Парадоксы закона Мура: микропроцессоры сегодня и в новом тысячелетии

Рождение кремниевого кристалла Немногие изобретения можно поставить в один ряд с микропроцессором по степени воздействия на весь ход истории человечества. Вспомним 60-е годы: междугородный телефон считался чуть ли не роскошью, а ЭВМ, заполнявшие собой средних размеров помещения, были установлены лишь в немногочисленных государственных научных центрах, исследовательских лабораториях при университетах и в крупнейших корпорациях. Появление в середине 60-х годов интегральной схемы (ИС), одним из создателей которой стал Боб Нойс (он позднее основал корпорацию Intel), открыло путь к миниатюризации электронной схемотехники с размещением нескольких ИС на одном кремниевом кристалле. Тем не менее отношение к микроэлектронике оставалось, по большей части, скептическим.

Когда японская компания Busicom приступила к изучению потенциала рынка карманных калькуляторов, то первым делом обратилась к Intel - молодой тогда фирме, специализировавшейся на разработке электронных микросхем.

Intel, основанная 18 июля 1968 года, поставила перед собой беспрецедентную задачу достижения экономической целесообразности применения полупроводниковых запоминающих устройств. Ее успешное решение стало бы поистине революционным: кремниевая память стоила, по меньшей мере, в 100 раз дороже наиболее тогда распространенных запоминающих устройств на магнитных носителях.

В те времена логические микросхемы (предназначенные для производства вычислений и выполнения программ, в отличие от запоминающих микросхем, которые служат для записи команд и данных) разрабатывались исключительно на заказ, под конкретную продукцию конкретного производителя, что, по определению, чрезвычайно ограничивало сферу применения любой логической ИС. Калькулятор, первоначально разработанный Busicom, требовал не менее 12 подобных уникальных микросхем. Инженер из Intel Тед Хофф отверг столь неуклюжую конструкцию, предложив вместо нее смонтированное на одном-единственном кристалле логическое устройство общего назначения, считывающее прикладные команды из полупроводникового запоминающего устройства.

В качестве ядра набора из четырех микросхем такое устройство, получившее название центрального процессора, не только отвечало всем требованиям, предъявляемым к калькулятору Busicom, но и без каких-либо особых модификаций могло найти применение в других аналогичных приборах.

Первый микропроцессор завоевывает рынок

Осознав громадный потенциал своей новой разработки, Intel предложила вернуть компании Busicom ее первоначальные инвестиции в размере 60 тысяч долларов в обмен на все права на данную продукцию. Японская фирма, столкнувшаяся к тому времени с финансовыми затруднениями, предложение приняла. Сделка не вызвала никакого резонанса в мире бизнеса.

Так продолжалось вплоть до 1971 года, в конце которого состоялась официальная презентация вычислительного микроустройства 4004 (термин "микропроцессор" появился позднее). Микросхема стоимостью 200 долларов, вместившая 2,300 транзисторов на кристалле размерами меньше ногтя большого пальца, обладала такой же вычислительной мощностью, что и первая электронная вычислительная машина модели ENIAC. Ничтожное по современным понятиям быстродействие 4004-го процессора - 60,000 операций в секунду - в те времена казалось просто фантастическим.

Вскоре после этого Intel представила вычислительное микроустройство модели 8008, способное одновременно обрабатывать восемь бит данных, то есть вдвое больше своего предшественника. Как и предполагалось, оба устройства распахнули перед Intel двери новых рынков: невиданная прежде вычислительная мощь стала доступной разработчикам практически любой продукции, открыв поистине безграничные просторы для творческой, новаторской деятельности.

Даже в мелких продовольственных магазинах появились электронные весы со встроенными вычислительными микроустройствами, которые определяли стоимость взвешенного товара, распечатывая ее с помощью этикеточных принтеров. Светофоры "научились" распознавать ожидающие на перекрестке машины и эффективнее управлять движением.

Появление вычислительных микроустройств осуществило революцию практически во всех сферах человеческой деятельности - от производства медицинского оборудования до ресторанов быстрого обслуживания, где учет запасов продуктов стал осуществляться с помощью компьютеров, от системы заказа авиабилетов до бензозаправочных станций. Даже "однорукие бандиты" - игровые автоматы стали оснащаться микропроцессорами.

