Что день грядущий (в лице Intel) нам готовит, или по следам московского IDF 2003

Что день грядущий (в лице Intel) нам готовит, или по следам московского IDF 2003

В прошлой статье (см. КГ №45 за 2003) я поведал вам о технологиях ("T"-s) от Intel (Hyper-Threading, Centrino, LaGrande и Vanderpool), а также представил вашему вниманию интервью с одним из разработчиков интересной технологии распознавания и визуализации мимики (3D Talking Heads). Сегодня разговор пойдет о новых настольных процессорах Intel (ядро Prescott), серии "мобильных процессоров" PXA, новых производственных технологиях Intel и прочих любопытных вещах.

Оставайся на связи... Везде!
В последнее время беспроводные коммуникации развиваются весьма динамично, и не исключено, что скоро потребность в "шнурках" для соединения компьютеров в локальные сети сильно снизится. Компания Intel принимает активное участие в "мобилизации" компьютеров: платформа Centrino и поддержка/продвижение стандартов связи 802.XX — яркий тому пример. В настоящее время используются следующие семейства стандартов беспроводного соединения: IEEE 802.15 (Bluetooth) для организации "точечной" связи (на минимальных расстояниях), IEEE 802.11 (Wi-Fi) — для создания ЛВС на небольших расстояниях (офис, дом) и IEEE 802.16 (Wi-MAX) — для предоставления услуг беспроводной связи в пределах города.

Wi-Fi (WirelessFidelity — беспроводная точность) — некоммерческий альянс по стандартизации сетевого оборудования 802.11. Одна точка доступа Wi-Fi может обслуживать определенное количество подключающихся пользователей в радиусе около 100 метров (скорость подключения — до 54 Мбит/с при использовании 802.11a). Хотя таких точек доступа пока относительно немного, в ближайшее время количество их должно значительно увеличиться: согласно прогнозам Dataquest, стоит ожидать увеличения их числа с 73 в 2001 до 34840 в 2007 году. Кстати, в прошлом году в Европе насчитывалось более 3 миллионов устройств с возможностью подключения к беспроводным сетям, а в этом году их количество должно удвоиться. Вывод? Беспроводные технологии становятся все популярнее (и лучше).
Wi-MAX — некоммерческая организация, призванная обеспечить совместимость и взаимодействие систем, реализованных на базе стандарта 802.16а. Базовые станции 802.16а обеспечивают широкополосный доступ к сети на скоростях до 75 Мбит/с на расстоянии 6-9 км (стандартная зона уверенного приема; максимальный радиус действия — 40 км). 802.16а и 802.11b гармонично дополняют друг друга: базовая станция 802.16 обслуживает точки доступа 802.11 в радиусе действия а те, в свою очередь, предоставляют услуги беспроводной связи мобильным компьютерам конечных пользователей. Пока беспроводная связь является довольно дорогой игрушкой, но с увеличением спроса на беспроводные решения и полной стандартизацией решения для организации точек доступа и сами базовые станции должны сильно подешеветь.

Что это значит для конечного пользователя? Удобство и мобильность — раз, высокая скорость — два, сравнительно низкая стоимость — три, а также ряд других преимуществ. К сожалению, у стандартов 802.11 (да и вообще у всех беспроводных устройств) есть два достаточно серьезных недостатка — безопасность и простота "глушения". Стандартный протокол шифрования WEP (Wireless Encryption Protocol) достаточно легко "сломать", а более безопасные решения/надстройки стоят в разы (или даже на порядки) больших денег... Вторая проблема косвенно связана с первой: если, скажем, сеть предприятия беспроводная, то нарушить ее работу не составит труда даже для не очень хорошо технически оснащенного злоумышленника. А умирание сети на предприятии — очень неприятная для этого самого предприятия ситуация. Очень-очень... Не то что злоумышленник — даже некоторые бытовые устройства (вроде микроволновой печи) плохо уживаются с Wi-Fi на одной частоте. Конечно, варианты решения обеих проблем существуют, но пока, на мой взгляд, время высокоэффективных и безопасных беспроводных сетей не пришло.

Мобильность — это не только ноутбук на Centrino;). Бывают ведь еще и наладонники, и смартфоны (особо продвинутые в плане вычислительной мощности телефоны). Серия чипов Intel PXA (на XScale, являющейся "логическим продолжением" ARM) представляет собой решения с высокой степенью интеграции для таких систем — непосредственно 200-300 МГц процессор, 16-32 Мб флэш-памяти, поддержку USB, IrDA, AC97, Bluetooth, UART, MMC/SD-контроллера карт памяти... Степень интеграции поражает, правда? А если еще представить, что "универсал" должен быть максимально "холодным" и потреблять минимум электроэнергии, становится радостно за человеческий гений исследователей Intel. Новый чип PXA800F (Manitoba) станет результатом дальнейшего развития серии. Он будет работать на частоте 312 МГц, включать в себя DSP (104 MГц), 4 Мб флэш-памяти и 512 Кб SRAM. Manitoba уникален тем, что дает возможность как производить высокоскоростные вычисления, так и предоставлять владельцу полноценные коммуникационные возможности (GPRS Class 12).
Так или иначе, в современном динамичном мире необходимо всегда быть на связи, чтобы иметь возможность оперативно отреагировать и приспособиться к изменившимся условиям. И решения Wi-Fi-доступа, а также наладонники и смартфоны на чипах Intel PXA — отличный вариант для мобильных пользователей.

