Как будут развиваться дальше процессоры?

Возник вопрос:
До каких скоростей может развиться современный кремниевый процессор? Будет ли развиваться технология дальше, или будет уклон в сторону многопроцессорных компьютеров? Если технология будет развиваться, то в какую сторону? Насколько мне известно, есть ограничение скорости кремниевых процессоров из-за инерции электронов на больших скоростях...Как это можно преодолеть, и возможно ли это в принципе? Также невозможно (ИМХО) ускорить процессор за счёт уменьшения толщины слоя эмиттеров и так далее...произходят пробоины и всё в таком роде. Я не специалист, но разобраться хочется 8) , так что помогайте знаниями 8).

Да много чего можно сделать для улучшения процессоров как таковых - и новые материалы и процессы изотовления, и опимизация аппаратной части, такая как увечение распараллеливания вычислений, переходы на другие архитектуры (EPIC, VLIW, и т.д.).

Я хотя тоже не специалист, но радиоинженерную литературу иногда читаю. ИМХО, говорить об уходе от кремния пока рано. Ведь выполненные по КМОП-технологии элементы не потребляют постоянный ток - только ток переключений, необходимый для перезаряда ёмкостей переходов, и растёт линейно с частотой. Бороться с такими потерями можно уменьшая ёмкости переходов (то есть проектную норму литографии) и/или уменьшение напряжения питания логики. Введение ультрафиолетовой литографии отодвигает предел использования кремния ещё минимум лет на пять. Единственным серьёзным ограничением кремния является ограничение подвижности зарядов (метр на вольт-секунду), и переход на другие материалы может быть в итоге неизбежен. Например арсенид-галлиевые компоненты могут работать на недостижимых для кремния десятках и сотнях гигагерц. Также, высокой подвижностью заряда обладают кремний-германий. Но пока решения на кремние не исчерпали свой потенциал.

Rada, 09.01.2004 01:31:33:

арсенид-галлиевые компоненты могут работать на недостижимых для кремния десятках и сотнях гигагерц.

 

А как уберечь арсенид-галиевый процессор от влияния излучений? Я слышал, что такие процессоры сильно реагируют на излучения любого типа. Не запихивать-же процессор в изоляционную коробку какую-нибудь 8).

Честно говоря я не слышал о микросхемах сверхбольшой степени интеграции, выполненных на основе арсенида галлия. Про обычные БИС слышал. Про БИС средней степени интеграции слышал. Про секционированные микропрпоцессоры слышал, хотя, конечно, время летит вперед.
В сове время на Салют-6 и на Мире производили сверхчистый арсенид галлия, но вроде вся эта продукция шла на головки самонаведения ракет?

Я слышал, что такие процессоры сильно реагируют на излучения любого типа.

 

Про такое я не слышал, но опять же я не специалист. GaAs чипы успешно применяются в сотовых телефонах, волоконной оптике, измерительных приборах без всяких проблем вроде бы. Но GaAs сложен в изготовлении и поэтому дорог, и вряд ли на нём будут делать ИС высокой степени интеграции в ближайшем будущем. Другой альтернативой подешевле может послужить кремний-германий SiGe, который также обладает высокой подвижностью зарядов и низкими собственными шумами.

Проблемой с излучением скорее будут являться сами процессоры, потому как мощность излучения пропорциональна четвертой степени от частоты. При частотах в десятки гигагерц потребуются серьёзные ЕМ защитные средства.

Но сейчас быстродействие процессоров вторично т.к. не решена проблема быстрой памяти. Например промах кэша первого уровня стоит около 5 холостых циклов, второго уровня - уже около 50 (и это всего-то оперативная память!), промах пэйджера виртуальной памяти - десятки миллионов циклов (правда в этом случае процессор обычно переключается на другие задачи для поддержания занятости). Быстродействие оперативной памяти растёт гораздо медленнее быстродействия процессоров.

2 Centuriones,
в принципе ничего не мешает делать GaAs ИС любой степени интеграции кроме цены GaAs процесса, он на порядок выше кремниева. Например простой GaAs аналоговый ключ (по сути полевой транзистор) стоит около 10 у.е. в розницу, а кремниевый копейки. Наверное поэтому ОБИС девайсов на GaAs и нету.