Intel, IBM и создание персонального компьютера

К 1981-му году семейство микропроцессоров Intel разрослось, пополнившись 16-разрядным чипом 8086 и восьмиразрядным 8088. Эти два процессора послужили основой для разработки 2,500 новых видов продукции за один лишь год (рекордный показатель, до сих пор не имеющий аналогов в мире). В ряду этих разработок поначалу ничем не выделялось предложение, поступившее от корпорации IBM: проект первой вычислительной машины, построенной на архитектуре, которой было суждено предопределить будущее всей компьютерной индустрии.

Долгосрочная стратегия Intel, направленная на развитие микропроцессорной продукции, и ее возможности по организации крупносерийного производства убедили IBM сделать выбор в пользу микросхемы 8088 в качестве "мозга" персонального компьютера*. Такое решение стало для Intel исключительно удачным поворотом дела, хотя поначалу значение этого события не было столь очевидным.

В 1982 году Intel представила кристалл модели 80286, содержащий 134 тысячи транзисторов, а по производительности втрое превосходивший современные ему 16-разрядные процессоры. Микропроцессор 80286 со встроенными средствами управления памятью стал первым изделием такого рода, программно совместимым с процессорами следующих поколений. Эта особенность "архитектуры x86" присуща всем микросхемам, разработанным Intel за последние два десятка лет, в том числе последней новинке - процессору Pentium III.

Готовящийся сейчас к выпуску процессор Merced станет первым представителем новой архитектуры Intel, получившей наименование IA-64. Процессор Merced сможет выполнять 64-разрядные прикладные программы класса "хай-энд", ныне используемые главным образом в центрах обработки данных крупнейших корпораций. Вместе с тем он будет работать и с программным обеспечением, предназначенным для широко распространенной архитектуры IA-32, яркими представителями которой являются процессоры Pentium и Pentium II.

Появление закона Мура

Гордон Мур был связан с разработкой полупроводниковых устройств с самого начала своей трудовой деятельности, то есть работы в исследовательском центре компании Bell в те времена, когда свойства полупроводников только еще изучались. В 1950 году он получил степень бакалавра химических наук, после чего продолжил образование в Калифорнийском технологическом университете, где в 1954 году ему была присвоена степень доктора философии. Спустя два года он присоединился к группе под руководством Уильяма Шокли, занимавшейся изучением свойств транзисторов в исследовательском центре Bell (где появился на свет самый первый микропроцессор).

Позднее, уже в качестве независимого исследователя, Гордон Мур содействовал заключению соглашения с Busicom, а в 1968 году стал одним из основателей компании Intel, первоначально заняв должность ее исполнительного вице-президента. В 1975 году он стал президентом и главным исполнительным директором корпорации. На этих постах Гордон Мур пребывал вплоть до 1979 года, пока не был избран председателем совета директоров с сохранением должности главного исполнительного директора, на которой оставался до 1987 года. В 1997 году он был избран почетным председателем совета директоров. Тогда же Ассоциация выпускников калифорнийских ВУЗов, годом ранее отметившая Гордона Мура премией "за выдающиеся достижения", провозгласила его "выпускником года".

Однажды, работая в своем кабинете над очередным выступлением, Гордон Мур сделал простое, но чрезвычайно интересное наблюдение. Рисуя график роста производительности микросхемы памяти, он вдруг заметил удивительную закономерность: в каждом новом кристалле размещалось примерно вдвое больше транзисторов, чем в предшествующем, а появлялись новые микросхемы через равные промежутки времени - спустя полтора-два года после предыдущей. Если эта тенденция останется неизменной, пришел к заключению Мур, то вычислительная мощность будет экспоненциально возрастать на протяжении относительно длительного периода, причем без роста себестоимости.

Исключительная точность сделанного Муром наблюдения быстро снискала известность. И в качестве закономерности была названа именем первооткрывателя. Формулировка закона Мура крайне проста: количество транзисторов, размещаемых на компьютерном кристалле, удваивается примерно каждый год. В 1995 году Мур внес в свой закон поправку: удвоение теперь имеет место каждые два года.

Закон Мура, изначально появившийся в 1965 году как эмпирическое правило, имевшее чисто практическое значение, стал руководством к действию для компьютерной индустрии по мере разработки все более мощных микросхем при пропорционально соразмерной стоимости. Отмеченная в нем закономерность наблюдается и по сей день все с той же удивительной точностью, служа основой прогнозирования роста производительности электронных устройств в масштабах всей компьютерной индустрии. За последние 26 лет число транзисторов, размещаемых на одном чипе, возросло более чем в 3,200 раз: с 2,300 на кристалле 4004, выпущенном в 1971 году, до 7.5 миллиона в процессоре Pentium II.

Микросхема в сфере бизнеса...

