за два года - аналогично числу транзисторов в законе Мура.
Практический итог таков - увеличивается площадь кристаллов, повышается тактовая частота. Поэтому повышается и тепловыделение. Если раньше процессоры работали вообще без кулеров, то сегодня кулер просто необходим - без него процессор сгорит (или, в лучшем случае, откажется работать). Будущее закона Мура
Компания Intel заявляет о том, что закон Мура должен выполняться до 2010 года. Про дальнейшее его развитие говорить пока рано. Попытаемся спрогнозировать, к каким последствиям приведет дальнейшее выполнение закона Мура.
Первое последствие заключается в высоком тепловыделении. К сожалению, тепловыделение нельзя увеличивать бесконечно. В какой-то момент потребуется еще более сильное охлаждение (водяное или компрессорное). Эффективное охлаждение - настоящая "головная боль" современной индустрии. А производители чипов пытаются найти различные подходы, направленные на снижение тепловыделения своих продуктов. Возможно, процессор будет разбит на несколько частей - либо все большую популярность будут приобретать двухпроцессорные системы.
Следствием закона Мура является непрерывное повышение производительности. Однако многие пользователи замечают, что для большинства задач хватило бы и Pentium III 1 ГГц. Поэтому Intel сегодня тратит немало усилий на популяризацию новых задач, которые могли бы в полной мере нагрузить новые мощные процессоры. Яркий пример таких задач - компьютерные игры. Возможно, в недалеком будущем мы столкнемся с ситуацией, когда игры станут "продавать" процессоры, а не только графические ускорители.
Возможно, станут очень популярны распределенные вычисления. Вместо монструозного центрального процессора на 500 миллионов транзисторов будет лучше, к примеру, распределить эти транзисторы между настольным компьютером, ноутбуком, КПК и другими типами устройств. Более того, все эти 500 миллионов транзисторов должны быть максимально дешевыми и потреблять минимум энергии. Это близко к оригинальному видению Мура - дешевым и повсеместным вычислениям.
Третье следствие - проблемы, связанные со смешением различных типов цепей на одном кристалле. Мобильные компьютеры требуют, чтобы на один кристалл были интегрированы все функции, включая память, процессор и множество вариантов беспроводной связи. Некоторые производители решают проблему "в лоб", стараясь интегрировать их на кристалл любым способом, другие же пытаются найти новые технологии упаковки, которые позволят комбинировать множество чипов с множеством функций в одном модуле.

 Эволюция процессоров и закон Мура
Процессор

Закон Мура умер в возрасте 51 года после продолжительной болезни.

В 1965 г. один из основателей компании Intel Гордон Мур заметил, что число электронных компонентов в интегральных схемах удваивается примерно каждые 12 месяцев. Кроме того, как много раз говорилось на этом сайте в 2003 г., оптимальное с точки зрения цены количество транзисторов в одной микросхеме удваивалось каждые 12 месяцев. В 1965 г. самая низкая стоимость одного транзистора достигалась при 50‑ти транзисторах на одной микросхеме; Мур предсказал, что в 1970 г. оптимальное количество достигнет 1 000 компонентов на микросхему, а цена за транзистор упадёт до 90 центов.

Кое‑что добавив и упростив, это наблюдение стали называть «Законом Мура»: количество транзисторов на одну микросхему будет удваиваться каждые 12 месяцев.

В этом наблюдении не было ни научной, ни инженерной необходимости. Гордон Мур просто зафиксировал текущее положение дел. Индустрия микроэлектроники приняла эту заметку не только как описание ситуации и предположение о будущем, но и как имеющий силу, директивный закон - цель, к которой должна стремиться вся промышленность.

Достижение этой цели не произошло само собой. Создание кремниевой микросхемы сложный процесс, включающий оборудование, программное обеспечение и сырьё, и всё это исходит от нескольких разных компаний. Чтобы синхронизовать работу отдельных производителей для обеспечения Закона Мура, представители индустрии публиковали графики появления технологий и переходов на новые уровни, необходимых для соблюдения Закона Мура. Ассоциация полупроводниковой промышленности, состоящая преимущественно из компаний Северной Америки и включающая фирмы Intel, AMD, TSMC, GlobalFoundries и IBM, начала публиковать такие графики в 1992 г., а в 1998 г. к ассоциации присоединилось множество организаций со всего мира, чтобы составить Международный план по развитию полупроводниковой технологии. Последний план был опубликован в 2013 г.

Проблемы с оригинальной формулировкой закона проявились уже на ранних стадиях. В 1975 г., собрав больше фактических данных, Гордон Мур внёс корректировки в закон: время удвоения он увеличил с 12 месяцев до 24. Однако на протяжении трёх десятилетий простое пропорциональное уменьшение геометрических размеров - уменьшение всех элементов на микросхеме - обеспечило стабильное соблюдение предсказаний Мура.

