Перспективы развития микропроцессоров (Лекция)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Ближайшее будущее микропроцессоров

2. Нано технологии

1. Ближайшее будущее микропроцессоров

Естественно, что последние несколько лет были отмечены большим прогрессом вычислительных систем. Однако какими каких бы успехов мы не достигли за прошедшие десять лет, в следующем десятилетии появление новых высокопроизводительных приложений широкое внедрение портативных компьютеров определят более высокие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.

Следует отметить то, что фактически произошел огромнейший прорыв в моделях использования компьютеров, определяются и проектируются компьютерные платформы будущего, которые значительно, повсеместно изменят не только вычисления, но и интерфейсы, а также требования к инфраструктуре.

Архитектура микропроцессоров 2015 года

Говоря о будущем, можно сказать, что процессоры и платформы станут не только более производительными, но и станут богаче и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.

Intel планирует в течение нескольких последующих лет выпустить процессоры, которые будут содержать множество ядер – в некоторых случаях даже сотни. В корпорации считают, что архитектуры Intel с поддержкой многопроцессорной обработки на уровне кристалла (chip-level multiprocessing, CMP) представляют будущее микропроцессоров, потому что подобные архитектуры позволяют достичь огромных уровней производительности и в то же время, обеспечить эффективное управление питанием и эффективно осуществлять охлаждение.

В прошлом повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в большинстве случаев осуществлялось за счет увеличения тактовой частоты, то есть тактовая частота и оказывала основное влияние на производительность. Однако динамичное наращивание тактовой частоты встретит на своём пути ряд фундаментальных физических препятствий. Первое, при уменьшением размеров кристалла и с повышением частоты увеличивается ток утечки транзисторов. Что приведёт увеличению мощности и более сильному тепловыделению. Второе, Из- за задержки при обращении к памяти преимущество наращивания тактовой частоты на процессоре сводятся к минимуму, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам. Третье, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с увеличением тактовой частоты причиной тому служит фон-неймановское узкое место (ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений). При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.

Из этого следует, что увеличение тактовой частоты не панацея, необходимо другие решения в области увеличения производительности, отличными от повышения тактовой частоты больших монолитных ядер. Решению способствует разделение задачи на множество одновременных операций и их распределение между множеством небольших вычислительных устройств (принцип многозадачности). Многопроцессорная обработка будет естественно более производительна в отличие от последовательного выполнения операций с максимально возможной тактовой частотой. Процессоры с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при средних тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций. Новые Архитектуры смогут решить ряд проблем, связанных с повышением тактовой частоты (увеличение тока утечки, несоответствие производительности процессора и памяти, а также проблемы фон-неймановского узкого места).

Специализированное аппаратное обеспечение

Со временем большинство важных функций, выполняющиеся современным программным обеспечением или специализированными микросхемами, перейдут непосредственно к процессору. Это направление является основным в развитии бизнес - моделей на протяжении последних лет. Передавая выполнение функций на кристалл, мы получим выигрыш в скорости, экономия места и значительное сокращение энергопотребления. Связь с малыми задержками между специализированным аппаратным обеспечением, ядрами общего назначения возможно будет очень важным этапом для удовлетворения потребности производительности и функциональности архитектур будущих процессоров и платформ. Специализированное аппаратное обеспечение – является важной составляющей архитектур будущих процессоров и платформ. Примерами таких устройств, реализованными в прошлом – вычисления с плавающей запятой, обработка графики и сетевых пакетов. На протяжении нескольких лет в процессорах специализированное аппаратное обеспечение будет использоваться для широкого спектра задач. К которым можно отнести: критические функциональные блоки приемопередатчиков для беспроводных сетей, цифровую обработку сигналов, рендеринг трехмерной графики, расширенную обработку изображений, распознавание речи и рукописного текста, расширенные функции безопасности, надежности и управления, обработка XML и других интернет-протоколов, извлечение информации, а также обработка естественных языков.

