Процессоры - 2012 год = 10 нм?

Часть 1

в разделе "Процессор и .." на сайте

www.electrosad.ru

Взгляд практика

Еще в 2002 году я писал об ожидаемых проблемах производителей процессоров при переходе на более тонкие тех. процессы. Часть из них решена совершенно незаметно для широкой компьютерной общественности, часть (например проблемы с током утечки затвора) широко освещалась в прессе.
Движение к тонким тех. процессам это не только путь поиска новых технических идей, но и путь финансовых затрат и технологических компромиссов, которые в свою очередь ограничивают успехи производителей процессоров

 
 

История развития процессоров

- это постоянное стремление повысить его производительность, а для этого сделать основную ячейку (ключ) - комплиментарную пару транзисторов как можно более быстродействующей или как можно меньших размеров. Это достигалось применением все более тонких технологических процессов.
Причем быстродействие ячейки тем выше чем тоньше тех. процесс.

 

Развитие процессоров можно условно разделить на два этапа.

 

Первый это где-то 2005 года.

На первом этапе основной целью работы проектировщиков было, сделать как можно меньше размеры КМОП ключа, для того чтобы получить все более высокие тактовые частоты процессора и соответственно повысить его производительность. И только потом за счет малых размеров увеличить число ключей с целью получить более сложную структуру, оптимизация которой тоже дает некоторый прирост производительности.

И только потом шли снижение потребляемой ключом и соответственно процессором мощности и остальные преимущества тонких технологий.

Причем основной прирост производительности процессоров обеспечивался именно ростом тактовых частот.

 

Второй начался с 2005 года, с того момента как тактовая частота процессора перестала расти.

На втором этапе, гонка за уменьшением размера КМОП ключа, продолжается. Целью ее стало разместить как можно большее количество ключей на кристалле, для получения возможности усложнение структуры процессора (в том числе увеличение количества ядер и объема КЭШ'ей) что позволяет увеличить производительность. Вторая причина движения — снижение потребляемой ключом и соответственно процессором мощности. Рост тактовых частот остановился.

Именно этим путем повышалась производительность серверных процессоров ранее, когда даже более тонкий тех. процесс не давал возможности повысить производительность.

С этого момента производители перешли к так называемому рейтингу — эквивалентной производительности процессора.

 

На пути к тонким технологическим процессам возникало и решалось множество проблем. Часть из них решена совершенно незаметно для широкой компьютерной общественности, часть (например проблемы с током утечки затвора) широко освещалась в прессе. Это путь не только путь поиска новых технических идей, но и финансовых затрат и самое главное путь компромиссов, которые накладывали определенные ограничения на развитие технологии.

 

Вначале мая прошла информация

о решении Intel, дословно - «запустить программу по снятию с производства своих процессоров Core i7 940», причем как розничных моделей, так и OEM-продуктов.

Формула в стиле Intel, «запустить — по снятию» - неприятное действие, выглядит довольно позитивно! Совсем не как "снять с производства".

Отметим, с момента релиза первых чипов семейства Core i7 прошло уже почти полгода, а это достаточно небольшой срок для процессорной индустрии ... и вот это решение!

 

За Core i7 940 последовал Core i7 965!

 

Что это означает?

- Некоторые думают, что на фоне кризиса не проходит принцип работы Intel — «все возьмут, что мы предложим, с соответствующей рекламной компанией».

- Есть мнение, что это попытка реализовать складские запасы наборов системной логики 4-й серии, спрос на которые упал вследствие мирового экономического кризиса. Но "реализовать за счет отказа от" это формула без выигрыша. Все равно потери там или тут.

- Еще мнение, что затраты на производство Intel Core i7 940 оказались высоки и он не имеет того спроса который позволяет иметь рентабельное производство.

- Другое мнение, на фоне кризиса у Intel обострились внутренние проблемы.