Со времени своего появления микропроцессор радикально изменил весь наш образ жизни и способы трудовой деятельности. Некогда персональный компьютер служил лишь вспомогательным инструментом в работе, теперь же он - предмет первой необходимости. Мировой объем продаж ПК уже достиг 100 миллионов в год. К 2000 году специалисты Dataquest предсказывают рост этого показателя до 130 миллионов единиц. Много ли вы вспомните профессий, представители которых не пользовались бы ПК, а уж тем более другими электронными устройствами? Микропроцессоры в той или иной степени задействованы в мобильных телефонах, факсимильных аппаратах, медицинском оборудовании, да практически в любой электронике. Средства связи на основе микросхем полностью изменили способы ведения бизнеса, сделав прозрачными государственные границы по всему земному шару и позволяя достигать более весомых результатов с гораздо меньшими затратами времени и ресурсов.

Революционные изменения, которые принес с собой микропроцессор, коснулись не только трудовой деятельности. Будучи "мозгом" персонального компьютера, микросхема - это одновременно и "мозг" практически любого из ныне существующих электронных устройств. Не за горами то время, когда к мобильным компьютерам, Internet и беспроводным средствам связи добавятся электронные бизнес-карточки, наручные часы, способные управлять системой центрального отопления, заменители человеческих органов, обладающие неисчерпаемым запасом прочности, карманные устройства для проведения видеоконференций, электронные спортивные тренеры, сообщающие тренирующимся данные об их физической форме. Границы, разделяющие страны и народы, исчезнут вовсе, а микросхемы научатся сами разрабатывать следующие поколения подобных себе устройств.

...и в индустрии развлечений

Intel неизменно проявляет новаторский подход к использованию компьютерных технологий применительно ко всем сторонам жизни человека, которая отнюдь не ограничивается трудовой деятельностью. Дети получили возможность начать знакомство с техникой и с окружающим их миром еще до достижения школьного возраста. Беспрецедентная производительность процессора Pentium II вызвала к жизни новое поколение графически насыщенных, интерактивных средств DVD и обучающих программ по всем школьным дисциплинам, которые открывают все более широкие, ранее труднодоступные горизонты познания.

Благодаря мощи и доступности ПК, подключенных к компьютерным сетям, развитие интеллекта и кругозора стало уделом всех без исключения, независимо от возраста: поговорка "век живи - век учись" превратилась в реальность. Другие устройства на основе микросхем - например, цифровые фотоаппараты или карманные органайзеры - неизмеримо расширили возможности проведения досуга, позволяя создавать оцифрованные изображения, обрабатывать фотоснимки, наслаждаться невероятной реалистичностью компьютерных игр. Появился широчайший диапазон инструментальных средств в таких областях, как организация туризма, торговля, проведение отпуска, охрана здоровья.

Настоящее и будущее процессорных технологий

Темпы развития микропроцессоров столь стремительны, что иногда даже внушают страх. Закон Мура, с удивительной точностью позволяющий прогнозировать будущее компьютерной индустрии, открыл перед нами новый мир, размеры которого постоянно уменьшаются, а мощь при этом возрастает, и конца-краю этому не видно.

Чтобы сохранить взятый однажды темп, необходимо постоянно стремиться к новым горизонтам, не ограничиваясь отдельными усовершенствованиями ранее разработанных технологий. Исследования, результатам которых, скорее всего, суждено определить будущее микропроцессора, в настоящее время идут по трем главным направлениям.

Производство микросхем на базе медных компонентов

Одной из самых перспективных сфер исследований все с большим основанием считается замена алюминия медью в металлических проводниках микропроцессора. Медь, как и алюминий (применяемый Intel в настоящее время), обладает низким емкостным сопротивлением, что является необходимым требованием, предъявляемым к межкомпонентным соединениям высокопроизводительных микропроцессоров.

На протяжении последнего десятилетия производители полупроводниковых устройств много экспериментировали с материалами, способными заменить алюминий при изготовлении проводников, в частности с медью, золотом и серебром. Преимущество меди перед алюминием заключается в ее более высокой электропроводности, недостаток же - в усложнении производственного процесса, поскольку медь, легко окисляясь под воздействием воздуха и влаги, оказывает пагубное влияние на кремний (следовательно, эти материалы необходимо друг от друга изолировать).

В 0.18-микронной технологии изготовления чипов, на которую Intel переходит в этом году, будет, как и прежде, применяться алюминиевая металлизация. Intel первой продемонстрировала микросхему статической оперативной памяти SRAM с рабочей частотой 900 мегагерц, изготовленную по 0.18-микронной технологии. Переход Intel на медную металлизацию ориентировочно намечен на 2001 год - одновременно с внедрением новой, 0.13-микронной технологии изготовления процессоров.