Подсистемы памяти большой емкости

В процессе постоянного роста производительности процессоров доступ к памяти может стать серьезным «узким местом». Для того чтобы загрузить множество высокопроизводительных ядер соответствующим количеством данных, необходимо организовать подсистему памяти таким образом, чтобы память большой емкости находилась на кристалле и ядра имели к ней прямой доступ. Некоторые области памяти могут быть выделены определенным ядрам, совместно использоваться группами ядер или использоваться всеми ядрами глобально, в зависимости от потребностей приложений. Подобная гибкая возможность изменения конфигурации необходима для того, чтобы ликвидировать «узкое место» производительности, когда множество ядер будет соперничать за доступ к памяти.

Микроядро

Чтобы управлять всеми сложными процессами происходящими в процессоре: назначением задач ядрам, включением и выключением ядер при необходимости, реконфигурацией ядер при изменении рабочей загрузки и многими другими микропроцессорам потребуется внушительные интеллектуальные способности. В архитектурах с развитыми возможностями параллельной обработки процессор сам по себе сможет выполнять несколько потоков вычислений, невидимых на пользовательском уровне, разделяя приложение на потоки, которые могут выполняться параллельно. Один из способов продуктивно выполнить весь ряд этих задач – использовать встроенное микроядро, дополняющее ПО высокого уровня для решения задач всестороннего управления аппаратным обеспечением.

Виртуализация

Микропроцессоры будущего будут работать с несколькими уровнями виртуализации, которая необходима для того, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от расположенного выше Программного обеспечениия. Виртуализация используется для обеспечения управляемости, надежности и безопасности. Процессор представляет собой множество виртуальных процессоров, часть из которых будет решать задачи управления и безопасности, другие будут управлять приложениями.

Управление питанием и охлаждением

В настоящее время существует тенденция, что увеличение производительности на один процент вызывает повышение потребляемой мощности на три процента. Происходит это из-за того, что при уменьшении размера транзисторов, их плотности на кристалле, в месте с тактовой частотой будет возрастать ток утечки, это в свою очередь приведёт к нагреву и бесполезному расходу электроэнергии. При росте плотности транзисторов небольшими темпами, но при этом инноваций в области управления питанием, микропроцессоры станут выделять десятки тысяч ватт тепла на квадратный сантиметр.

Для соответствия запросам будущего, необходимо кардинально сократить потребляемую мощность. Для чего могут быть использованы несколько технологий которые позволят создать процессор состоящий из десятков и или сотен небольших ядер с низкой потребляемой мощностью и обеспечить всё это функцией интеллектуального управления питания. Подобное решение может сильно сократить потери электроэнергии, при этом будет пользоваться теми ресурсами которые необходимы ему в данный момент В дополнении всего подобная архитектура позволит воплотить ультравысокую производительность без ультравысоких тактовых частот, позволит обойти проблемы тока утечки которые вызывает увеличение частоты. Задачи, критичные по времени, будут работать на быстрых ядрах с большей потребляемой мощностью, в тоже время остальные будут работать, на более медленных ядрах с пониженным энергопотреблением.

Главная задача всех этих нововведений – создание архитектур с интеллектуальным управлением питанием, которое сможет автоматически менять конфигурацию процессора с учетом потребностей питания и рабочей нагрузки

Параллелизм

Если мы хотим добиться эффективности будущих архитектур, то как уже упоминалась ранее мы должны использовать принцип параллельности то есть разделение на подзадачи, которые могут выполняться одновременно на множестве ядер. Современные одноядерные и многоядерные процессоры способны одновременно обслуживать всего несколько потоков. Процессоры будущего сделают революцию, осуществляя обработку множества потоков. Некоторые задачи можно достаточно просто распараллелить с небольшой помощью компиляторов и в данном случае процессор и микроядро обеспечат необходимую много поточность.

Примером подобного разделения может служить обработка изображений которое можно разделить на множество отдельных областей, каждую из которых можно обрабатывать независимо и одновременно. К этой категории задач относится от 10 до 20% предполагаемых задач будущего. Вторая группа задач – около 60% –некоторые приложения баз данных, извлечения информации, синтеза, обработки текста и голоса. Третья группа – задачи, которые сделать параллельными трудно, к таким задачам можно отнести: задачи с линейными алгоритмами, когда выполнение каждой стадии зависит от результатов выполнения предыдущей стадии.