 

Пока можно только гадать, почему жизнь Core i7 940 и Core i7 965 оказалась такой короткой, но обычно причины прекращения производства должны быть достаточно весомые, ведь затрачены средства, а на дворе кризис. Тем более, что планируются к выпуску новые модели Core i7 975 и 950 — не сильно отличающиеся по производительности.

Но вероятнее всего это вся совокупность выше сказанного на которую наложилась проблемы освоения более тонких технологических процессов.

 

Тенденции развития процессоров

Каждый шаг в освоении тонких технологических процессов означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и его площади примерно в 2 раза.

 

Поэтому имеют место тенденции и факты:
  1. Укорачивается длина канала транзисторов, составляющих дискретные структуры процессора, а это в свою очередь вызывает рост их быстродействия.
  2. Снижаются площади транзистора, должны снижаться его внутренние емкости, но применение high-k диэлектрика для изоляции затвора транзисторов выполненных по 45 нм тех. процессу, сохраняет емкость затвора на уровне близком к 65 нм тех. процессу. Это не способствует снижению удельной (на 1 ключ) потребляемой мощности (только для 45 нм ТП) не смотря на снижение размера.
  3. Но не смотря на рост быстродействия тактовые частоты ядра процессора перестали расти и остановились на 3 ГГц.
  4. Уменьшение площади занимаемой транзистором позволяет на подложке аналогичного размера разместить большее число транзисторов, усложнив структуру процессора. Это в некоторой степени положительно сказывается на скорости вычислений.
  5. Растет число ядер процессоров, количество которых в прогнозах приближается к сотне. Растут и объемы КЭШей, сейчас размер кэша 3-го уровня достиг 8 МБ.
  6. Приближение TDP к предельной величине, в принятой конструкции процессора, 130 — 140 Вт.
  7. Увеличение числа контактов процессорного разъема (соединителя) — Soket'а.
  8. Одновременно с достижением теплового предела TDP, перестала расти мощность генерируемых процессором помех. Но с ростом быстродействия, растет dI/dt, поэтому продолжает сдвигаться вверх высокочастотная граница помехи.
  9. Новые решения — периодически появляются на в печати. В основном они относятся к новым, более быстродействующим транзисторам. Например так называемые транзисторы с вертикальной структурой.

 

Последние два пункта существенно влияют на экономическую целесообразность выпуска в продажу новых моделей, и на их цену.

 

Самые характерные точки в истории освоения новых технологических процессов показаны в табл.1.

 

ГОД* 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2012** 2013**
Технология мкм 0,35 0,25 0,18 0,13 0,09 0,065 0,045 0,045 0,032 0,022/0,024 0,01
Длина канала нм - 120 90 70 45 38 35 35 20 15 7-8
Макс. тактовая частота процессора
МГц /Модель
450/ Pentium Pro 1000/ Pentium III 2000/ Pentium 4 - 2,0 3400/ Pentium 4 -3,4 3800/ Pentium 4 - 571 3800/ Pentium 4-673 3160*/
Penryn Quad-Core Xeon DP X5460
2660
(план до 3300)
Nehalem
<2500
Прогноз
<2200
Прогноз
<2000
Прогноз
Время переключения
τ (псек)
5,5 нс 250 125 65 23 14 10 10 5-7 3-5 1-3
Макс. частота генерируемой помехи
fмакс ГГц
0,2 4 8 15 43 83 >90 >90 >130 >200 >500
Число контактов 387 370 423 478 775 775 771,
940 AMD
1366 1366/ 1156 >1400 >1400

Таблица 1.

 

*Intel считает годом освоения тех. процесса, год представления потребителям образца чипа выполненного по данному тех. процессу. Раньше от представления чипа процессора до его выпуска в продажу проходило несколько недель. Начиная с 45 нм тех. процесса, после представления чипа памяти (на них теперь отрабатывается технология), проходит до полугода до представления первого процессора, а развертывание массового производства (многих моделей) занимает еще до полугода. Поэтому здесь указана дата серийного выпуска первой модели процессоров по этому тех. процессу. Поэтому эта строка может иметь значения отличные от принятых Intel.

