на школьную страницу...

Закон Мура

Количество транзисторов на кристалле удваивается за два года.

Intel 8008 Intel 8086 Intel 8088

С.И.Хашин


Одно из ключевых понятий микропроцессоров - техпроцесс. При их производстве применяется фотолитография, разрешающая способность этого оборудования (т. н. проектные нормы) и называется кратко техпроцессом.

В начале она измерялась в микронах (мк., 10-3 мм.), но уже довольно давно перешли к нанометрам (нм., 10-6 мм.).

Когда в начале 70-х годов прошлого века появились первые микропроцессоры, первые восторженные отзывы о них сравнивали техпроцесс с человеческим волосом (~ 70 000 нм.): толщина линии (10 000 нм) на новой микросхеме в 7 раз меньше толщины волоса! Но вскоре сравнение с волосом перестало впечатлять.

В самый мощный микроскоп можно рассмотреть детали не превышающие длины волны используемого цвета. Для зеленого это около 500 нм.. Поэтому (см. таблицу ниже) последний процессор, который ещё можно было рассмотреть в микроскоп - это Pentium 60, разработанный в 1993 году.

Сколько можно? Доколе? И не пора ли наконец?

i80386 i80486 Pentium Pro

Величина техпроцесса уменьшалась с огромной скоростью. Ясно, что долго это продолжаться не могло. Не может же фотолитография, основанная на использовании видимого света обрабатывать детали меньшие её длины волны! Поэтому к 1993 году ожидался если и не конец света, то окончание эры уменьшения транзисторов.

Но размеры транзисторов продолжали убывать как ни в чем не бывало в прежнем темпе. Да, производство значительно усложнилось, пришлось перейти от видимого света к ультрафиолетовому, а затем и к жесткому ультрафиолету (длина волны - до 10 нм.), но прогресс продолжился.

За микропроцессорную эру не раз объявлялось, что процесс увеличения количества транзисторов на кристалле подошел к своему пределу, размеры транзисторов не могут ещё существенно уменьшиться из-за сопротивления фундаментальных физических законов: длина волны света, токи утечки, паразитные емкости, проблемы теплоотвода и т.п..

Сейчас (2013) начинается переход от 22 к 14 нанометрам:

iXBT: Устройство процессоров Intel Ivy Bridge: переход на новый, 22-нанометровый техпроцесс ... совмещён с небольшими изменениями в архитектуре.

iXBT: Однокристальная система Samsung Exynos 6 с 14-нанометровым 8-ядерным 64-разрядным процессором появится в серийных устройствах в будущем году

iXBT: Репортаж по итогам Intel Developer Forum 2013: «Но самый главный сюрприз преподнес Брайан Кржанич, объявив, что 14-нанометровые процессоры под кодовым именем Broadwell пойдут в серию уже в декабре 2013 года».

Разумеется, всё это дается не даром. Производство микропроцессоров усложнилось невероятно! Каждый следующий шаг требует огромных усилий от разработчиков "железа". Но в последние годы прогресс всё более сдерживается "софтом": неумением программистов писать параллельные программы (в нужном объеме, с нужной скоростью и с нужным качеством)!

Здесь «Закон Мура против нанометров» можно прочитать очень интересный обзор истории и состояния дел на 2011 год.

А что же дальше? Никто не сомневается, что действие закона Мура должно прекратиться, но вот когда?

Долгое время стабильно росла тактовая частота процессоров, от 100 КГц (100 тысяч) для Intel-4004 (1971 г.) до 3ГГц (3 миллиарда) для Pentium-4 (2004 г.). Все ждали, что она и дальше будет расти с той же скоростью и довольно уверенно называли дату достижения частоты 10ГГц. Но внезапно это прекратилось. Частота больше не растет. Энтузиасты могут достичь частоты 6-7 ГГц охлаждая процессор жидким азотом, но это уже предел.

Таким образом, один из факторов ускорения процессоров себя исчерпал. Хотя время от времени появляются сообщения от испытаниях транзисторов и более сложных устройств с частотой в десятки и даже сотни ГГц, в реальных процессорах сдвигов в этом направлении пока нет. Хотя, кто знает, что мы увидим через 10-20 лет!

Что же можно сказать про уменьшение проектной нормы (техпроцесса)? Техпроцесс 14 нм уже реальность, можно ожидать, что 7 нм тоже доступны. Однако в этом случае размер одного элемента будет порядка 14 атомов кремния и вряд ли его можно будет существенно уменьшать далее.

После этого у нас остается ещё третье измерение: процессоры можно укладывать штабелями друг на друга, оставляя между ними зазор, по которому течет охлаждающая жидкость. Представьте себе такую «вафлю», состоящую из 1000 пластин! Конечно, проблем на этом пути - море. Но принципиальных, физических ограничений не видно.

Итак, резервов у закона Мура ещё очень много! В тоже время, в каждый момент могут возникнуть какие-то трудности, которые преодолеть не удастся. Предвидеть сейчас это невозможно. Поживем - увидим!

Архитектура процессора. Куда мы катимся?

Первые процессоры (ещё далеко не микро), появившиеся в начале 50-х годов прошлого века были очень простыми, но стали быстро усложняться.

Затем процессоры стали более сложными, более эффективными, увеличивалось количество регистров, разрядность, появилась конвейеризация и т.д..