Анализируя сегодняшние потребности и тенденции, можно утверждать, что архитектура процессоров и платформ должна двигаться в направлении виртуализированной, реконфигурируемой архитектуры с большим числом ядер, богатым набором встроенных функциональных возможностей, большим объемом внутри кристальной памяти и интеллектуальным микроядром. Подобное динамичное развитие архитектур, ведущая к увеличению объёмов вычислений и неукоснительным соблюдением совместимости с тысячами существующих приложений, даёт нам право сказать, сто процессоры и платформы в ближайшем будущем дадут старт созданию супер мощных приложений, что повлечёт за собой кардинальные изменения в жизнедеятельности человека и государства.

2. Нано технологии

Нано технология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нано технологии в микроэлектронике – достаточно остро обсуждаемая в данное время тема, ей посвящены огромное количество трудов, сотни научных конференций и семинаров. Следует отметить интерес производителей процессоров к данной области в 2002 и 2003 годах затраты Intel на проведение научных исследований в области нано технологий в микроэлектронике составили более 4 миллиардов долларов. Чтобы микропроцессоры с десятками и сотнями миллионов транзисторов не сгорели при работе на частотах в единицы ГГц. Intel ведет исследования в области нано технологий в микроэлектронике. Уже не существует преград геометрического разрешения в 0,1 мкм или 100 нм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами уже существует возможность получать разрешение менее 40-50 нм.

Толщина диэлектрика полевых транзисторов сейчас составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием само формирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев. Чтобы улучшить электрические характеристики кремния используется его растяжение называемый напряженный кремний, улучшающее атомарную структуру материала.

Замена алюминия медью в проводниках даёт дополнительные преимущества, так как известно медь металл обладающий меньшим удельным сопротивлением, чем алюминий. Уже сейчас благодаря исследованиям в этой области мы можем создавать пластины и даже трубки толщиной в атомный слой, и это ещё не является пределом. Можно сказать, что рост транзисторов будет удваиваться каждые полтора-два года. Повсеместное внедрение персональных ЭВМ изменило требования к приложениям. Основными из которых стали: дружественность к пользователю, эстетичность, надежность программ, универсальность их функций, простота освоения компьютера.

Нано технологии в микроэлектронике развиваются уверенными шагами. В данное время в России созданы научные центры и открываются факультеты в ВУЗах, ориентированные на изучение нано технологий и их развитие.

Сейчас работы в области нано технологий ведутся в четырех основных направлениях:

•молекулярная электроника;

•биохимические и органические решения;

•квазимеханические решения на основе нано трубок;

•квантовые компьютеры.

Рассмотрим более подробно каждую из них:

Молекулярная электроника

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекул как активных элементов электроники уже давно привлекает внимание учёных различных областей науки. Но только в последнее время, после осознания границ потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной электронике построения базовых элементов электроники возрос и стали проводиться глубокие исследования в этом направлении, которые стали сегодня одним из значительнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.

Перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время довольно широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низко размерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Исследователи надеются, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.

Не случайно молекулярным системам предаётся такое важное значение. Во-первых, молекула представляет собой идеальную квантовую структуру, состоящую из отдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическими законами и является естественным пределом миниатюризации. Ещё одной, не менее значительной особенностью молекулярной технологии, является то, что создание подобных квантовых структур в значительной мере облегчено тем, что в основе их создания лежит принцип само сборки. Способность атомов и молекул при определенных условиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярные образования является средством организации микроскопических квантовых структур; оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтез молекулярной системы является первым актом само сборки соответствующих устройств.

Сейчас ведётся активный поиск концепций развития молекулярной электроники и физических принципов функционирования, и разрабатываются основы построения базовых элементов. Для реализации стоящих перспективных задач, необходимы исследования в различных областях науки, уже сейчас во всех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся международные конференции и семинары.

Биохимические и органические решения

Сегодня биофизики выявили более пятидесяти соединений, на основе которых могут быть построены процессоры-модели различных нелинейных задач. Отдельного внимание следует уделить разработки нового типа процессора - белкового.

Управление у вышеупомянутого процессора химическое: воздействуя на него различными веществами, можно регулировать законы распространения волны - тоесть получить волну, развитие которой описывается такими же уравнениями, что и исследуемые процессы. При помощи таких процессоров можно моделировать нелинейные задачи, решить которые сегодня не могут даже суперкомпьютеры. Причем решение мы получаем мгновенно. Ведь ответ на задачу - поведение самой волны.