В 2000 г. стало ясно, что пропорциональное уменьшение размеров уже подошло к своему пределу, но были разработаны различные технические меры, чтобы продолжать двигаться по кривой закона. При 90 нм был применён напряжённый кремний, при 45 нм - новые материалы для увеличения ёмкости каждого транзистора, наслоённого на кремний. При 22 нм эстафету подхватили транзисторы с тройным затвором.

Подпись к изображению: Экстраполяция оптимального (с точки зрения цены за один компонент) количества электронных компонентов на одной интегральной схеме»

Но и эти техники исчерпали свои возможности. Существуют большие сложности с процессом фотолитографии, используемой для переноса топологии микросхемы на кремниевую подложку: применяемый сегодня свет с длиной волны в 193 нм позволяет достичь разрешения в 14 нм. Применение света с меньшей длиной волны возможно, но усложняет производственный процесс и увеличивает его стоимость. Долгое время была надежда, что фотолитография в глубоком ультрафиолете (экстремальная ультрафиолетовая литография - ЭУФ), в которой используется источник с длиной волны в 13,5 нм, позволит преодолеть это ограничение, но готовые к внедрению в производство технологии ЭУФ обнаружили множество сложностей, связанных с их наладкой.

Даже при использовании ЭУФ всё равно не ясно, насколько ещё возможно уменьшать размеры элементов; при 2 нм транзисторы будут всего 10 атомов в ширину, и вряд ли они будут надёжно работать при таких размерах. Даже если бы эту проблему удалось решить, то встаёт во весь рост угроза большого энергопотребления и рассеяния мощности: по мере уплотнения компоновки транзисторов увеличивается и рассеяние.

Новые технологии, как, например, напряжённый кремний и транзисторы с тройным затвором, потребовали больше десяти лет на внедрение в производство. Разговоры об ЭУФ идут уже ещё дольше. Присутствует также важный фактор стоимости. У Закона Мура есть неприятный аналог - Закон Рока (по имени Артура Рока), в котором говорится, что стоимость фабрик по производству микросхем удваивается каждые 4 года. Можно разработать технологии для увеличения количества транзисторов на микросхеме, но производство соответствующего оборудования может обойтись в запредельную сумму. Ситуация усложняется ростом использования более простых и дешёвых процессоров.

Недавно мы видели, как компании сталкиваются с проблемами по этим причинам. Компания Intel планировала перейти на техпроцесс в 10 нм в 2016 г. с процессорами Cannonlake - переведённой на более тонкий техпроцесс версией 14‑нанометрового процессора Skylake, который поставляется в настоящее время. В июле прошлого года компания изменила свои планы. Новое поколение процессоров Kaby Lake выйдет в 2016 г. и будет производиться по 14‑нанометровому процессу. Выпуск Cannonlake с 10‑нанометровым процессом не отменены, но не ожидаются раньше второй половины 2017 г.

Всё это усугубляется тем, что всё большее количество транзисторов становится всё сложнее применить. В 1980‑х и 1990‑х значение дополнительных транзисторов было очевидным: процессор Pentium был гораздо быстрее процессора 486, Pentium II - гораздо быстрее Pentium и т. д., и т. п. Выполнение вычислительной задачи существенно ускорялось просто за счёт замены процессора, благодаря более быстрому процессору (учитывая развитие от простых процессоров с выполнением инструкций по порядку до сложных суперскалярных с внеочередным исполнением) и благодаря более высокой частоте. В 2000-х развитие в этих направлениях остановилось. Из-за проблем с тепловыделением рост частоты, по большому счёту, прекратился, а повышение производительности каждого отдельного процессорного ядра происходит лишь небольшими порциями. Взамен стали появляться несколько процессорных ядер на одной микросхеме. Это приводит к росту общей теоретической производительности процессора, но в реальности задействовать эти мощности на исполнение программного обеспечения довольно сложно.

Эти трудности означают, что план на основе Закона Мура больше не актуален. В 2014 г. создатели Международного плана по развитию полупроводниковой технологии решили, что следующий выпуск плана не должен соответствовать закону, а в научном журнале Nature («Природа») сообщили, что следующий план, ожидаемый к выходу в грядущем месяце, будет основаться на другом подходе.

Вместо того, чтобы концентрировать внимание на технологиях, применяемых в микросхеме, для создания нового плана будет использоваться подход под названием «Больше, чем закон Мура» («More than Moore»). Рост количества смартфонов и Интернета вещей, например, привёл к тому, что широкий спектр датчиков и процессоров с низким энергопотреблением теперь является важным ориентиром для компаний, производящих микросхемы. Использование высокоинтегрированных процессоров в таких устройствах привело к необходимости создания процессоров, содержащих не только логику и кеш, но и ОЗУ, регулятор мощности, аналоговые модули для навигационных систем, сотовой связи и Wi‑Fi или даже микроэлектромеханические элементы, как гироскопы и акселерометры.

