Проблемы развития элементной базы

Несомненно, что 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, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Эле­ментная база служит показателем технического уровня развития стра­ны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интег­ральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и про­изводства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа — рисунок — схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой 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 половиной миллионов транзисторов, разме­щаемых в пятислойной структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, произво­дительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей 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 400—600 мм² для процессоров (например, Pentium) и 200—400 мм² — для схем памяти. Минимальный топологический раз­мер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для срав­нения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на тол­щине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алю­миниевых проводников в микросхемах повсеместно начинают приме­нять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают 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 — и она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное обору­дование, размещаемое в «чистых помещениях класса 1», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в зам­кнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфеpa 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 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. В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплементарные 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 3 — 2V. Появились схемы с напряжением питания, близким к IV, 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 рис. 3.18 показано, что ис­пользование максимальных частот работы возможно только в микро­схемах малой и средней интеграции. Максимальная частота f_max =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.

Рис. 3.18.Зависимость частоты /от степени интеграции К

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и уль­траСБИС должен сопровождаться снижением тактовой 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 высокой тактовой частотой, 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 высокую степень интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использова­ния явления сверхпроводимости и туннельного эффекта — эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсо­лютному нулю (—273°С), позволяет достигнуть f_mах, при этом Wp=Wn=Q. Очень интересны результаты по использованию «теплой сверхпроводимости». Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. Тематика исследовательс­ких работ и их результаты в этом направлении являются закрытыми. Однако с уверенностью можно сказать, что появление таких элемен­тов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Внедрение новых технологий производства микропроцессоров ис­пытывает и экономические проблемы. Например, строительство но­вого завода по производству микросхем с 0,13-микронной технологи­ей обходится от 2 до 4 млрд долл. Это заставляет искать новые аль­тернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них сле­дует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработку квантовых компьютеров;

• разработку оптических компьютеров.

Укажем основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры.Во многих странах проводятся опы­ты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетическо­го кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett-Packard и Ка­лифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную воз­можность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана (http://www.zdnet.ru/printreviews.asp?ID=89). Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер в 100 млрд раз будет экономичнее со­временных микропроцессоров.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры.Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона — искусст-венной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Ф. Розенблат. Он указал, что структуры, обладающие свойства­ми мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преиму­ществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут ис­кать нужные решения посредством самопрограммирования, на осно­ве соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, кото­рые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС. Принцип построения и работы перцептрона описан в п. 9.2.

Квантовые компьютеры.Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь раз­личные уровни энергии: Е₀, Е₁,...,Е_п. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кван­та электромагнитной энергии — фотона. При излучении фотона осу­ществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные пере­ходы с одного уровня на другой.

Основным же строительным блоком квантового компьютера слу­жит qubit — Quantum Bit, который может иметь большое число состо­яний. Для таких блоков определен логически полный набор элемен­тарных функций. Известны эксперименты по созданию RISC-процес­сора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты созда­ния петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров (http:// www. submarine. ru/print.cfm?Id=42).

Оптические компьютеры.Идея построения оптического компью­тера давно волнует исследователей. Многие устройства ЭВМ исполь­зуют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно ра­ботают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способ­ность света параллельно распространяться в пространстве дает воз­можность создавать параллельные устройства обработки. Это позво­лило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессо­ров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлект-ронных и оптонейронных отдельных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в на­стоящее время?

В начале 2000 г. основные конкуренты по производству интеграль­ных 32-разрядных микросхем (архитектура IA-32) фирмы Intel и AMD преодолели рубеж/=1 ГГц.

Фирма Intel выпустила Pentium III (ядро Coppermine — 0,18 мкм техпроцесс, кэш L2 — 256 Кбайт, формфактор — Slotl). В ближай­шем будущем следует ожидать выхода микропроцессора Willamette (переход на техпроцесс — 0,13 мкм, кэш L1 — 256 Кбайт, кэш L2 — 0,5-1 Мбайт, формфактор — Soket 423, частота — 1,5 ГГц).

Последним представителем IA-32 объявлен микропроцессор Foster, серверный вариант Willamette. Здесь предполагается значительное улучшение всех характеристик; его выпуск намечен на конец 2001 г.

Микропроцессор Merced — первый 64-разрядный микропроцессор (IA-64) (трехуровневая кэш-память — 2—4 Мбайта, техпроцесс — 0,18 мкм). Экспериментальная версия этого изделия называется Itanium.

Коммерческой версии Merced будет присвоено имя McKinley. Ожидается, что ее характеристики будут примерно в 2 раза выше Itanium.

Фирма AMD продемонстрировала свой микропроцессор Athlon (ядро Thunderbild, кэш L1 — 128 Кбайт, кэш L2 — 512 Кбайт, форм-фактор — Soket A, Slot A — промежуточный). Развитием этого на­правления следует считать микропроцессор Mustang. Интенсивно разрабатывается StedgeHammer — первый 64-разрядный микропро­цессор фирмы AMD. Его частота работы — выше 1,5 ГГц.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время воз­можности микроэлектроники еще не исчерпаны.