Микропроцессоры в третьем тысячелетии
Микропроцессоры в третьем тысячелетии
Наталья Дубова
http://win.www.osp.ru/cw/1997/48/general/details.html
На рубеже тысячелетий западные исследователи размышляют над тем, как "обмануть" законы физики и преодолеть препятствия, мешающие росту производительности процессоров. На пути отечественной микроэлектроники и компьютерной индустрии по-прежнему стоят совсем иные барьеры.
Oтвлечемся от сложных проблем производства интегральных схем и поговорим о перспективах совершенствования микропроцессора. В 1971 году появился Intel 4004 - первый процессор на кристалле, получивший из-за своего маленького размера название микропроцессор. Микропроцессор - сердце современного массового компьютера. Производительность сегодняшних процессоров в 25 тысяч раз превышает мощность Intel 4004. Первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а Pentium Pro - 7,5 млн. Совершенствование производства интегральных схем позволяет создавать большее число кристаллов на одной кремниевой пластине, то есть за один производственный цикл, тем самым снижая их стоимость. Поэтому значительный рост мощности микропроцессоров не сопровождается резким скачком цен, и высокопроизводительные компьютеры становятся доступны массовому потребителю.
Повышение производительности достигается не только путем увеличения транзисторов на кристалле, но и за счет реализации эффективных способов выполнения машинных команд. Достижения последних десятилетий, типа конвейерной, суперскалярной и параллельной организации вычислений, заставляет процессор современной машины функционировать быстрее и эффективнее. Вообще говоря, само по себе повышение производительности микропроцессорного ядра компьютерной системы не приведет к повышению эффективности компьютера в целом, если оно не сопровождается соответствующим усовершенствованием других компонентов, в первую очередь памяти. С середины 70-х годов, когда развернулось коммерческое производство памяти на интегральных схемах, ее объем каждые три года увеличивался в четыре раза. Специалисты предсказывают появление через несколько лет модулей оперативной памяти емкостью до миллиарда бит на одной интегральной схеме. Но рост емкости не сопровождается сопоставимым ростом скорости доступа к данным на кристалле, и разрыв между сверхбыстрым процессором и медленной памятью снижает эффективность работы компьютерной системы. Естественно, ведется поиск способов сокращения этого разрыва. Наиболее распространенный среди них - кэш-память, память быстрого доступа, размещенная прямо на кристалле. Для современных процессоров характерна тенденция к увеличению объема кэш-памяти, иногда до такой степени, что число транзисторов, выделенных на кэш, превышает число элементов для реализации непосредственно процессорных функций. Аналитики предсказывают, что в XXI веке эта тенденция сохранится и позволит свести к минимуму отставание скорости обработки данных от скорости доступа к ним.
Более того, возможно, уже в недалеком будущем память и процессор объединятся на одном кристалле, подобно тому, как 25 лет назад различные элементы вычислительного устройства были объединены на одной интегральной схеме и появился микропроцессор. Тем самым будет полностью ликвидирован скоростной разрыв между процессором и памятью и откроются невиданные возможности в использовании гигантского числа транзисторов, размещенных на одном кристалле. Не будем пытаться оценивать реальность такой перспективы. Но определенно можно сказать, что если скорость микропроцессоров будет так же удваиваться каждые полтора года, то лет через 40 мы получим настольный компьютер, производительность которого будет сопоставима с суммарной мощностью всех сегодняшних компьютеров.
Поиск альтернативы
В конце концов, компьютер - устройство физическое, и его базовые операции описываются законами физики. А с физической точки зрения тот тип транзистора, который является основой современной интегральной схемы, может быть уменьшен еще примерно в 10 раз, до размера в 0,03 мк. За этой гранью процесс включения/выключения микроскопических переключателей станет практически невозможным. Поведение транзисторов будет похоже на текущие краны - перемещение электрона с одного конца на другой выйдет из-под контроля.
Как уже говорилось, предел миниатюризации элементов процессора может наступить и раньше из-за различных физических и производственных проблем. Поэтому некоторые ученые формулируют задачу однозначно - найти физическую замену основе основ. Не транзистор, передающий и усиливающий электрический сигнал под действием поля, а нечто другое. Но что? Физики утверждают, например, что на определенном этапе миниатюризации элементы схемы станут настолько малы, что их поведение нужно будет описывать законами квантовой механики. В начале 80-х исследователи одной из научных лабораторий США показали, что компьютер в принципе может функционировать по квантово-механическим законам. В таком квантовом компьютере для хранения информации могут использоваться, например, атомы водорода, различные энергетические состояния которых будут соответствовать 0 и 1. Ученые ищут способы реализации квантовой логики. В ряде научных центров ведутся активные работы по созданию архитектурных принципов квантовых компьютеров. Пока неясно, смогут ли (и насколько эффективно) машины, использующие совершенно иные физические принципы работы, решать традиционные математические задачи и, тем более, опередить в этом своих классических конкурентов.