** в планах Intel на 2009 год.

 

По мнению официальных представителей корпорации Intel, в 2012 г. производители микрочипов перейдут на 10-нм технологический процесс. Вице-президент Intel Digital Enterprise Group (подразделение Intel отвечающее за проектирование и производство дискретных чипов) Пэт Гелсингер считает, что фабрики Intel смогут делать транзисторы величиной 10 и менее нанометров.

Рассматривать такое лишенное логики заявление можно только как очередной рекламный трюк, поскольку такой диапазон изменения технологий ранее требовал от 4 до 7 лет. Поскольку каждый шаг связан с внедрением новых технологий, оборудования и их отладки.

 

Но в истории не только Intel, но и вообще, не было таких скачкообразных переходов на новые тех. процессы. Поэтому реально, по моему мнению, можно ожидать принятый Intel шаг тех. процессов, что даст ряд 32, 22, 16, 11 нм.

Даже не учитывая то неизведанное ,что ждет разработчика.

См. Таблицу 1.

 

ГОД* 2009 2011 >2012 >2014 >2017
Конструктив
Стандарт Другой
Технология нм 45 32 22 16 11 11
Длина канала нм 35 24 17 12 8-9 8-9
Время переключения
τ (псек)
10 6-7 5-6 3-5 2-3 2-3
Число контактов 1366 1500 2000 3000 4000 -
Число транзисторов до млн. 731 1100 1600 2400 3600 До 8000
Макс. частота помехи,
fмакс ГГц
>90 >130 >150 >200 >250 >250

Таблица 2.

 

1. С переходом на более тонкие технологии,

укорачивается длина канала транзисторов составляющих дискретные структуры процессора, а это в свою очередь вызывает рост их быстродействия.

Специалистам известны зависимости, которые связывают длину канала МОП транзистора (размер технологического процесса) и его быстродействие. Посмотрите график описывающий данную зависимость на рис.3.

 

Рисунок 1.

 

Понятие быстродействие, до 90 нм тех. процесса, однозначно было связано с тактовой частотой процессора. Растет быстродействие транзистора — растет и тактовая частота ядра процессора.

Сейчас, быстродействие уже не значит - тактовая частота ядра.

Ограничения.

В существующих технологиях изготовления системных (материнских) плат применять для внешних шин времена переключения равные временам переключения транзисторов ядра нельзя.

Потому что, с ростом быстродействия, повышаются требования к точности времени прихода (синхронности) сигналов по параллельным шинам передачи информации и синхронизации.

Это не критическое ограничение, его можно обойти применив передачу информации по последовательным каналам.

 

2. Снижаются площади занимаемые транзистором в чипе,

примерно в два раза на каждый шаг снижения технологических норм, в результате должны снижаться его внутренние емкости.

Но применение high-k диэлектрика для изоляции затвора транзисторов выполненных по 45 нм тех. процессу, снижает емкость затвора незначительно. Это снижает удельную (на 1 ключ) потребляемую мощность меньше, чем раньше при переходе от одного тех. процесса к другому.

Не учитывая этот фактор (а может быть просто для отработки технологии на пользователях - структуры предназначенной для 22 нм тех процесса на тех.проц. 32 нм) компания Intel выпустила чипы Intel Core i7 940 в продажу с TDP равным 130 Вт. И вот, в начале мая, пошла информация о снятии их с производства (хотя возможно их появление на 32 нм тех. процессе).

Вообще-то мощности тепловыделения более 100 Вт требуют особого подхода к проблеме охлаждения процессора и системного блока. Малейшая неточность в этом вопросе, приводит к возникновению температурных градиентов на чипе, что не способствует его долговечности.

По моим данным, применение high-k диэлектрика в качестве изолятора привело к сохранению емкости (100-70%) транзистора при переходе от 65 к 45 нм. тех. процессу.

В результате роста числа транзисторов мощность и незначительного снижение емкости затвора транзистора потребляемая процессором растет. Пример тому Intel Core i7 940.

