Развитие технологических основ информатики

3. Закон Мура

«Число транзисторов, которое можно включить в состав интегральной схемы, удваивается примерно каждые два года».

Американский компьютерный инженер и бизнесмен Гордон Эрл Мур, впоследствии один из основателей корпорации Intel, сформулировал данный «закон» 19 апреля 1965 году

40 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. Чипов тогда производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство – все более массовым.

По своей сути закон Мура является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции "International Electron Devices Meeting", Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (Таблица 1) [6].

Почему столь простая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется во всем мире, став своеобразным фетишем для тех, кто работает на рынке информационных технологий? И почему закон Мура стал настолько универсальным, что его без колебаний применяют при прогнозировании роста Интернета и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения емкости жестких дисков и многого другого?

Таблица 1

Происходит все это, прежде всего, потому, что закон Мура на редкость простой, доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без компьютеров всех сортов.

Правда, закон Мура, похоже, стал действовать быстрее – за последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух лет до полутора.

Один из профессоров гарвардского университета применил закон Мура к автомобилестроительной и авиационной промышленности. Он определил, что если бы отрасли развивались такими же темпами, как производство полупроводников на протяжении последних 30 лет, то сегодня автомобиль «Ролс-Ройс» стоил бы 2 доллара 75 центов и был бы способен преодолеть расстояние в полторы тысячи километров на одном литре бензина, а самолет «Боинг-767» при цене в 500 долларов, мог бы облететь вокруг земного шара за 20 минут, истратив лишь канистру керосина.

Однако рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они должны будут стать размером с одиночный атом – что невозможно с точки зрения квантовой механики!

4. Первое десятилетие XXI в. Возможности технологии интегральных схем и проекты в области информатики, находящейся в стадии реализации.

Увеличение количества транзисторов дает возможность увеличивать сложность устройств и интегрировать множество новых функциональных возможностей на одном кристалле. Это сочетание количества транзисторов, сложности и конвергенции создает богатый набор ресурсов, которые позволят сделать полупроводниковые устройства еще более мощными, гибкими и экономически выгодными и расширят области их применения. «Закон Мура – это больше, чем просто увеличение числа транзисторов, – заявил Пол Отеллини (Paul Otellini), президент и главный директор по операциям корпорации Intel. – Он еще и о том, насколько творчески Вы сможете использовать эти транзисторы» [6].

Один из примеров творческого подхода Intel – разработка схем с низким энергопотреблением, которая включает технологии адаптивного смещения подложки (adaptive body biasing) и «засыпания» транзисторов (sleep-transistor). По существу, динамически управляя напряжением, подаваемым на подложку транзистора (напряжение смещения), можно управлять пороговым напряжением срабатывания транзистора. Это значит, что напряжение смещения может находиться под локализованным управлением. Благодаря локализованному управлению ток утечки определенных транзисторов можно уменьшить в то время, когда они неактивны, а при пиковой нагрузке системы они будут включаться и вносить свой вклад в производительность. Еще один пример творческого подхода Intel – транзистор с трехмерным затвором (tri-gate transistor). Это новаторская, трехмерная структура транзисторов с истощенной подложкой (depleted substrate). Рельефная, похожая на плато структура транзистора позволяет снизить управляющий ток, а истощенная подложка позволяет снизить ток утечки, когда транзистор находится в неактивном состоянии. В результате достигается общее снижение энергопотребления, что в конечном итоге ведет к увеличению времени работы батарей и к возможности создания мобильных устройств с более компактными форм-факторами. Это еще одно направление инноваций Intel, которое сможет улучшить жизнь миллионов пользователей мобильных устройств. Уменьшение производственных параметров топологии позволяет добавлять больше транзисторов, увеличить функциональные возможности и степень интеграции. Разработчики используют новые возможности дизайна, открывающиеся благодаря увеличению количества транзисторов, для добавления воздушных зазоров, движущихся частей, антенн или других новых структур, повышающих функциональные возможности микросхем, а также для создания двух- и многоядерных процессоров.

Литография на базе жесткого ультрафиолета (Extreme ultra-violet (EUV) lithography) – еще один огромный шаг вперед в направлении удвоения плотности компоновки схем. Сегодня самые передовые технологии литографии ограничены длиной волны видимого света, которая составляет от 400 до 650нанометров. В отличие от них, при EUV-литографии используется длина волны 13,5 нанометра, что позволит создавать элементы толщиной 10 нанометров и меньше. Такое значительное уменьшение размера элементов позволит компании Intel и дальше следовать предсказаниям закона Мура. Конечно, есть множество интересных проблем на пути внедрения EUV и других новшеств в производство. Например, EUV-излучение поглощается стеклом, поэтому вместо линз придется использовать зеркала. Кроме этого, из-за невозможности использовать стеклянные шаблоны должны будут использоваться шаблоны, отражающие луч в одних местах и поглощающие его в других, чтобы точно перенести шаблон схемы на кремниевую пластину. Исследователи и разработчики уже работают в направлении решения этих проблем.

Кроме новых технологий производства транзисторов, корпусов и микросхем, Intel также занимается развитием нетрадиционных технологий, которые могут привести к созданию новых возможностей и решений. Например, отрасль уже столкнулась с физическими ограничениями (на уровне атомов) при передаче электрических сигналов между микросхемами. Решением этой проблемы может быть кремниевая фотоника.