Проектно-исследовательские работы с медью, осуществляемые Intel уже на протяжении долгих лет, стали частью усилий по повышению характеристик межкомпонентных (монтажных) соединений. В разработанном 0.18-микронном производственном процессе эта цель достигается путем применения изолирующих диэлектриков. Медь, однако, до сих пор не использовали, полагая, что алюминий обладает сопоставимыми характеристиками, а его применение менее рискованно. В производственном процессе следующего поколения, основанном на 0.13-микронной технологии, Intel надеется повысить характеристики межкомпонентных соединений путем использования меди в сочетании с более совершенными изолирующими диэлектриками.

Пока же Intel стала пионером разработки монтажной технологии OLGA, в которой так называемый перевернутый кристалл (flip chip) связывается за одну операцию с медными межкомпонентными соединениями подложки, изготавливаемой из материалов с низкой электропроводностью. Такой способ повышает электрические характеристики по сравнению с керамической монтажной технологией, в которой применяются тугоплавкие металлы с более высоким удельным сопротивлением и изолирующие материалы с относительно большой электропроводностью. Монтажная технология OLGA уже вполне освоена и широко применяется в целях повышения производительности микропроцессоров, изготавливаемых по технологической норме 0.25 микрона.

"Кремний на изоляторе"

Технология "кремний на изоляторе" (Silicon-on-insulator, сокращенно SOI) является одним из способов резкого снижения энергопотребления одновременно с наращиванием быстродействия процессоров - по некоторым данным, до 35%. Intel занимается как собственными, так и совместными исследованиями в области SOI, однако полагает, что эта технология пока еще не способна обеспечить значительный рост быстродействия и снижение энергопотребления по сравнению с ныне существующими способами изготовления кремниевых логических устройств с технологической нормой ниже 0.25 мкм.

Применительно к высокопроизводительным процессорам собственного изготовления Intel пришла к выводу о том, что быстродействие, достигаемое с применением технологии SOI, даже ниже, чем у ныне существующих, традиционных кремниевых технологий. Что касается энергопотребления, то показатели SOI относительно традиционных кремниевых технологий оказались на 18% выше в интегральных схемах со шлюзовой загрузкой и на 15% ниже в ИС с загрузкой через межсоединения. В высокопроизводительных микропроцессорах, где на межкомпонентные соединения приходится свыше 30% общей загрузочной емкости кристалла, энергосберегающие преимущества SOI перед традиционными кремниевыми технологиями представляются совершенно незначительными.

По мнению Intel, существуют иные способы повысить быстродействие процессоров одновременно со снижением энергопотребления. Так, например, она занимает лидирующие позиции в компьютерной индустрии по разработке высокопроизводительной, энергосберегающей продукции на основе транзисторов с масштабируемым напряжением. Такими способами ей удалось быстрее, чем кому-либо другому, снизить рабочее напряжение (а следовательно, и энергопотребление), не прибегая к SOI.

Сверхультрафиолетовая литография

Оптическая проекционная литография используется в процессе трафаретной печати на кремниевой подложке тончайших, сложных элементов, определяющих структуру интегральной схемы. Непрерывное совершенствование оптической проекционной литографии привело к тому, что размеры мельчайших из этих элементов уменьшаются каждые два года еще примерно на 30%, создавая возможности для изготовления все более мощных, экономичных полупроводниковых устройств.

Многочисленные прогнозы указывают на то, что эта технология еще долгое время будет служить основой полупроводниковой индустрии, однако ориентировочно к 2005 году возникнет необходимость в освоении так называемой литографии следующего поколения (ЛСП). Одна из таких технологий будущего, идущих на смену ныне используемой оптической литографии, получила название сверхультрафиолетовой литографии (extreme ultraviolet lithography, сокращенно - EUVL).

EUVL - относительно новая разновидность литографии, в которой проекция изображения осуществляется с помощью сверхультрафиолетового излучения с длиной волны в диапазоне от 10 до 14 нанометров (нм). Во многих отношениях EUVL сохраняет преемственность в отношении традиционной оптической литографии. Так, например, в современной оптической проекционной литографии применяются те же самые основные оптические средства, что и в EUV-системе проектирования и моделирования изображений. Есть, однако, и весьма существенные отличия.