 

Ограничения тактовой частоты процессора,
его тепловыделение
Мощность потребляемая процессором - P, определяемая потерями в структурах процессора и пропорциональна:

  P ~ fпЕ2
 
Частоте переключения fп транзисторов и квадрату питающего напряжения - Е2. Поэтому рост тактовых частот ядра ограничен его тепловыделением.
 

 

3. Не смотря на рост быстродействия

тактовые частоты ядра процессора перестали расти не достигнув 4 ГГц.

 


Рис. 1 (мои данные).

Рис. 2 (данные http://ru.wikibooks.org/wiki/ поисковое слово Процессор)
На рис. 1 и 2 даны графики зависимости тактовой частоты процессора.
Они не синхронизированы по горизонтальной оси, поскольку рис. 2 использован из другого источника. А рис. 1 показывает только характерную область. Но свою задачу показать изменение тактовой частоты во времени или при снижении норм тех. процессов они выполняют достаточно наглядно.

 

Я не говорю здесь о:

  • способности к разгону процессора, поскольку разогнанный режим это Ваш эксперимент — Ваш риск, в котором стабильная работа процессора не гарантируется.
  • эквивалентной производительности процессора, которая определяется не только тактовой частотой ядра, а комплексом характеристик процессора.

Здесь идет речь только о тактовой частоте ядра определенной производителем.

Конечно можно оспаривать падение тактовой частоты ядра на 45 нм тех. процесса, но уже, никто не оспаривает отсутствие ее роста. А сравнение прироста тактовой частоты при переходе с 250 нм на 180 нм тех. процесс, явно не в пользу аналогичным ситуациям, после 90 нм.

Да и заявления некоторых «умельцев», о высокой тактовой частоте весьма спорны. Поскольку разогнав свой образец (как я уже говорил — не всякий образец процессора можно разогнать) процессора Intel до чуть более 4 ГГц, они так и не смогли перевести свое «ноу хау» в разряд стандартного решения для широкого круга хотя бы «умельцев», да и сами, насколько ч понимаю, не используют рекордные режимы постоянно.

А то бы по аналогии с заголовками « Процессор ХХХХХХ — превысил 4,2 ГГц!» появились и заголовки «Процессор ХХХХХХ — 3 года с частотой 4,2 ГГц!»

Есть мнение, что существует и другая причина ограничения тактовой частоты процессора — это ограничение пропускной способности шин для связи устройств ПК.

 

4. Уменьшение площади занимаемой транзистором

позволяет на подложке аналогичного размера разместить большее число транзисторов, усложнив структуру процессора. Это в некоторой степени положительно сказывается на общей скорости вычислений.

Этим и пользуются разработчики процессоров. Количество транзисторов на чипе постоянно растет.


 

Рисунок 2.

 

Рост числа транзисторов происходит за счет усложнения структуры процессора и размещения на чипе процессора большего числа ядер, кэшей увеличенного объема (которые к слову имеют тенденцию увеличения), контроллеров памяти, .....

Следует отметить, что наиболее тяжелые для чипа, с точки зрения тепловыделения, ядра которые работают на высоких тактовых частотах.

Чтобы не греть чип, существует идея, в многоядерных процессорах использовать дополнительные ядра заточенные под выполнение каких то узких (специализированных) задач. Это позволит отключать их при отсутствии задач и тем самым снизить потребляемую процессором мощность и тепловыделение.

С другой стороны - Увеличение общего числа транзисторов в чипе — как стремление Intel уложиться в «прокрустово ложе» ««Закона» Мура».

Понятно, что развитие, совершенствование процессоров направлено на увеличение скорости его работы и скорости работы системы. Для этого оптимизируется его архитектура, в том числе и количество ядер, величина кэшей всех уровней, в процессор переносятся контроллеры памяти.

Это требует увеличения числа узлов на кристалле и как результат увеличения числа транзисторов. Но только не удвоения каждый год — два.