Intel уже создала множество структур, необходимых для организации передачи сигналов между микросхемами с помощью света так же просто, как сейчас это делают электроны. Основной проблемой для этого было отсутствие подходящего источника света. Intel сделала революционный прорыв в этом направлении, создав первый полностью полупроводниковый лазер с незатухающей волной, использующий физическое явление, называемое эффектом Рамана, и построенный с использованием стандартных серийных CMOS-кристаллов.

Используя возможности полупроводников, исследователи смогли реализовать функции традиционного, громоздкого комбинационного лазера, использующего стекло и обычно имеющего размеры чемодана, сократив его размеры до толщины одной дорожки на кремниевой пластине.

Этот прорыв в кремниевой фотонике приведет к созданию практических и доступных решений для коммуникаций и вычислений, к созданию нового медицинского оборудования и датчиков, а настраиваемый полупроводниковый лазер сможет заменить своих предшественников, стоящих сотни и тысячи долларов. Это достижение также может привести к ускорению создания новых оптических межкомпонентных соединений между микросхемами и внешними устройствами, т. к. тонкие оптические волокна занимают меньше места, чем электрические кабели, и будут обеспечивать лучшие условия охлаждения компьютеров и серверов.

Как и в случаях с литографией и проектированием транзисторов, разработки в оптике базируются на существующих производственных процессах, их усовершенствовании и адаптации к новым возможностям и научным достижениям.

Четыре десятилетия инноваций, которые осуществила компания Intel, обеспечили претворение закона Мура в жизнь, но компания верит, что самое главное еще впереди. Предполагается, что к 2015 году появятся процессоры с десятками и даже сотнями вычислительных ядер на одном кристалле. Эти ядра будут поддерживать десятки, сотни и, может быть, даже тысячи одновременных программных потоков.

Уже сейчас Intel ведет разработку трехмерных кристаллов и пластин, благодаря которым плотность устройств повысится настолько, что вместо сотен или тысяч выводов в них будет миллион или 10 миллионов соединений.

Как сказал Паоло А. Гардини (Paolo A. Gargini), почетный сотрудник корпорации Intel и директор по технологическим стратегиям подразделения Technology and Manufacturing Group: «Важность закона Мура – не только в том, что он является мерой для определения того, кто лидирует в полупроводниковых технологиях, но и в том, что он определяет веху, которая, с одной стороны, подводит итог наших успехов за эти 40 лет, а с дугой стороны – открывает нам новые возможности в будущем» [6].

Заключение

За последние десятилетие, а точнее сказать за последние 3 года развитие вычислительной техники сделало мощный шаг вперед. На данный момент можно говорить о широком использовании компьютеров 6 поколения и также о стремительной разработке компьютеров 7 поколения.

Стоит отметить, что с созданием и стремительным развитием ЭВМ наука и техника на земле стали развиваться намного быстрее.

С появлением Internet пошел следующий век в эволюции человечества – век «информационных технологий», собственно это век развития компьютеров и компьютерных сетей, время, когда вовремя доставленная информация стала цениться как никогда раньше.

На горизонте появились нанотехнологии, способные обеспечить трехмерную сборку вычислительных элементов на атомно-молекулярном уровне, родилось третье действующее лицо оптической драмы – квантовый компьютер. В этом направлении имеется солидный научный задел, в том числе подтвержденный Нобелевскими премиями последнего десятилетия. По-видимому, в обозримом будущем нас ожидает постепенный переход на многоукладную фотон-электрон-атомную (кластерную) элементную базу.

Следует отметить, что сегодня нейрокомпьютеры занимают одно из важнейших мест среди перспективных разработок, известно несколько реализаций в кристаллах нейропроцессоров различных моделей нейронных сетей.

В настоящее время ЭВМ  задействована практически во всех отраслях производства, науки и обороне стран. Человек стремится максимально облегчить себе работу во всем, хочет, чтобы ЭВМ делало за него практически всю работу, а для этого пытается разработать более совершенные машины.

Пройдет не так уж и много лет, и человек, незнакомый с ЭВМ, не привыкший обращаться к ее помощи в повседневной практике, окажется совершенно неприспособленным к жизни.

Литература

1. Апокин И. А., Майстров Л. Е. История вычислительной техники. От простейших счетных приспособлений до сложных релейных систем. М.: Наука, 1990.

2. Апокин И. А., Майстров Л. Е. Развитие вычислительных машин. М.: Наука, 1974.

3. Очерки истории информатики в России / Ред.-сост. Поспелов Д. А., Фет Я. И. Новосибирск: Научн.-изд. центр ОИГГИМ СО РАН, 1998.

4. Розин В. М. Философия техники М., 2001.

5. Ланин Э.П. История развития вычислительной техники. Иркутск: ИрГТУ, 2001.

6. www.intel.ru – официальный российский сайт компании Intel.

7. www.ixbt.com – информационный портал о высоких технологиях, персональных компьютерах, их компонентах и периферийных устройствах.

8. www.kv.by – Компьютерные вести On-line.

9. http://offline.computerra.ru – журнал «Компьютерра».

2