Скептики ошибаются

Преодолевая технологические и физические барьеры

Пора подумать о создании 10-гигагерцевых процессоров...

Радио на микросхеме?

Экстрасенсорная чувствительность

Самонастраивающиеся беспроводные сети

Мир будущего на связи

У многих наших читателей Intel ассоциируется с новыми процессорами и передовыми IT-технологиями. Действительно, во многом благодаря корпорации Intel развитие новых компьютерных технологий происходит столь стремительно, что, казалось бы, уже не за горами тот самый рубеж, за которым уже невозможно будет продолжать уменьшать размеры транзисторов, наращивать тактовые частоты процессоров и т.д. Интересно, что думают об этом скептическом взгляде на будущее компьютерных технологий в самой корпорации Intel? Мы предлагаем вниманию читателей статью Патрика Гелсингера, вице-президента, главного директора по технологиям корпорации Intel.

вадцать лет тому назад, приступив к работе в корпорации Intel, я участвовал в разработке микронных технологий. Наша задача состояла в том, чтобы развеять миф о так называемом микронном барьере, то есть о невозможности преодолеть технологическую норму производства микросхем, равную 1 микрометру. Тогда многие эксперты сомневались в способности нашей компании первой внедрить эту технологию в массовое производство. Тем не менее нам удалось это сделать, и мы стали первыми.

Когда не так давно корпорация Intel начала разработку 90-нанометрового (0,09-микронного) технологического процесса, опять нашлось немало скептиков, не веривших в наш успех. Однако мы снова доказали безосновательность этих сомнений. В начале минувшей осени было объявлено, что технологический процесс с проектной нормой 90 нм уже готов для запуска в массовое производство, причем для изготовления не только логических микросхем и устройств памяти, но и для компонентов смешанного типа, предназначенных для беспроводной и оптической коммуникационной продукции. Кроме того, мы объявили о разработке в рамках 90-нм технологического процесса новых материалов, в частности кремниево-германиевых элементов (SiGe-технология). Таким образом, те, кто сомневался в способности корпорации Intel перевести полупроводниковые технологии в «нано-эру», должны признать свою неправоту, ибо мы успешно движемся в этом направлении.

В течение ближайшего десятилетия мы намерены преодолеть 32-нанометровый рубеж. И что же? Наши планы вновь подвергают сомнениям, однако я абсолютно уверен, что мы в очередной раз докажем ошибочность суждений наших оппонентов.

В 1989 году мы вывели на рынок процессор Intel 486, работавший на тактовой частоте 25 МГц, и всем тогда казалось, что этот рекорд быстродействия долго не будет побит. Действительно, путь от 25 до 50 МГц занял три года, но сегодня тактовая частота наших процессоров повышается в среднем на 25 МГц еженедельно. А еще через три года подобный прирост тактовой частоты мы сможем обеспечивать ежедневно, хотя скептики и продолжают сомневаться в осуществимости наших замыслов.

Множество людей, знакомых с сутью дела не понаслышке, задавали мне вопрос о действии закона Мура на долгосрочную перспективу. Как известно, этот закон гласит, что количество транзисторов, размещенных на полупроводниковой микросхеме, удваивается каждые два года, что приводит, с одной стороны, к повышению производительности, а с другой — к снижению стоимости производства микросхем. Закон Мура был главной движущей силой развития микропроцессорной индустрии на протяжении последних трех десятилетий, тем не менее, несмотря на его действенность в течение долгих лет, находились и находятся до сих пор эксперты, которые предсказывали его фиаско. В качестве препятствий на пути дальнейшего развития называются такие факторы, как ограничения из-за физических размеров, стремительный рост энергопотребления и непомерно высокие затраты на производство. Разумеется, данные барьеры были бы практически непреодолимы, если бы корпорация Intel использовала стандартные подходы. Но кто говорит о традиционных решениях?

Преодолевая технологические и физические барьеры

режде чем представить убедительные доказательства жизнеспособности закона Мура в будущем, сразу же внесу необходимую ясность: ряд сделанных недавно открытий, а также результаты текущих исследований свидетельствуют, что закон Мура будет действовать в течение еще как минимум нескольких десятилетий.