К тому времени уже отоэлектроника пойдёт...

К тому времени уже отоэлектроника пойдёт...

 

MILKE, кстати а в чём могут быть преимущества оптоэлектронных схем? Что можно сделать на оптике чего нельзя или крайне трудно сделать традиционным методом?

Частоты. Оптика сама по себе ни излучает, можно хоть сто ГГц запхать. Цифирьки считать мож оно и не надо пока, а вот изображения обрабатывать-самое-то. Предсталяете-матрица на пару-тройку диапазонов, а прям под ней процессор обработки. Типа глаз с мозгами
не сегодня, конечно, но технологии к этому идут.
Проблема с памятью, но наверно решаемо.
Конкретно про устройства не знаю. Я над материалами для них работаю

>Rada
> Быстродействие оперативной памяти растёт гораздо медленнее >быстродействия процессоров.

И что можно по этому поводу сделать? 8) . В чём заключается проблема роста скорости ОП-и на данный момент?

2Спецам...
Никто не скажет докуда дошло развитие квантовых процессоров?...И удалось ли добиться устоичивости системы?

Вообще просто говорить о быстродействии какого-либо процессора бессмысленно, поскольку мы имеем дело, в конечном итоге с приложениями и все "железо" служит лишь платформой для их работы. А вот скорость работы приложения зависит не только от быстродействия процессора, но и от работы подсистемы памяти, оптимизации самого приложения.

1. В принципе, конечно, кремний далеко себя не исчерпал. Да и за гигагерцами гнаться особого смысла нет. Intel в погоне за гигагерцами продолжает клепать процессоры довольно устаревшие по архитектуре. Так продукция AMD несколько совершеннее, что видно хотя бы из того, что примерно одинаковое быстродействие "атлоны" имеют при значительно более низкой тактовой частоте чем "пни". То, что "атлоны" и другие модели процессоров этой фирмы обладают наряду с преимуществами и рядом недостатков, скорее связано со значительно меньшим числом заводов чем у Intel, из-за чего сложнее проводить оптимизацию топологии микропроцессоров. Да и видимо дает знать увеличенный объем кэша первого уровня, что отнюдь не способствует снижению энергопотребления и рассеиваемой мощности.
В этом плане весьма показателен отечесвенный проект Е2К, который обадая как минимум на порядок более высоким логическим быстродействием чем любой из процессоров Intel так и не был реализован до сих пор. Была выпущена упрощенная версия Эльбрус-3М (см. ) причем с оптимизацией только на уроне функциональных модулей процессора, а не на уровне отдельных "транзисторов". В свое время разработчики "эльбрусов" писали, что для выпуска полноценных процессоров им необходимо порядка 4-х миллиардов долларов (а именно столько стоит завод по производству микропроцессоров с современными технологическими нормами), поскольку в противном случае они не могут качественно оптимизировать топологию микропроцессора, так как тайваньские фирмы согласны иметь дело только с промышленными партиями (не менее 100.000 штук), в то время когда для отработки и оптимизации топологии нужны партии в несколько тысяч...
Очень сильно поднять быстродействие могут также механизмы статической оптимизации работы кэша, как это делают разработчики из Эльбрус-МЦСТ. При этом сильно упрощаются механизмы работы кэш памяти, поскольку все моменты по предсказанию ветвлений и попаданий в кэш переносятся из аппаратной части в программную (оптимизация работы кэш-памяти производится на этапе компиляции).

2. Здесь совершенно справедливо обратили внимание на факт того, что в настоящее время сдерживающим фактором быстродействия современных компьютеров является очень медленная работа ОЗУ. Здесь единственный выход - возврат к статическому ОЗУ, но при этом цена модулей памяти возрастет на порядки, да и электропотребление тоже. Но применение статических микросхем памяти позволит отказаться вообще от понятия кэша второго уровня, что позволит упростить архитектуру процессоров на порядок снизить латентность. Современные микросхемы памяти (DDR и RDRAM) дают хорошее быстродействие только в потоковых приложениях. В случае работы памяти в режимах с произвольной выборкой, а приложений, которые заставляют работать подсистему памяти именно в этих режимах хоть "пруд пруди", быстродействие ее скатывается до уровня SDRAM.