PCI Express
Шины PCI (первая версия которой была предложена Intel в далеком 1991) многим современным шустрым устройствам уже не хватает. Ее пропускная способность всего 133 Мб/сек — смех да и только!.. Расширенные и усовершенствованные варианты PCI (PCI-X, miniPCI, AGP и др.) также не сильно вдохновляют. Поэтому, похоже, пришло время менять покрышки, то есть, простите, шины. Параллельные варианты (PCI) нынче не в моде — последовательные интерфейсы позволяют значительно сэкономить пространство внутри корпуса благодаря компактным кабелям, замечательно масштабируются и имеют ряд других преимуществ. PCI Express (в форме спецификации появилась в июле 2002) — новая высокоскоростная современная шина для PC — будет по пропускной способности вдвое, до 4000 Мб/сек, опережать самый быстродействующий подвид PCI, AGP 8x. Унифицированная структура — хорошо, а очень быстрая унифицированная структура — и вовсе праздник. В разъемах PCI Express значительно меньше контактов, чем в простом PCI — так что первое время PCI и PCI Express будут мирно сосуществовать, а вот AGP, скорее всего, будет сразу же заменена на PCI Express. Новая шина программно совместима с AGP/PCI, поэтому значительных проблем с миграцией быть не должно. PCI Express будет сперва (1 квартал 2004 г.) использоваться в серверных платформах Intel, а чуть позже в 2004 году перекочует и на материнские платы настольных систем. Уже готовы опытные варианты карт PCI Express (в первую очередь это графические акселераторы от ATI и nVidia), и в ближайшее время, похоже, старый добрый PCI тихо умрет, став уделом истории да собирателей антиквариата.

Serial ATA и Serial ATA II
Пришедший на смену параллельному ATA-интерфейсу последовательный ATA избавил (избавит) пользователей от проблем с неудобством широких разъемов, плохой масштабируемостью и сравнительно невысокой скоростью передачи данных — маленькие удобные кабели и скорость передачи данных 150 Мб/сек (с увеличением в дальнейшем до 300, а затем и до 600 Мб/сек) вкупе с отличной масштабируемостью Serial ATA решений благоприятно повлияли на популярность SATA-устройств. В сентябре на осеннем IDF Intel продемонстрировала прототип SATA-II-устройства. Serial ATA II — расширение спецификации SATA для серверов и высокопроизводительных рабочих станций. В частности, SATA-II обеспечит скорость работы до 300 Мб/сек, улучшенный интерфейсный кабель (SATA-II CabCon), мультипликатор портов для увеличения числа подключаемых устройств, а также селектор портов для резервных соединений и повышения надежности системы. Хоть обновленная технология еще находится в стадии разработки, по доступным данным о ней (см. выше:)) уже можно делать выводы о направлениях дальнейшего развития стандарта.

Звук по-новому: Intel Azalia
Спецификации AC'97 (разработка Intel), уже давно ставшей стандартом де-факто интегрированного PC-звука, пора на покой. Она не умеет работать с 32-битным звуком, поддерживать вывод на восемь колонок, да и в целом морально устарела. Заменить AC'97 призвана новая технология Intel под кодовым названием Azalia. Как и AC'97, Azalia являет собой спецификацию, описывающую компоненты компьютерного аудиоустройства (кодек(-и), цифровой контроллер и интерфейс их взаимодействия). AC'97 была создана достаточно гибкой, и отчасти из-за этой самой гибкости не удалось избежать путаницы с различными драйверами для различных AC'97-устройств — чуть ли не у каждого производителя своя физическая реализация и свои драйверы. Стандарт Azalia гораздо более тщательно описывает работу звукового устройства (даже на самом низком аппаратном уровне), и поэтому Azalia-совместимый звук будет использовать один, унифицированный драйвер. Новый стандарт поддерживает 32-битный звук и частоту дискретизации до 192 КГц. Интерфейс Azalia обеспечивает пропускную способность в 48 Мбит/с на выход и 24 Мбит/с на вход. Этого вполне достаточно даже для восьмиканального (7.1) звука. А вот 24 Мбит/с, похоже, для записи 24-битного аудио явно маловато... Однако для относительно недорогого устройства возможность такой записи не является критичной. Azalia поддерживает до 15 одновременных звуковых потоков с различными параметрами и, самое главное, может обрабатывать каждый поток отдельным кодеком. Таким образом, Azalia представляет собой унифицированную, достаточно гибкую, мощную и современную спецификацию компьютерных аудиоустройств. Официальная презентация новой спецификации произойдет в первом квартале 2004 года, тогда же появятся первые продукты на ее базе, и можно будет сделать первые выводы.