Предлагаются и другие альтернативы транзистору, например, нелинейные оптические устройства, в которых электрические токи и напряжения заменяет интенсивность оптических лучей. Реализация этой идеи связана с рядом проблем. Особенно важно, что, в отличие от электричества, световые сигналы плохо взаимодействуют между собой, а это - необходимое условие для реализации логических функций.
Триумфальное шествие транзисторов само по себе стало толчком для поисков альтернативных технологий. С 50-х, когда началось коммерческое использование новых устройств, заметно активизировалась и исследовательская деятельность в области физики твердого тела. Был открыт целый ряд интересных явлений, выдвинуто много нетривиальных решений в электронной технике. Однако обогатив инженерную мысль, ни одна из этих идей не нашла реального применения в массовых информационных технологиях.
Не приходится пока говорить и о перспективах массового производства квантовых или оптических компьютеров. Поэтому будущее (по крайней мере обозримое) компьютерной техники будет по-прежнему связано с транзисторами. Вполне возможно, что те реальные проблемы, которые встают на пути дальнейшего их уменьшения и о которых мы попытались дать представление нашему читателю, приведут к замедлению процесса появления новых поколений схем памяти и микропроцессоров, которые сейчас возникают с периодичностью примерно раз в три года. Разработчики будут искать другие пути повышения производительности процессоров, не связанные непосредственно с уменьшением компонентов интегральных схем. Например, увеличение размеров процессора позволит разместить на нем большее число транзисторов. Кристалл может стать "толще" - за счет увеличения числа горизонтальных уровней схемы можно повысить плотность размещения элементов памяти или логических устройств, не меняя их размера. А может быть, барьеры на пути создания еще более мощных и умных машин будут преодолены с помощью необыкновенно умного и мощного программного обеспечения, которое подчиняется уже совсем другим, отнюдь не физическим законам.
Нашел и подготовил Александр Запольскис
E-mail: leshy@nestor.minsk.by - титульная страница
Наталья Дубова
http://win.www.osp.ru/cw/1997/48/general/details.html
На рубеже тысячелетий западные исследователи размышляют над тем, как "обмануть" законы физики и преодолеть препятствия, мешающие росту производительности процессоров. На пути отечественной микроэлектроники и компьютерной индустрии по-прежнему стоят совсем иные барьеры.
Oтвлечемся от сложных проблем производства интегральных схем и поговорим о перспективах совершенствования микропроцессора. В 1971 году появился Intel 4004 - первый процессор на кристалле, получивший из-за своего маленького размера название микропроцессор. Микропроцессор - сердце современного массового компьютера. Производительность сегодняшних процессоров в 25 тысяч раз превышает мощность Intel 4004. Первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а Pentium Pro - 7,5 млн. Совершенствование производства интегральных схем позволяет создавать большее число кристаллов на одной кремниевой пластине, то есть за один производственный цикл, тем самым снижая их стоимость. Поэтому значительный рост мощности микропроцессоров не сопровождается резким скачком цен, и высокопроизводительные компьютеры становятся доступны массовому потребителю.
Повышение производительности достигается не только путем увеличения транзисторов на кристалле, но и за счет реализации эффективных способов выполнения машинных команд. Достижения последних десятилетий, типа конвейерной, суперскалярной и параллельной организации вычислений, заставляет процессор современной машины функционировать быстрее и эффективнее. Вообще говоря, само по себе повышение производительности микропроцессорного ядра компьютерной системы не приведет к повышению эффективности компьютера в целом, если оно не сопровождается соответствующим усовершенствованием других компонентов, в первую очередь памяти. С середины 70-х годов, когда развернулось коммерческое производство памяти на интегральных схемах, ее объем каждые три года увеличивался в четыре раза. Специалисты предсказывают появление через несколько лет модулей оперативной памяти емкостью до миллиарда бит на одной интегральной схеме. Но рост емкости не сопровождается сопоставимым ростом скорости доступа к данным на кристалле, и разрыв между сверхбыстрым процессором и медленной памятью снижает эффективность работы компьютерной системы. Естественно, ведется поиск способов сокращения этого разрыва. Наиболее распространенный среди них - кэш-память, память быстрого доступа, размещенная прямо на кристалле. Для современных процессоров характерна тенденция к увеличению объема кэш-памяти, иногда до такой степени, что число транзисторов, выделенных на кэш, превышает число элементов для реализации непосредственно процессорных функций. Аналитики предсказывают, что в XXI веке эта тенденция сохранится и позволит свести к минимуму отставание скорости обработки данных от скорости доступа к ним.
