Проблемы и пути развития элементной базы

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы. Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Проблемы развития:

· Сверхточная технология:

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы (ИС). Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии при производстве ИС напрямую определяются типом литографии. 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 200 линий.

· Сверхчистые материалы:

При высоких технологиях микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов. Достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак.

· Рассеиваемая мощность:

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой (Wn) и рассеиваемой (Wp) мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.

Пути развития:

· Молекулярный компьютер

Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). Это устройства, в которых вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат „интеллектуальные молекулы“. Такие молекулы могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора. Эффективность и производительность таких компьютеров в миллиарды раз выше современных (благодаря намного меньшим размерам молекулярного транзисторов и времени отклика).

· Квантовый компьютер

Квантовый компьютер - гипотетическое вычислительное устройство, которое путём выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм (при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний преобразуется одновременно) и квантовая запутанность (некое объединённое состояние атома — "распада — не распада"). Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров; квантовый компьютер, работая не с единицами информации, а с целыми массивами, действовал бы значительно быстрее.

· Оптический компьютер

Оптический компьютер - это сложная информационная система, в которой носители сигналов не электроны, а фотоны (частицы электромагнитного излучения). Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совершенно иную, чем электронный компьютер, архитектуру. Самые скромные оценки показывают, что за 1 такт длительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных порядка 1 мегабайта и более. Самый впечатляющий элемент оптического компьютера - это голографический экран. Оптический компьютер размером с ноутбук даст обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы. Специалисты с помощью оптического компьютера смогут обрабатывать данные геологоразведки прямо на месте исследования. Менеджер банка сможет работать с корпоративной базой, не выходя в открытую сеть - сколь велики бы ни были размеры базы данных, эта информация уместится в памяти оптического компьютера.

Функциональная и структурная организация компьютера

I Организация функционирования ПК с магистральной архитектурой

II Способы адресации

III Цикл выполнения команды