Настоящее и будущее компьютеров

Микропроцессоры

Любой из современных компьютеров создан на основе сверхбольших интеграль­ных схем и в качестве исполнителя программы и вычислителя имеет один или не­сколько микропроцессоров. Поэтому обсуждать настоящее состояние современных вычислительных машин мы начинаем именно с этого устройства.

Как уже отмечалось, развитие полупроводниковой технологии полностью под­твердило правоту прогноза Гордона Мура, согласно которому примерно каждый год число транзисторов в микросхеме будет удваиваться. Этот прогноз оказался настолько точным, что получил название закона Мура (табл. 12.2).

Этот закон одновременно демонстрирует беспрецедентную скорость разви­тия микропроцессорной технологии и дает возможность вычислить срок, когда человечество подойдет к технологическим границам, делающим невозможной дальнейшую миниатюризацию. Дело в том, что увеличение количества транзисто­ров на одном микропроцессоре при сохранении размеров самого чипа должно вести к уменьшению размера транзистора. Но размер транзистора невозможно умень­шать до бесконечности: как дом не может быть размером с кирпич, из которого он построен, так и транзистор рано или поздно достигнет размеров, сравнимых с размерами составляющих его электронов и его дальнейшее уменьшение станет невозможным. Еще в 2000 г. сроком достижения такого барьера называли 2020 г., но сегодняшний прогноз приблизил эту границу, и «технологический тупик» ожи­дается уже в 2017 г. С приближением подобных сроков всегда происходит ожив­ленный поиск в пограничных отраслях знания. Бизнес и правительства разных стран выделяют большие средства на поиск новых путей в микроэлектронике, вот почему так популярны сейчас темы «нетранзисторных» и «некремниевых» ком­пьютеров — устройств, основанных на химических, биологических или световых процессах.

Тем не менее специалисты корпорации Intel уверяют, что у них уже есть на­учные и технические решения, позволяющие следовать закону Мура до 2020 г. В качестве таких решений называют многослойные структуры микропроцессора, применение нанотехнологий, и другие.

Кроме проблем, связанных с геометрическими размерами элементов, все силь­нее проявляются проблемы сопутствующие. Увеличение плотности транзисторов на квадратном миллиметре площади (а в будущем — на кубическом миллиметре объема) означает повышенную теплоотдачу. Каждый транзистор в момент пере­ключения выделяет некоторое количество тепла. Чем больше транзисторов, тем этого тепла больше. Также повышается теплоотдача при увеличении частоты переключения транзисторов. Современные микропроцессоры излучают с каждого миллиметра столько тепла, сколько излучает металл, нагретый до температуры в тысячу с лишним градусов. Если это тепло не отводить, разрушение процессора неминуемо. Вот почему каждое новое поколение процессоров оснащалось все более массивными радиаторами и мощными кулерами (вентиляторами для отвода тепла). Современные микропроцессоры нередко оснащаются не только воздушными, но и водяными или гелиевыми средствами охлаждения, а в состав суперкомпьютера уже привычно включаются криогенные установки. Кроме того, микропроцессоры оснащаются специальным технологическим и программным обеспечением, по­зволяющим отслеживать температурный режим процессора, гибко регулировать его частоту, изменять интенсивность обдува воздухом, отключать процессор при приближении недопустимых температур.