Если главное не оптимальная работа процессора, а Мур с его законом, есть простой способ соблюдать этот закон, просто увеличивать кэш. Ведь известно, каждый разряд кэша требует для хранения бита информации 6 транзисторов, а вместе с контроллерами — интерфейсами, обвязкой (практика показывает) на 1 разряд кэш 3 уровня приходится уже более 50 транзисторов. Это весомый вклад в торжество ««Закона» Мура».

Хотя существует опровержение ««Закона» Мура», это процессор:

Intel Atom Z515 — 1,20 ГГц (512 КБ L2, 400 МГц FSB, 1,4 Вт TDP) — представлен 8 апреля 2009 года, Silverthorne — 45 нм технологический процесс и имеющий на кристалле 47 мил. транзисторов. Он позиционируется как микропроцессор для ультрамобильных систем/систем класса Netbook и Nettop.

Налицо падение количества транзисторов!

 

Другой существенный вклад в увеличение числа транзисторов — применение архитектур с несколькими ядрами.

Но количество узлов — ядер и размер кэша не могут быть бесконечны, начиная с некоторого уровня управление ими займет столько ресурсов, что прирост производительности процессора прекратится.

Поэтому разговоры о применении 100 и 1000 ядерных процессоров в ПК пока преждевременны.

Результатом этого является увеличение числа внешних связей (линий) процессора и рост числа контактов его соединителя — Soket'а.

 

5. Растет число ядер процессоров

количество которых в прогнозах приближается к сотне. Увеличение их количества вызвано стремлением увеличить производительность системы.

Понятно, что такое увеличение не может продолжаться бесконечно. Ведь синхронизация и управление параллельными вычисления тоже требует вычислительных ресурсов. Конец умножения количества ядер там, где их дальнейшее увеличение не дает прироста производительности.

Но, нельзя забывать, увеличение количества ядер, как и размеров КЭШей, кроме того требует еще и ресурсов.

Промелькнула информация, что Intel планирует заточить отдельные ядра многоядерного процессора под отдельные специализированные задачи, что позволит увеличить их производительность и отключать в случае отсутствия для них задач. Последнее позволит снизить потребляемую мощность. Например одно из ядер можно заточить под выполнение операций с графикой.

Но возникает впечатление, что крайней ситуацией такого развития является чип где размещены все основные узлы процессора, оставив за его пределами только те узлы которые не оказывают существенного влияния на скорость работы ПК.

Понятно, что развитие, совершенствование процессоров направлено на увеличение скорости его работы и скорости работы системы. Для этого оптимизируется его архитектура, в том числе и количество ядер, величина кэшей всех уровней, в процессор переносятся контроллеры памяти.

Это требует увеличения числа узлов на кристалле и как результат увеличения числа транзисторов.

 

6. Приближение TDP к предельной величине,

имеющей в современных конструкциях процессора в условиях оптимизированных корпусов величину порядка 130 — 150 Вт.

Это ограничение накладывает не наличие эффективных кулеров, а конструктивные особенности самого процессора, размеры кристалла, неоднородность тепловыделения на его поверхности.

Вы наверное обратили внимание, последнее время иногда появляются процессоры с TDP порядка 130 Вт. Чаще всего это процессоры предназначенные для выпуска на более тонком тех. процессе. Например процессор Intel Core i7 940 с архитектурой Nehalem выполненный по 45 нм тех. процессу имеет TDP порядка 130 Вт, будучи выполненным по 32 нм. ТП он будет иметь TDP от 65 до 95 Вт, в зависимости от тактовой частоты.

Обычно TDP не превышает 100 Вт.

130 Вт, это максимальная мощность, которая может отводиться от полупроводникового прибора с такими размерами теплопроводящих поверхностей и подобной конструкции.

Но она накладывает высокие требования к уровня технологии охлаждения полупроводникового прибора.

Это соединения кристалла с тепло распределительной пластиной на процессоре с тепловым сопротивлением порядка 0,01 °С/Вт, эффективных теплопроводящих материалов (паст), кулеров с тепловым сопротивлением менее 0,1 °С/Вт, и корпусов с эффективной вентиляцией.