Prescott, 90 нм и все-все-все
Ядро Northwood современных Pentium 4 в ближайшее время (конец года) будет заменено ядром Prescott, выполненным по 90-нм технологии на кристалле размером 112 мм2 (125 млн транзисторов), с 1 Мб кэша второго уровня на борту, усовершенствованной технологией Hyper-Threading и новыми инструкциями. В производстве Prescott будет использована технология "напряженного кремния" и введен седьмой слой медных соединений с новым более эффективным диэлектриком (новый CDO позволяет значительно уменьшить емкостное сопротивление по сравнению со старым SiOF). Это все значит, что тактовые частоты будут гораздо выше (Intel называет цифру в 4-5 ГГц как предел для нового ядра), вместе с ростом частоты возрастет производительность, а напряжение работы процессоров, наоборот, значительно снизится. Это снижение, без сомнения, благоприятно скажется на энергопотреблении и тепловыделении. Новый техпроцесс (90-нм, "напряженный кремний" и т.д.) будет использован также при производстве чипов под кодовым названием Dothan (новое поколение процессоров Pentium M, 140 млн транзисторов, 2 Мб кэша второго уровня).
Дальнейшая миниатюризация транзисторов приведет к тому, что слой SiO2 (тонкая изолирующая пленка над затвором транзистора) станет слишком мал, и токи утечки через диэлектрик значительно возрастут, что сведет на нет все преимущества миниатюризации. Для борьбы с этим явлением Intel планирует к 2007 году перейти на использование особого, "high-k", диэлектрика (с высоким диэлектрическим коэффициентом и шириной 3 нм против 1,2 нм у SiO2). Емкостное сопротивление станет на 60% больше, что значительно увеличит быстродействие, а более чем стократное снижение величины тока утечки заметно уменьшит тепловыделение. Новому диэлектрику, однако, понадобится также новый сплав металлов для затвора (кремний плохо совместим с "high-k"-диэлектриком).

Для увеличения рабочего тока через транзистор Intel будет использовать технологию "напряженного кремния" (strained silicon). Чтобы ток проходил свободнее, необходимо, очевидно, уменьшить сопротивление материала. Если увеличить расстояние между атомами в кристаллической решетке, то электроны, понятное дело, будут проходить свободнее, и ток возрастет (в случае электронной проводимости). Для достижения аналогичного результата в транзисторах P-типа (с дырочной проводимостью) решетку необходимо, наоборот, сжать. "Сжатие" и "растяжение" решетки достигается использованием слоя Si3N4 в N-транзисторах или SiGe в транзисторах P-типа. "Напряженный кремний" позволяет увеличить ток транзистора на 20-30% при неизменном рабочем напряжении, а себестоимость при этом должна увеличиться совсем незначительно. Значительно (в разы) увеличить рабочий ток поможет переход на использование "трехмерных", или "трехзатворных" ("tri-gate"), транзисторов. Технология позволит току течь не только по верхней поверхности, но и по боковым поверхностям транзистора. А это в итоге выльется в фактическое утроение величины тока при неизменном напряжении. Жаль только, что технологии пока придан статус "экспериментальной" — когда она пойдет в коммерческое производство, точно неизвестно, но я полагаю, что это произойдет не ранее, чем в 2007 году.
Для создания чипов по 90-нм (и грядущему 65-нм) техпроцессу используется старая технология UVL (UltraVioletLito-graphy — ультрафиолетовая литография). В нынешнем оборудовании используется свет с длиной волны 248-193 нм (а для 65-нм — 157 нм), но для дальнейшей миниатюризации транзисторов в ближайшие несколько лет простого UVL-оборудования станет недостаточно: очень скоро длина волны сравняется с размерами объекта, и старая технология станет нефункциональной. Свыше 140 организаций по всему миру в составе EUVL LLC консорциума работают над проблемами реализации и коммерческого использования новой технологии сверхультрафиолетовой литографии (EUVL — Extreme-UltraVioletLitography). Она будет использовать свет с длиной волны 13 (!!!) нм, что позволит еще сильнее уменьшить размеры транзистора. Несмотря на успехи консорциума, до коммерческого применения EUVL пока еще далеко: Intel планирует начать эксплуатацию EUVL не ранее 2005 (или даже 2007) года.

Таким образом, закон Мура ("количество транзисторов на кристалле микропроцессора удваивается каждые полтора-два года") будет действовать как минимум до конца этого десятилетия. А потом? Вполне возможно, что кремний изживет себя, и дальнейшие ухищрения исследователей не смогут вдохнуть в него новую жизнь. Но, без сомнения, придут новые технологии (нановолокна, нанотрубки), новые решения — человечеству не свойственно останавливаться на достигнутом.

(c) 2003 Щетько Николай АКА Nickky, специально для КГ, me@nickky.com