Главное из них заключается в том, что сверхультрафиолетовое излучение очень легко поглощается любыми веществами, даже газообразными. Следовательно, EUV-проекцию изображений необходимо выполнять практически в вакууме. Кроме того, легкость поглощения исключает применение таких преломляющих оптических элементов, как линзы и проводящие маски.

Парадоксальна чрезвычайно низкая отражательная способность некоторых веществ при близком к нормальному угле падения сверхультрафиолетового излучения. Чтобы отражательная способность стала приемлемой, требуется многослойное тонкопленочное покрытие поверхности, известное под названием "распределенный отражатель Брагга". Лучшие из такого рода отражателей действуют в диапазоне от 11 до 14 нм. Поскольку существующие оптические фоторезисты легко поглощают сверхультрафиолетовое излучение, для освоения технологии EUVL необходимо разработать новые фоторезисты и способы проявки.

В силу того что проекция изображений в EUVL осуществляется на сверхкоротких волнах, получение изображений с ограниченным преломлением потребует чрезвычайно высокой точности обработки поверхности зеркал камеры. Для изготовления столь безупречных зеркал нужны новые шлифовальные и метрологические технологии.

Сверхультрафиолетовое излучение, которое раньше также называли мягкими рентгеновскими лучами, исследовано уже вполне достаточно, чтобы сделать вывод о принципиальной возможности разработки оптических технологий на его основе. С другой стороны, предстоит еще очень многое сделать, прежде чем выяснится окончательно, когда EUV-литография будет (и будет ли вообще) готова к промышленному применению. График освоения EUV-технологии остается пока весьма нечетким. Тем не менее исследования в этом направлении идут полным ходом, ибо успешное внедрение EUV позволит проекционной фотолитографии остаться в полупроводниковой промышленности доминирующей технологией на долгие годы вперед.

Останется ли в силе закон Мура?

Технический прогресс, как и процесс промышленного освоения новых технологий, не знает границ, но есть ли ограничения у закона Мура? До сих пор компьютерная индустрия развивалась в полном ему соответствии, а любые препятствия, мешавшие такому развитию, последовательно устранялись. Неизменная справедливость закона Мура заставила многих говорить о нем как об осуществившейся мечте всей жизни его автора: задать работе в этой сфере такой темп, чтобы он мог поддерживаться без постороннего вмешательства. Сам Гордон Мур рассматривает открытый им закон как движущую силу, другие - как саморегулирующийся экономический цикл, в рамках которого взаимодействует множество факторов: таких как человеческие ожидания, деньги, различные технологические достижения, - и все они работают на закон Мура.

И все же закон этот, судя по всему, не вечен: слишком много препятствий стоят у него на пути. Возможности оптической литографии, применяемой сегодня при изготовлении микросхем, будут исчерпаны лет через десять. Толщина изоляционных покрытий чипов уже сейчас не превышает четырех-пяти атомов, и к 2010 или 2020 году дальнейшая миниатюризация станет просто невозможной.

Постоянное совершенствование технологий изготовления микропроцессоров будет иметь далеко идущие последствия для полупроводниковой промышленности в целом. По мере уменьшения размеров интегральных схем процессора внимание будет обращено на функции, выполняемые сейчас другими аппаратными средствами, входящими в компьютер: модемами, графическими адаптерами, контроллерами памяти. Их функции постепенно возьмет на себя центральный кремниевый кристалл - аналог современного микропроцессора. Эту тенденцию отнюдь не обязательно следует приветствовать: по мнению Intel, такие комплексные системы могут тормозить дальнейшее развитие, заставляя производителей кристаллов дожидаться, пока все остальные подсистемы процессора не сравняются с ним по производительности.

Последние разработки в области микроархитектуры процессора и новые методы схемотехники привели к тому, что тактовая частота поднялась до уровня, еще не так давно казавшегося фантастическим. Все указывает на то, что эта тенденция получит продолжение. По прогнозам Intel, касающимся количества транзисторов, размеров кристалла и ширины спектральных линий, в 2000 году "микропроцессор-2000" будет работать на тактовой частоте порядка 900 МГц или еще выше.

Закон Мура дает веские основания прогнозировать быстрое развитие кремниевых технологий одновременно с наращиванием плотности размещения транзисторов на кристалле. Лишь одно несомненно: "микропроцессор-2011" преподнесет нам такой сюрприз, который мы сейчас не в состоянии вообразить даже в самых смелых прогнозах, а компьютерные программы и устройства изменят мир настолько, что нам и не снилось. Так что все самое лучшее - еще впереди.

Intel


Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 08 за 1999 год в рубрике hard :: технологии

©1997-2022 Компьютерная газета