3. Еще один способ повышения быстродействия - улучшение средств разработки приложений. Ведущие "софт-тварьные" компании на это давным-давно "забили", поскольку монополистам что-либо делать революционное просто невыгодно, да и бюрократический аппарат мешает. С тех пор, как Microsoft стала безраздельным хозяином программного обеспечения мы имеем только ухудшение положения в этой области. Грядущая новая версия "винды", по некоторым сведениям, будет требовать для комфортной работы чуть ли не на порядок более мощного "железа", чем это требуется сейчас. Одна работа "трехмерного" рабочего стола будет съедать массу ресурсов и будет требовать довольно мощных графических видеокарт. А нужно ли это? Лично на мой взгляд самой большой ошибкой Microsoft было "удушение" OS/2, когда она отказалась предоставить IBM соответствующие лицензии, без которых было невозможно выполнение приложений Win32 под управлением "полуоси". Теперь идет "накат" на Linux...

Так что возможностей повышения скорости работы приложений хоть пруд пруди и процессор далеко не самый главный элемент. Как говорят необходимое, но недостаточное условие. Конкретно говоря о процессоре, мне думается что по-хорошему дальнейшее развитие должно идти по линии совершенствования архитектуры. Человеческий мозг "сделан" на базе органики, а всем вместе взятым микропроцессорам ой как далеко до него.

арсенид-галиевые (ненасыщенные) структуры - немного покрупнее будут кремниевых... и попрожорливей ... и.т.п. - т.е. это не самое хорошее решение для МП.

Есть ещё:
кремние - германиевые соединения,
кремний на диэлектрике...
и.т.п. - т.е. кремниепроизводные, позволяющие реально повысить собственно быстродействие систем.

К тому-же и уменьшение топологических размеров этому способствует...

Есть ещё полупроводники на основе алмаза. Частота - до сотен гигарерц. Широкая запрещённая зона, высокая тепературная устоячивость (до 500 С) - в общем, хороший полупроводник. Разве что пока дорогой.

AlN... Есть такая штука. правда пока тока на лампочки идёт...

2 Centuriones
Спасибо за интересный материал.

2 Всем
...понятно, что пока нет хорошей (читай быстрой) памяти, то не особо нужно развивать процессоры до бОльших частот, но всё-таки ... 8).
Мне интересно, именно до каких скоростей можно добраться с помощью кремниевых процессоров. О размере процессора я не спрашиваю. Я не думаю только о ПК, а о компьютерах в целом, так, что тут размер не очень важен 8) (в каких-то пределах конечно).

>К тому-же и уменьшение топологических размеров этому
>способствует...

К сожалению, как я понял, уменьшение размеров уже почти достигло пределов. Появляется влияние электронов, на соседне идушие (как-бы с другой стороны стены), так как расстояния между ними становятся очень малыми (стена становится почти прозрачной, если можно так образно выразиться), а отсюда уже проблемы...

>Есть ещё полупроводники на основе алмаза. Частота - до сотен гигарерц.

Тут говорили о том, что "мощность излучения пропорциональна четвертой степени от частоты." (с) rada, не будет ли такой процессор немного опасным для окружающих? 8) И как можно будет ограничить его влияние на этих самых окружающих?

в догонку...
А связь (шины провода всякие 8) ). между компонентами ПК (и вообще компьютеров) на данное время, не замедляет работы системы в целом?

MIKLE, 09.01.2004 22:18:39:

Конкретно про устройства не знаю. Я над материалами для них работаю

 

А что конкретно делаете?

Месяца 3 назад Интел продемонстрировал 8-ми битное АЛУ сделанное на 65нм основе на частоте 10 ГГц, однако практически кремниевая классика.

Татарин, 10.01.2004 18:32:15 :

А что конкретно делаете?

 

В данный момент-всякие фосфаты-ванадаты с сочетанием сегнетоэлектриских, нелинейнооптических и ионпроводящих свойств
На днях, еслди интересно будет, мож выложу что-то типа автореферета диплома(официально-"раздаточный материал", заместо плакатов)

> АЛУ

Расшифруте плз.

Расшифруте плз.

 

Наверное имеется ввиду ALU - arithmetic-logic unit.