Более того, возможно, уже в недалеком будущем память и процессор объединятся на одном кристалле, подобно тому, как 25 лет назад различные элементы вычислительного устройства были объединены на одной интегральной схеме и появился микропроцессор. Тем самым будет полностью ликвидирован скоростной разрыв между процессором и памятью и откроются невиданные возможности в использовании гигантского числа транзисторов, размещенных на одном кристалле. Не будем пытаться оценивать реальность такой перспективы. Но определенно можно сказать, что если скорость микропроцессоров будет так же удваиваться каждые полтора года, то лет через 40 мы получим настольный компьютер, производительность которого будет сопоставима с суммарной мощностью всех сегодняшних компьютеров.
Поиск альтернативы
В конце концов, компьютер - устройство физическое, и его базовые операции описываются законами физики. А с физической точки зрения тот тип транзистора, который является основой современной интегральной схемы, может быть уменьшен еще примерно в 10 раз, до размера в 0,03 мк. За этой гранью процесс включения/выключения микроскопических переключателей станет практически невозможным. Поведение транзисторов будет похоже на текущие краны - перемещение электрона с одного конца на другой выйдет из-под контроля.
Как уже говорилось, предел миниатюризации элементов процессора может наступить и раньше из-за различных физических и производственных проблем. Поэтому некоторые ученые формулируют задачу однозначно - найти физическую замену основе основ. Не транзистор, передающий и усиливающий электрический сигнал под действием поля, а нечто другое. Но что? Физики утверждают, например, что на определенном этапе миниатюризации элементы схемы станут настолько малы, что их поведение нужно будет описывать законами квантовой механики. В начале 80-х исследователи одной из научных лабораторий США показали, что компьютер в принципе может функционировать по квантово-механическим законам. В таком квантовом компьютере для хранения информации могут использоваться, например, атомы водорода, различные энергетические состояния которых будут соответствовать 0 и 1. Ученые ищут способы реализации квантовой логики. В ряде научных центров ведутся активные работы по созданию архитектурных принципов квантовых компьютеров. Пока неясно, смогут ли (и насколько эффективно) машины, использующие совершенно иные физические принципы работы, решать традиционные математические задачи и, тем более, опередить в этом своих классических конкурентов.
Предлагаются и другие альтернативы транзистору, например, нелинейные оптические устройства, в которых электрические токи и напряжения заменяет интенсивность оптических лучей. Реализация этой идеи связана с рядом проблем. Особенно важно, что, в отличие от электричества, световые сигналы плохо взаимодействуют между собой, а это - необходимое условие для реализации логических функций.
Триумфальное шествие транзисторов само по себе стало толчком для поисков альтернативных технологий. С 50-х, когда началось коммерческое использование новых устройств, заметно активизировалась и исследовательская деятельность в области физики твердого тела. Был открыт целый ряд интересных явлений, выдвинуто много нетривиальных решений в электронной технике. Однако обогатив инженерную мысль, ни одна из этих идей не нашла реального применения в массовых информационных технологиях.
Не приходится пока говорить и о перспективах массового производства квантовых или оптических компьютеров. Поэтому будущее (по крайней мере обозримое) компьютерной техники будет по-прежнему связано с транзисторами. Вполне возможно, что те реальные проблемы, которые встают на пути дальнейшего их уменьшения и о которых мы попытались дать представление нашему читателю, приведут к замедлению процесса появления новых поколений схем памяти и микропроцессоров, которые сейчас возникают с периодичностью примерно раз в три года. Разработчики будут искать другие пути повышения производительности процессоров, не связанные непосредственно с уменьшением компонентов интегральных схем. Например, увеличение размеров процессора позволит разместить на нем большее число транзисторов. Кристалл может стать "толще" - за счет увеличения числа горизонтальных уровней схемы можно повысить плотность размещения элементов памяти или логических устройств, не меняя их размера. А может быть, барьеры на пути создания еще более мощных и умных машин будут преодолены с помощью необыкновенно умного и мощного программного обеспечения, которое подчиняется уже совсем другим, отнюдь не физическим законам.
Нашел и подготовил Александр Запольскис
E-mail: leshy@nestor.minsk.by - титульная страница
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 07 за 1998 год в рубрике hard :: процессоры