При приближении TDP к 150 Вт грозит местными перегревами на кристалле, снижением его помехоустойчивости, чувствительности к внешним охлаждающим устройствам и соответственно, общей надежности.

Ограничения накладываемые -

TDP ограничивает число транзисторов на кристалле и тактовую частоту процессора.

 

 

7. Увеличение числа контактов процессорного разъема

(соединителя) — Soket'а.

3 фактора влияющие на увеличение числа контактов:

  1. Усложнение структуры процессора,
  2. Рост потребляемого тока,
  3. Увеличение частоты помехи.

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

Это логично и понятно.

 

Рисунок 4.

 

2. Как мы знаем, число контактов на Soket'е, для подачи питания на процессор превышает 150 пар. Этого требуют большие токи подаваемые для питания процессора. Причем снижение питающего напряжения требует приводит к росту подаваемого на процессор тока. Это происходит даже при сохранении потребляемой процессором мощности, потому что снижается величина напряжения питающего напряжения (пока до 1 В).

И при ограничении тока на уровне 0,5 А (0,5 А - предельном) на одну пару контактов можно прикинуть сколько контактов требуется для этого. (Коэф. запаса по току требует примерно 0,3А на контакт) Но число контактов в Soket'е отведенное для этих целей всегда больше. Рост числа контактов определяемый максимальным током, особенно при снижении напряжения питания, это не тенденция, а техническая необходимость. (При напряжении питания 1,1 В и потребляемой мощности 130 Вт требуется выделить для этого более 230 контактов.)

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

Это особенно важно на ТП 0,45 нм и менее, потому что верхняя частотная граница помех превышает 50 ГГц.

Но с переходом на более тонкие тех. процессы, растет ВЧ граница генерируемой помехи и требутся снижение индуктивности линий подачи питания на процессор и как результат увеличение числа контактов Soket'а.

Поэтому - усложнение структуры процессора, рост потребляемого тока И необходимость вывести за пределы процессора генерируемую им помеху — все это требует увеличения числа контактов на Soket'е.

Но этот процесс не безграничен.

Увеличение числа контактов увеличивает размер Soket'а и соответственно индуктивность соединений на нем. При определенном размере Soket'а увеличение числа контактов на дает необходимого снижения их индуктивности.

Но этот процесс не безграничен.

Увеличение числа контактов увеличивает размер Soket'а и соответственно индуктивность соединений на нем. При определенном размере Soket'а увеличение числа контактов на дает необходимого снижения их индуктивности.

 

8. Новые решения

— периодически появляются в печати. В основном они относятся к новым, более быстродействующим транзисторам.

Например:

  • Так называемые транзисторы с вертикальной структурой,
  • Двухзатворные транзисторы.
  • Новые полупроводниковые материалы, ...... Список постоянно пополняется.

Конечно транзисторы новых структур с рабочими частотами (граничной частотой крутизны) 20, 50 ГГц вещь интересная и не только с точки зрения применения в цифровой (дискретной) технике.

Но не следует забывать:

- природа работы транзисторов в режиме переключения едина, всегда и всех структур с высоким скоростям переключения имеются сопутствующие отрицательные явления, ограничивающие их возможности.

 

Да и КМОП структуры выполненные по 45 нм. - имеют время переключения порядка 10 псек и рабочую частоту (граничную частоту крутизны — характеризующую его усилительные свойства в линейном режиме) около 16 ГГц. Это значит, что транзисторы современных процессоров выполненных по 45 нм. тех. процессу теоретически способны работать с тактовой частотой процессора 16 ГГц. Но, те самые, отрицательные явления не позволяют этого.

После некоторой доработки конструкции и структуры процессора, работа МОП структур возможна на частотах приближающихся к граничной частоте крутизны. А значит процессор выполненный по 45 нм. тех. процессу способен работать на тактовых частотах ядра 7-10 ГГц.

Увеличение количества ядер процессоров продолжается 2, 4, 8 и в перспективе 60, 80, 100. Хотя последнее сомнительно для широкого применения.