Первая революция связана с появлением PDP-8 (1965 г.), 12-битного компьютера и PDP-11 (1970 г.), 16-битового. Это были миникомпьютеры. Резкий скачок в эффективности был связан именно с переходом от больших, сложных, многоразрядных (64 и более бит) процессоров к самым простым, дешевым и эффективным.

Затем миникомпьютеры стали более сложными, более эффективными, увеличивалось количество регистров, разрядность, появилась конвейеризация и т.д..

Вторая революция - Intel 8080 (1974 г., 8 бит) и Intel 8086 (1978 г., 8-16 бит) Это были микропроцессоры. Резкий скачок в эффективности был связан именно с переходом от больших, сложных, многоразрядных (64 и более бит) минипроцессоров к самым простым, дешевым и эффективным.

Затем микропроцессоры стали более сложными, более эффективными, увеличивалось количество регистров, разрядность, появилась конвейеризация и т.д..

Теперь нам надо ждать третью революцию. Резкий скачок в эффективности будет связан именно с переходом от больших, сложных, многоразрядных (64 и более бит) процессоров к самым простым, дешевым и эффективным.

Чего же именно ждать?

Появления кристаллов, содержащих сотни и тысячи простых 16-разрядных процессоров. Можно предположить, что каждый из них будет содержать порядка 4 млн. транзисторов и включать собственную память объемом ~64К байт. При тактовой часторе 2-3Ггц один такой процессор будет иметь скорость ~ 1 млрд. оп/с.

Самое главное, чтобы архитектура единичного процессора не начинала усложняться со временем. Должно только увеличиваться количество процессоров на кристалле, взаимодействие с внешней по отношению к процессору и кристаллу памятью.

При таком подходе уже при нынешней (2013) технологии мы могли бы получить несколько сот процессоров на кристалле.

Почему же этого до сих пор не произошло? Наверное потому, что сейчас, по сравнению с 1965 и 1974 гг. для входа на рынок требуется начальный капитал на много порядков больший, чем в свое время потребовался для фирм DEC (разработчик PDP) и Intel. Мало кто в мире может себе позволить такие начинания. Уже не может быть и речи о том, чтобы «начать производство в гараже», как это было раньше в компьютерной промышленности.

Тем не менее, процесс потихоньку начинается. Крупные игроки, похоже, уже всё поняли, но не могут, кто-то не хочет, а кто-то просто опасается, быстро разворачиваться в новом направлении. Поэтому действуют окольными путями, перенося вычисления на графические платы. Неспроста же фирма AMD, второй по величине после Intel разработчик микропроцессоров купила одного из основных производителей графических процессоров ATI Technologies. Intel в последнее время также активно разрабатывает графические ускорители. Отдельные ядра графических процессоров несколько напоминают те самые простейшие 16-разрядные устройства. Это своего рода подпорка, позволяющая (быть может) перепрыгнуть пропасть в два прыжка.

Но можно будет сказать, что очередная революция началась, лишь когда мы увидим на одном кристалле множество простейших 16-разрядных процессоров, каждый со своей встроенной 64-килобайтной памятью. Будем ждать!


Гордон Мур

Гордон Мур был одним из основателей Intel в августе 1968 г. и в течение последующих семи лет занимал должность исполнительного вице-президента корпорации. В 1975 г. он стал президентом и главным управляющим Intel и занимал обе должности до 1979 г., затем он работал главным управляющим до 1987 г., потом до 1997 г. - председателем совета директоров, а с тех пор - почетным председателем.

19 апреля 1965 г. в статье в журнале «Electronics» он заявил: «наиболее выгодное число транзисторов на одном кристалле удваивается каждый год».

Таблица

В следующей таблице обозначены:

Процессор D, Год и месяцR, битT, млн.L, нм.S, mm2 V, Mhz I, MFOPs
i4004 1971-11 4 0.0023 10000 12 0.108 0.006
i8008 1972-04 8 0.0035 10000 18 0.2 0.06
i8080 1974-04 8 0.006 6000 20 0.2 0.1
i8086 1978-06 8 0.029 3000 16 8 0.2
i80286 1982-02 16 0.134 1500 49 10 1.4
i80386dx 1985-10 32 0.275 1000 42 16 5
i80486dx 1989-04 32 1.2 1000 81 25 20
i80486dx2 1992-03 32 1.2 800 76 50 41
Pentium 60 1993-03 32 3.1 600 294 60 100
Pentium 133 1995-05 32 3.3 350 95 133 219
Pentium mmx 200 1997-01 32 4.5 350 141 200 322
Pentium III 450 1999-02 32 9.5 250 128 450 935
Pentium4 2000-11 32 42 180 217 1300 2 000
Pentium4 2400C 2002-04 32 55 130 146 2400 4 000
Pentium4 Prescott 2004-01 64 125 90 90 3800 9 700
Intel Core2 Extr.X6800 2006-08 64 291 65 143 2660 24 000
Intel Core i7920(Q.core) 2008-11 64 731 45 263 2930 82 000
Intel Core i7 Ex.Ed.980X 2010-06 64 731 32 248 3333 147 000

Pentium 4 Xeon


Количество транзисторов (в млн.шт.) на кристалле в зависимости от времени (в логарифмическом масштабе).

Видим, что с очень неплохой точностью можно считать, что количество транзисторов на кристалле удваивается за два года.

Flag Counter