Наглядно.

P ~ f_n*E²

Поэтому рост тактовых частот ядра ограничен его тепловыделением.

Тактовые частоты ядра процессора перестали расти, не достигнув 4 ГГц (см. рис. выше).

Есть мнение, что существует и другая причина ограничения тактово частоты процессора - это ограничение пропускно способности шин для связи устройств ПК.

4. Уменьшение площади занимаемой транзистором. Размещение большего число транзисторов и усложнение структуры процессора на подложке, размер которо не превышает подложку предыдуще серии процессоров. Это свойство используют разработчики процессоров. Количество транзисторов на чипе постоянно растет.

Рост числа транзисторов происходит за счет усложнения структуры процессора и размещения на чипе процессора большего числа ядер, кэше увеличенного объема, контроллеров памяти и т.д. Это связано с развитием и совершенствованием процессоров направленных на увеличение скорости его работы и скорости работы системы в целом, на основе оптимизации его архитектуры. Количество ядер и размер кэша не могут увеличиваться бесконечно, так как, начиная с некоторого уровня, управление ими займет столько ресурсов, что прирост производительности процессора прекратится.

5. Увеличение числа ядер процессоров и объема КЭШ-памяти.

Увеличение их количества вызвано стремлением увеличить производительность системы. Как было отмечено выше, такое увеличение не может продолжаться бесконечно. Корпорация Intel планирует создать отдельные ядра многоядерного процессора под отдельные специализированные задачи, что позволит увеличить их производительность и отключать их в случае отсутствия для них задач. Такой подход позволит снизить потребляемую мощность процессора. Это требует увеличения числа узлов на кристалле и как результат увеличения числа транзисторов.

6. Увеличение числа контактов процессорного разъема (Soket'a).
3 фактора влияют на увеличение числа контактов:

• усложнение структуры процессора;

• рост потребляемого тока;

• увеличение частоты помехи.

а) Усложнение структуры процессора и увеличение его внешних связе создает потребность в увеличении числа контактов на Soket'e процессора. Но увеличение идет не только на количество внешних связе. Передача идет по парам проводников, поэтому число контактов увеличивается на удвоенное число внешних связе процессора.

b) Число контактов на Soket'e, для подачи питания на процессор превышает 150 пар. Этого требуют большие токи, подаваемые для питания процессора. Причем снижение питающего напряжения приводит к росту, подаваемого на процессор тока. Это происходит даже при сохранении потребляемой процессором мощности, потому что снижается величина питающего напряжения.

c) Параллельное соединение линий питания требует не только подача питания, но и вывод за пределы чипа и Soket'a широкополосных помех генерируемых процессором при работе. Для этого нужна низкая индуктивность линий распределения питания, что достигается, в применяемом конструктиве Soket'a, параллельным соединением множества контактов.

Таким образом, усложнение структуры процессора, рост потребляемого тока и необходимость вывода за пределы процессора генерируемо им помехи требует увеличения числа контактов на Soket'e. Увеличение числа контактов увеличивает размер Soket'a и соответственно индуктивность соединени на нем. При определенном размере Soket'a увеличение числа контактов не дает необходимого снижения их индуктивности.

7. Новые решения, направленные на разработку более быстродействующих транзисторов (например, транзисторов с вертикально структурой). Существуют много направлений развития, например:

• разработка транзисторов с вертикально структуро;

• создание двухзатворных транзисторов;

• разработка новых полупроводниковых материалов.

Появились новые полупроводниковые материалы, транзисторы выполненные на которых работают на более высоко частоте, при более высоких температурах.

По материалам (http://www.electrosad.ru/Processor/ProcTech3.htm).

Проблемы развития элементной базы

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит, и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейше элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительно степени связана с переходами на новые поколения элементно базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Успехи в создании новой элементно базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементно базы является показателем 'технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы. Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу программа - рисунок - схема. По программам на напыленный фоторезисторный сло наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половино миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойно структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующе оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400мм2 - для процессоров (например, Pentium) и 200мм2 - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,5 - 0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине волоса могут вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие достижения в микроэлектронике связываются с электронно (лазерно), ионно и рентгеновско литографией. Это позволяет выйти на размеры 0.25, 0.18 и даже 0.08мкм.

При таких высоких технологиях возникает целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по

производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в чистых помещениях класса 1, микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-4 Торр [3].

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой W_n и рассеиваемой W_p мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения W_n и W_p, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплиментарные схемы, т.е. совместно использующие п- и р-переходы в транзисторах со структурой металл - окисел -полупроводник).

Известно, что W=U*I. Напряжение питания современных микросхем составляет 5 -3V. Появились схемы с напряжением питания 2,8V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение сигнал-шум, гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. На рисунке 3.42 показано, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средне интеграции. Максимальная частота 1_тах=1011-1012Гц доступна очень немногим материалам: кремнию Si, арсениду галлия GaAs и некоторым другим. Поэтому они чаще всего и используются в качестве подложек в микросхемах.

Рисунок 3.42 -Зависимость частоты/от степени интеграции А

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактово частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высоко тактово частото, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высоко степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C), позволяет достигнуть fmax, при этом W_p=W_n=0. Очень интересны результаты по использованию "теплой

сверхпроводимости". Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для соле бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -1500С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

В качестве еще одного из альтернативных путе развития элементно базы ЭВМ будущих поколений следует рассматривать и биомолекулярную технологию. В настоящее время имеются опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на ток, на свет и т.п. Однако построение из них биологических микромашин еще находится на стадии экспериментов. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Осново для ЭВМ будущих поколений будут БИС и СБИС совместно с ССИС. При этом структуры ЭВМ и ВС будут широко использовать параллельную работу микропроцессоров.

Использование новых архитектур процессоров Хорошо отражено на примере процессора Intel Core (рассмотрено в перво части лекционного курса).