MIKLE, 11.01.2004 01:41:41 :

В данный момент-всякие фосфаты-ванадаты с сочетанием сегнетоэлектриских, нелинейнооптических и ионпроводящих свойств
На днях, еслди интересно будет, мож выложу что-то типа автореферета диплома(официально-"раздаточный материал",  заместо плакатов)

 

[offtopic]
Интересно, да.

А сами схемы применения не думали, или пока горные высоты фундаментальной науки?

Вообще, на дальнюю перспективу интересен углерод во всех формах. Возможности - фантастические, всю схему (полупроводники, квантовые системы, проводники, автоэмиссионная нанотехника, микромеханика) можно изготавливать из одного материала.

А на ближайшие 10-15 лет хватит кремния, совершенно точно. Тем более, если электронные шины заменить на оптические (световоды - из оксида, например), а чисто кремниевый светодиод уже вроде как получили. В итоге компутер будет выглядеть как одна большая блямба 10х10см состоящая из кучи чипов соединенных планарными световодами, возможно даже не в один слой. А остальные 20 кило - радиатор.

Не надо зацикливатся на углероде. В далёкой перспективе-может его доля увеличится. А пока это слова. Это мне напоминает истерику с наноматериалами. Достаточно упомянуть нано и журналисты с ума сходят брыжжа слюной, доказывая как это круто.

>А сами схемы применения не думали, или пока горные высоты фундаментальной науки?

Не совсем. есть задача-сделать материал с такими-то свойствами. Грубого говоря, найти новый КТР/КDP, тока лучше и дешевле(хотяч-б не сильно хуже), да чтоб из него ещё и стекло варить можно было
А сбацать из него интегральную-схему-дело техники. Просто при цене тысячи долларов за грамм о каких массовых устройствах может идти речь... Обычный ИАГ стоит 20-30 кУе, а если присобачить акустооптический затвор, который нарезает фемтосекундные импульсы уже 100кУе. Об чём речь...

Проблема (для России) вообще в одном. Что фундаментальная наука вместе с наукоёмким производством тихо умирает. И если натаскать студентов ещё можно, особенно создав мтодику и условия для этого :), то с основными фондами проблема. Что творится на производстве-лучше не думать...

Насчёт оптических компов — было уже, не состоялось. Электронные миниатюризировать можно намного больше. Кто-то представляет себе оптический аналог транзистора с размерами нынешних электронных? Другое дело передача данных — тут оптика выигрывает.
Насчёт перспектив кремния — атомы миниатюризировать не получится, а размеры уже близки. К тому же работа с сигналами на таких масштабах превращается в дурдом. В конце-концов это может поставить точку даже раньше, чем другие ограничения.

А вот что на самом деле ограничивает развитие компов — кремниевых ли, или даже гипотетических оптических — это зашоренные программисты. У них большие проблемы с переходом на параллельные вычисления. И если большие компы давно успешно их используют, то у массовых (с массовыми же программистами) с этим ступор. Поэтому вместо нормального масштабирования систем, разгоняют чипы до диких скоростей, ухудшая все параметры ради скорости. Подохли или ушли в ниши такие умные идея как транспьютер, тихо и очень удачно живут вне писюкового мира FPGA, хотя они продемонстрировали поразительные (в практическом плане) вещи, которые недостижимы во всех этих горе-пеньтиумах с "последней цифрой".

Так что надо точнее опредилить вопрос: процессоры для чего? Для писюков тип процессора определяется наличием программистов, поэтому эволюция пеньтиума по направлению к полному абсурду неизбежна. Если задача допускает применение полузаказного железа, то процессор может создаваться либо под задачу на HDL, либо применяться готовое HDL ядро процессора и прочих компонентов вычислителя в желаемом количестве копий. Если требуется более (примерно) 10000 чипов, то стоит сделать ASIC, если меньше — то лучше на FPGA. Совмещается массовое производство самого чипа с возможностью отладки и АПГРЕЙДА самого вычислителя без замены железа. В общем, если не ограничиваться миром писюков и им подобных, то перспективы намного интереснее тупого разгона технологий многодесятилетней давности.

AU

Вот здравый смысл! Как его редко встретишь на просторах сети!