Каждая частица белка на подложке процессора имеет диаметр 50 мкм и занимает площадь меньшую, чем транзистор на подложке интегральной микросхемы. То есть если провести расчёт: на подложке площадью в один квадратный сантиметр можно разместить 1012 вычислительных белковых ячеек. В создание волны за одну секунду вовлекаются 1012 частиц. Вследствие чего мы получим довольно неплохое быстродействие - миллион операций в секунду, учитывая, что волна движется со скоростью всего лишь в одну десятую миллиметра в секунду. Однако скорость этого движения можно увеличить путём изменения веществ входящих в состав белков.

Как уже было сказано, чтобы улучшить быстродействие нужно производить манипуляции с волной, но волна не видима. Учёным удалось решить и этот вопрос. Они сделали волну видимой сопровождая её движение изменением цвета либо излучением световых волн Теперь у нас есть возможность наблюдать за волной при помощи оптических устройств.

На сегодняшний день можно смело заявить о новом поколении вычислительных устройств - гибридах электронной техники и биологии. Квазимеханические решения на основе нано трубок

Углеродные нано трубки (НТ) - своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Эти полимерные системы впервые были обнаружены менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза. Тем не менее в настоящее время на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нано метрового (молекулярного) размера. Планируется, что в скором временем они вытеснят своих устаревших предшественников. В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации (порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины станут иметь безграничную память с колоссальным быстродействием, ограничиваемое только временем прохождения сигнала через прибор.

Существует 2 основных типа нано трубок: одно стенные нано трубки ОСНТ (single-walled nanotubes - SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, и много стенные МСНТ (multi-walled nanotubes - MWNT), которые состоят из множества сгруппированных углеродных трубок. Особенность нано трубок, способность крепко слипаться между собой, формируя набор или “канат”, включающий в себя металлические и полупроводниковые нано трубки. Металлические проводящие ток нано трубки могут выдерживать плотности тока в 100 раз выше, в отличии от обычных металлов, а полупроводниковые нано трубки можно электрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом, что даёт возможность создавать полевые транзисторы.

Квантовые компьютеры

Одно из высказываний Феймана гласит: «…квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения». И предложил один из вариантов квантового компьютера. Однако поистине пристальное внимание на него обратили в 1995 году. В этом году американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел. Шору удалось продемонстрировать, то что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2 в степени 1000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000 в степени 3 операций.

Компьютер на ядерно-магнитном резонансе.

Теоретических существует огромное множество вариантов квантового компьютера. Однако сложность заключается в его практическом создании. Существует как минимум два варианта воплощения в жизнь этой задачи. Исследователи, сами того не предполагая, уже создали квантовый компьютер. Его первый «опытный образец» - это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать, остальные же ядра «молчат». Для того чтобы заставить эволюционировать второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного магнитного поля, - нужно только написать алгоритм поставленной задачи.

Компьютер на ионных ловушках.

Этот подход заключается в использовании ионных ловушек, или «подвешенных» в вакууме ионов. Что касается непосредственно его разработки, то больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а провели их больше всего ученые из Лос-Аламосской лаборатории в США. В итоге выяснилось, что на сегодняшний день не удаётся получить больших кристаллов, получена лишь цепочка из 30 ионов. Следует отметить, чтоо дальнейший прогресс в увеличении числа ионов реален при создании трехмерной лазерной стоячей волны - трехмерной совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для поляризованных атомов. В этом направлении ещё предстоит провести не мало исследований, а верно ли оно покажет их результат.

Квантовый компьютер на твердом теле.

Один из вариантов создания подобного компьютера использование сверхпроводников (как одно из предложений института Ландау). Однако более реальным кажется подход высказанный австралийским физиком Кейном: « делать квантовый компьютер на точно таком же кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника». В нужных местах на расстояниях порядка 100 мкм располагают атомы фосфора - обычная примесь в кремнии, которая прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два атома фосфора, то облака внешних электронов немного пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы смогут обмениваться состояниями (один атом управляет электронами другого). Очень похоже на полевой транзистор - те же затворы, только вместо тока - состояния атома.