Альтернативные пути развития элементной базы

С целью увеличения скорости работы микросхем большие исследования проводятся в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°С), позволяет достигнуть f_mах, при этом W = W_n = 0. Здесь очень интересны результаты по использованию «теплой сверхпроводимости». Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150° С и выше. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. Тематика исследовательских работ и их результаты в этом направлении повсеместно являются закрытыми. Однако с уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Поскольку микроэлектроника подходит к пределам, то зондируются и качественно новые пути. Наиболее интенсивные исследования проводятся по направлениям:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработка квантовых компьютеров;

• разработка оптических компьютеров.

Рассмотрим основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти на основе молекул роксана

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в 100 млрд раз экономичнее современных микропроцессорных устройств. Основная проблема заключается в обеспечении устойчивости сложных структур. Перечисленные проблемы развития современной микроэлектронной базы указывают, что изготовление микросхем подходит к предельным характеристикам. Строительство каждого нового завода по производству микросхем обходится уже в миллиарды долларов. «Выход годных новых микросхем» измеряется единицами процентов даже у таких признанных лидеров, как Intel и AMD. Давление пределов заставляет производителей искать альтернативные пути развития, которых не очень много.

Биокомпьютеры и нейрокомпьютеры. Идея создания подобных устройств базируется на основе теории перцептрона - искусственной нейронной сети, способной обучаться. Инициатором этих идей был Ф. Розенблат. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность обработки.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают принципиальную возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е₁, Е₂,...Е_n.Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии - фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы электронов с одного уровня на другой.

Основным строительным блоком квантового компьютера служит qubit - Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков уже определен логически полный набор элементар­ных функций. Известны эксперименты по созданию RISC-процессора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum - простая быстрая квантовая логика) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций в секунду) компьютеров. Фирма Intel объявила о начале разработок квантового компьютера.

Оптические компьютеры. Идея построения оптического компьютера давно волнует исследователей. Уже многие устройства компьютеров используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM (Digital Versatile Disk - цифровые универсальные диски). Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается разработать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы намного порядков ускорить быстродействие компьютеров. Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

На рубеже 2002-2004 гг. произошли достаточно важные события в разработке элементной базы. Процессор Pentium 4 преодолел частотный рубеж в 3,06 ГГц и наконец появился коммерческий 64-разрядный микропроцессор Intel Itanium 2, ранее известный под кодовым названием McKinley. Новая модель выполнена на базе 0,18-микронной (стареющей) технологии. Но уже запланирован выпуск следующих моделей процессоров под кодовыми названиями Madison и Deerfield (2003 г., 0,13-микронная технология), а также Montecito (2004 г., 0,09-микронная технология).

Новый самый «крупный» Intel-процессор Itanium 2 предназначается для комплектования серверов, имеет не очень высокую частоту 1,2 ГГц, ориентирован на обработку крупных массивов данных и выполнение транзакций, требовательных к вычислительным ресурсам, что свойственно большинству современных приложений, применяемых в деловой и научно-исследовательской сферах. Процессор использует 400-мегагерцовую, 128-разрядную системную шину с пропускной способностью 6,4 Гбайт/с. Имеется кэш уровня L1 объемом 32 Кбайт; кэш уровня L2, объемом 256 Кбайт; кэш уровня L3, объемом 3 Мбайт. Конвейер обработки команд имеет длину 8 стадий (у Pentium 4 количество стадий равно 20) и состоит из 11 каналов, что позволяет параллельно выполнять несколько программ или нитей (threads) одной программы (см. гл. 3). В процессоре имеется несколько исполнительных блоков и 328 регистров сверхоперативной памяти (128 основных, 128 - для операций с плавающей точкой, 64 предикативных регистра и 8 регистров ветвления). Все это позволяет процессору выполнять до шести команд за один системный такт. На базе данных микросхем можно создавать системы, включающие до 32 процессоров в симметричной многопроцессорной (SMP) конфигурации и до 512 процессоров при построении кластерных систем.

В начале 2004 г. фирма Intel выпустила новый микропроцессор, получивший название Pentium 4E (кодовое название разработки Prescott). Он был представлен как новая улучшенная модель Pentium 4. Отличительными особенностями нового микропроцессора являются:

• улучшенная, «перепрограммированная» архитектура;

• вдвое увеличенные объемы кэш-памяти I (до 16 Кбайт) и II (до 1 Мбайт) уровней;

• 90нм техпроцесс (предшествующая модель Pentium 4 Northwood имела 130нм техпроцесс), что обеспечило уменьшение объема кристалла и возможность увеличения тактовой частоты работы;

• увеличенная длина конвейера операций до 31 стадии (у модели Northwood - 20 стадий);

• улучшенная многопоточность Hyper Threading (см. гл. 3,7);

• добавлен новый набор из 13 команд для работы с мультимедийными данными;

• увеличена плотность интеграции (125* 10⁶ транзисторов/кристалл против 55*10⁶ у Northwood).

Имеются косвенные свидетельства, что в новом микропроцессоре реализованы новейшие технологии, призванные проявить себя в новых операционных системах Windows, начиная с Longhorn. Это прежде всего поддержка 64-разрядной сетки, аппаратная защита приложений от взаимовлияния, виртуализация всех ресурсов компьютера, обеспечивающая одновременную работу нескольких приложений с различными операционными системами с возможностями перезагрузок.

Вместе с тем следует отметить, что тепловыделение новинки увеличилось примерно на 20%, а средняя рабочая температура возросла на 50%, производительность же по сравнению с Northwood на одинаковых частотах выросла незначительно.

Продолжаются разработки нового процессорного ядра микропроцессоров следующих поколений с кодовым названием Tejas.

Одновременно с выпуском Pentium 4E фирма Intel меняет маркировку микропроцессоров. Эта мера позволит избежать путаницы, когда различные модели Pentium 4 на одной и той же частоте работы имеют различную производительность за счет значительных архитектурных отличий. Маркировка микропроцессоров становится рейтинговой, представленной числом из трех десятичных цифр. Первая старшая цифра определяет класс микропроцессора, две следующих - его положение в классе. К 3-му классу относятся все бюджетные Celeron, к 5-му - все настольные и мобильные Pentium 4, а самые мощные Pentium 4, типа Pentium M и Pentium 4 Extreme Edition, имеют класс 7. Значения других цифр применительно к каждому типу микропроцессора можно определить только по данным фирмы Intel, представленным на ее сайте.

 

Вопросы для самопроверки

1. Укажите, чем АВМ отличается от ЦВМ.

2. Назовите основные этапы эволюции ЭВМ.

3. Опишите классическую структуру ЭВМ по Нейману и укажите свойства каждого блока.

4. В чем заключается принцип оптимального соотношения аппаратных и программных средств при построении вычислительной техники?

5. Опишите способ обращения пользователя ЭВМ к ее аппаратным средствам.

6. Кратко укажите, что нового появилось в каждом поколении ЭВМ по отношению к предыдущему.

7. Чем различается принцип построения малых ЭВМ и больших ЭВМ общего пользования?