Эти различные компоненты обычно используют разные процессы производства и предъявляют к ним разные требования, поэтому новый план будет содержать программу действий для объединения всего этого множества. Для интеграции различных производственных процессов и для использования различных материалов потребуются новые процессы и поддерживающие технологии. Производителям микросхем для этих новых рынков, внимание к таким вопросам, вероятно, более насущно, чем покорное удвоение количества транзисторов в процессорной логике.

Также будет уделено внимание новым технологиям, не связанным с используемыми сегодня техпроцессами для КМОП. Компания Intel уже объявила, что не будет использовать кремний для 7 нм. Антимонид индия (InSb) и арсенид индия‑галлия (InGaAs) кажутся перспективными и демонстрируют бо́льшую скорость переключения и меньшее энергопотребление, чем кремний. Продолжаются исследования углерода, как в форме нанотрубок, так и в виде графена, так что здесь также ещё могут быть достигнуты высокие показатели.

В то же время, уменьшение размеров, хотя и с более низким приоритетом, всё же остаётся в плане. Вслед за транзисторами с тройным затвором появятся, возможно, в районе 2020 г., транзисторы с круговым затвором и нанопроводы. К середине 2020‑х - монолитные трёхмерные микросхемы, в которых многослойные компоненты встроены в единый цельный кристалл кремния.

Тема дальнейшего уменьшения размеров ещё не закрыта. Использование альтернативных материалов, различных квантовых эффектов или даже таких экзотических технологий, как сверхпроводимость, может снова позволить с лёгкостью масштабировать микросхемы, как это было на протяжении десятилетий, или, может быть, вернуть времена, когда уменьшение происходило с преодолением трудностей, как в последние пятнадцать лет. Возможно, по какой-то существенной причине снова возникнет потребность в процессорах, которые просто быстрее, а не компактнее и потребляют меньше энергии.

Тем не менее на сегодня несоблюдение закона становится нормой. Времена, когда Закон Мура определял будущее развитие событий и был руководством к действию, прошли.

Закон Мура больше не актуален October 7th, 2017

С технической точки зрения закон Мура появился как простое наблюдение: в 1965 году один из основателей Intel Гордон Мур заметил, что в развивающейся индустрии компьютерной электроники наблюдается интересная закономерность: количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем постоянно увеличивалось примерно в два раза каждый год. Основываясь на этом наблюдении, от предсказал, что вычислительная мощность компьютеров соответственно будет увеличиваться (а ее стоимость снижаться) экспоненциально примерно каждые 2 года. Позднее он пересмотрел свой «закон» и сократил срок до 18 месяцев, поскольку темпы производства начали замедляться, однако основной посыл стал неотъемлемой частью нашего понимания принципов информатики, электроники и экономики.

В течение последних десятилетий определение закона изменилось, да и сам он многократно был поставлен под сомнение.

Теперь, кажется, пришло время и вовсе отказаться от этого правила.



В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Nanotechnology , команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировала необычные магнитные свойства систем, которые уже в ближайшем будущем могут значительно улучшить методы хранения данных.

В настоящее время данные считываются и записываются по принципу «один бит за один раз», что достигается изменением локализации магнитных частиц. Вместо этого, новый метод использует так называемые «скирмионы» — виртуальные частицы, основанные на небольших возмущениях ориентации магнитных элементов — вкупе с электрическими полями. Эти частицы, как оказалось, могут хранить данные намного дольше, чем традиционные системы.

Джеффри Бич, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, провел исследование, в котором впервые было описано существование скирмионов, еще в 2016 году. В нем он продемонстрировал, что виртуальные частицы можно создавать в определенных местах, тогда как ранее считалось, что их местоположение при генерации было случайным. Именно это и позволило специалистам разработать улучшенную версию технологии хранения данных.

На сегодняшний день емкости для хранения данных, существующие в виде физических носителей, в общем и целом соответствуют закону Мура. Как бы то ни было, эта технология уже практически достигла своего предела, и, если заменить ее более совершенной, на основе тех же скирмионов, то и сам закон можно было бы не просто переписать, а полностью устранить. Основная причина того, почему до сих пор разработки не вышли дальше лабораторных застенков, заключаются в методах считывания информации с новых носителей. Для достижения этих целей можно использовать рентгеновскую микроскопию, но подобное оборудование стоит дорого и практически недоступно рядовому обывателю, так что устанавливать его на портативные компьютеры нецелесообразно.

Будущее информационных технологий

Существуют и другие методы для чтения данных, но все они пока остаются на бумаге. Именно создание реалистично рентабельного, дешевого и применимого для ПК оборудования и станет одной из основных задач для инженеров в ближайшие несколько лет.

Несмотря на это, эпоха закона Мура определенно подходит к концу. Он исправно доказывал свою правоту на протяжении десятилетий, поскольку информатика сама по себе была весьма новаторским направлением науки, но теперь технологии подошли к следующему этапу своего развития. Речь идет не просто об отмене формального закона, но и о смене самих представлений человека о том, каких мощностей может достигнуть обработка и хранение данных.


источники

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.