Хотелось бы сказать несколько слов о новых полупроводниковых материалах которые оказывают существенное влияние на производительность и рабочую температуру процессора.

Сейчас появились новые полупроводниковые материалы, транзисторы выполненные на которых работают на более высокой частоте, при более высоких температурах.

 

Материал Ширина запрещенной зоны, эВ Подвижность электронов, см2/В*с Напряженность поля пробоя,МВ/см Скорость электронов, 107 см/с Теплопроводность, Вт/см*К Рабочая температура, ºС, макс
Si 1,1 1350 0,3 1 1,5 200
GaAs 1,4 8500 0,4 2 0,5 300
GaN 3,4 900 3,3 2,7 1,3 500
AlN 6,2 300 11,7 2,0 2,5 500

Таблица 3.

 

По данным [Л.1]

Полевые транзисторы на основе GaN уже поступили в продажу.

Intel проводит исследования по возможности применения полупроводников III группы (куда относится и GaN).

Существует несколько вариантов конструкций высокопроизводительных процессоров.

 

Сейчас на горизонте появились новые технологии

Какие они будут?

Предположить сложно, но явно не чисто оптической, которая пока находится на начальной стадии.

Но оптические технологии уже прорабатываются Intel и другими.

Пока не оптические процессоры, а только высокоскоростные оптические интерфейсы ввода/вывода для межкомпонентных соединений «кристалл-кристалл».

По мнению Intel -
«применяемые в настоящее время технологии межкомпонентных соединений на базе медных проводников скорости в 15-20 Гбит/с являются предельными из-за неизбежного на сверхвысоких тактовых частотах ухудшения характеристик сигнала, рассеивания мощности и усиления негативного влияния электромагнитных помех.»

 

Рисунок 5.

 

Интел уже работает над оптическими системами передачи данных [Л.4].

И не только создает технологии позволяющие встраивать оптические системы передачи данных в чипы процессора, но и уже имеет опытные образцы таких трансиверов.

Такие трансиверы (электронные устройства сопряжения, используемые, в частности, для подключения компьютеров к сети) на КМОП - транзисторах смогут работать на тактовых частотах порядка 14 ГГц, что вполне достаточно для обеспечения скорости передачи данных на уровне 20 Гбит/с.[Л.2]

А самые последние модели способны обеспечивать обмен данными со скоростью 40 Гбит/с, а в ближайшее время ожидается появление 8 канального трансивера с пропускной способностью до 1 Гбит/с.

А модели компьютеров с подобными трансиверами (оптическими каналами связи) используемыми вместо внешних шин процессора уже испытываются в лабораториях Intel.

 

Еще в 2003 году было опубликовано сообщение (цитата [Л.3]):

«Московский изобретатель - Вербовецкий Александр Александрович, смог изменить микросхему этой платы так, что удалось повысить производительность, помехозащищенность, надежность и живучесть персональных компьютеров, использующих оптоэлектронные системные платы.

Этот результат был достигнут благодаря использованию оптических методов ввода-вывода и передачи сигналов, позволяющих резко повысить скорость передачи данных, а также за счет применения групповой шинной архитектуры.

В блок-схему платы были введены дополнительные процессоры, блоки сопряжения процессоров, узлы оптической связи каждого блока схемы друг с другом (процессора с системной шиной, кэш-памяти с системной шиной, системного блока управления с системной шиной и тд.), блоки сопряжения системного блока управления.

Такая совокупность блоков и связей между ними позволила получить устройство, обладающее более чем в 100 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью, чем обычные современные материнские платы, выпускающиеся для персональных компьютеров.» (конец цитаты)

Эти два решения есть практическое создание единой скоростной оптической шины на которую могут быть посажены все его узлы обеспечивающие внутренние и внешние связи ПК.

 

Есть решения

Которые позволяют увеличить тактовую частоту без роста TDP, другие решения позволяют увеличить TDP процессора по крайней мере вдвое, что позволяет, ничего не меняя в современных подходах к проектированию, увеличить тактовую частоту процессора по крайней мере в 2 раза. Изменив организацию внутренней структуры процессоров и применив некоторые конструктивные решения еще в 2 раза.

Суммарно это дает возможность иметь тактовую частоту процессора более 10 ГГц. И тут вступают в силу проблемы синхронизации, описанные тут.

 

Заключение

Это конечно не все тенденции и проблемы развития процессоров.

Нет конца глубине вопроса, по нему можно написать десятки глубоко научных трудов, но все равно пройдет время и возникнут новые проблемы, которые потребуется решать.

Я хотел здесь рассказать, что история развития процессоров это постоянные компромиссы, результатом которых часто является совсем не то что планируют вожди отрасли. И количество компромиссов и соответственно ограничений становится тем больше при приближении к физическим пределам основного элемента процессора КМОП транзистора. И тогда выполнять «Закон» Мура остается только за счет огромных КЭШей.

Примером такого компромисса является ограничение тактовой частоты процессора.

Накопление этих компромиссов в конце концов становится непреодолимым, и это тупик данной технологии.

 

Согласно информации Fujitsu, выполненный по 45 мкм тех. процессу, восьми ядерный процессор SPARC64 VIIIfx (Venus) имеет скорость вычислений 128 GFLOPs, - 2.5 раз выше по сравнению с лучшим Intel, двух ядерным Itanium 2, тем не менее, даже с встроенным в Venus диспетчером памяти потребляет составляет только 33% от Itanium 2 , следовательно, около 35Вт.

Один из «специалистов» вычислил тактовую частоту этого процессора как 16 ГГц.

Это неверно уже потому что, при сходной структуре транзисторов, современных тех. процессах и TDP равном 35 Вт его тактовая частота не может превышать 4 ГГц.

 

Но уже скоро появятся процессоры нового поколения, где вместо шин для связи с внешними устройствами будут использоваться встроенные в процессор оптические системы передачи данных. Это шины обмена информацией с памятью, внешними устройствами (PCI-E, ...), и даже шины связи с HDD, SSD, ... .

И процессор, как и компьютер предстанут в новом виде и возможно качестве.

 

P.S.

Статья писалась в 2009 году, и вот на дворе середина 2013 (через год от прогноза) и вот после некоторого молчания появились сообщения обозревателей типа "10 нм техпроцесс — реальность 2015 года" а практики относят разработку процессора к 2018 году. А пока с начала 2012 года серийно производятся только процессоры по 22 нм техпроцессу.

Все прогнозы скорее рекламный ход производителей, чем реальность.

С дальнейшим снижением технологических норм (уже с 45 нм техпроцесса) прогрессивно возрастают технологические трудности их освоения.

Пример тому 22 нм техпроцесс, который был продемонстрирован в 2008 году, а освоен в производстве процессоров только через 4 года (2012 год).

Поэтому даже если даже (совсем не 10 нм техпроцесс) 14 -18 нм процесс и будет продемонстрирован в 2015-2018 годах, то освоен он может быть не ранее 2020-2025 года.

Мне будет приятно ошибиться.

август 2013 года
 

Литература.

1.«Транзистор на GaN пока самый крепкий орешек» В.Данилин, Т.Жукова, Ю.Кузнецов, С.Тараканов, Н.Уваров ФГУП «НПП ПУЛЬСАР», http://www.electronics.ru/issue/2005/4/3

2. Корпорация Intel представляет прототип высокоскоростного оптического интерфейса ввода/вывода для межкомпонентных соединений «кристалл-кристалл», Йен Янг (Ian Young), http://www.intel.com/corporate/europe/emea/rus/country/update/contents/it04041.htm

3. Российским специалистом разработана оптоэлектронная системная плата нового поколения, превосходящая даже современные аналоги компании IBM. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5833.html 

4. Оптическое будущее новость от Research@lntel Dау , Chip, сентябрь,2009 г.

 

А.Сорокин

июль 2009 г.

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012