Некоторые аналитики беспокоятся по поводу скорого достижения предела физических размеров транзистора, и совершенно напрасно. В конце прошлого года мы продемонстрировали транзистор с длиной затвора всего 15 нм, который был полностью функционален, хотя и уменьшился в четыре раза по сравнению с теми транзисторами, которые мы производим сегодня в массовом объеме.

Вместе с тем мы уже обсуждаем планы выпуска транзистора, работающего на терагерцевых частотах. В его конструкцию внесено множество инновационных решений и структурных изменений, цель которых — разрешить актуализирующиеся проблемы энергопотребления и выделения тепла, с которыми сегодня сталкивается полупроводниковое производство. Недавно мы представили новую, усовершенствованную версию терагерцевого транзистора, названного трехзатворным. Показатели производительности у этого транзистора существенно улучшены, так что на нем вполне могут базироваться процессоры будущих поколений. Начать полномасштабное производство терагерцевых транзисторов планируется на наших фабриках во второй половине текущего десятилетия.

Кроме того, мы достигли заключительного прогресса в создании революционных литографических установок, которые работают в крайней части спектра ультрафиолетового излучения (EUV) и с помощью которых производится печать шаблонов интегральных схем, а также в создании ультратонких энергосберегающих корпусов по технологии, получившей название Bumpless Build-Up Layer (BBUL).

Эти технологические прорывы дают нам полную уверенность в том, что в следующем десятилетии мы создадим процессоры, базирующиеся на многих миллиардах транзисторов, которые будут выполнять порядка триллиона операций в секунду. Замечу, что современные суперкомпьютеры осуществляют около 5 триллионов операций в секунду. Таким образом, в будущем пять терагерцевых процессоров по производительности будут эквивалентны современному высококлассному суперкомпьютеру. Иными словами, закон Мура действует и будет действовать еще долгие годы.

Не задерживаясь на том, как в соответствии с законом Мура в течение как минимум еще двух десятков лет будет развиваться производство все более миниатюрных, быстродействующих и дешевых транзисторов, хотелось бы развить его философский аспект и распространить закон Мура за пределы мира транзисторов. Мы намерены применить этот закон к гораздо более широкому кругу устройств, которые можно интегрировать непосредственно на полупроводниковом кристалле, предложив тем самым новый подход к созданию компьютеров.

Пора подумать о создании 10-гигагерцевых процессоров...

нескончаемом процессе выработки новых стратегий и преодоления возникающих сложностей всегда полезно сделать передышку, чтобы увидеть новые перспективы, обдумать альтернативную тактику и исследовать нетрадиционные подходы.

Успех решения любой проблемы нельзя определять одними лишь количественными показателями, как, впрочем, и измерять его только своими достижениями. Есть, по крайней мере, еще одно мерило успеха — огромные объемы творческой энергии и новых идей, появившихся в процессе реализации проекта. Например, если мы создаем процессор меньшего размера, но с более широкими возможностями, то напрашивается очевидное решение — вынуть его из традиционного корпуса ПК и поместить в более миниатюрное устройство. Или использовать освободившееся внутри компьютера место для придания ему новых функциональных особенностей, которые раньше были либо неосуществимы, либо экономически неэффективны.

Давайте подумаем о тех задачах, которые не могут быть выполнены компьютером на базе процессора с тактовой частотой 1 ГГц, то есть о куда более серьезных задачах, нежели обработка текстов и отправка электронной почты. Подумаем о приложениях, для обработки которых нужен не просто компьютер, реагирующий на вводимую информацию, а вычислительная машина, предугадывающая наши потребности и даже умеющая по-настоящему мыслить. Между вычислительной мощью, необходимой для выполнения таких задач, и производительностью современных универсальных компьютеров сегодня наблюдается огромный разрыв, но в ближайшие годы его можно будет заметно сократить.

Будут ли созданы приложения, для которых потребуются процессоры с тактовой частотой 10, 100 или даже 1000 ГГц? Изменятся ли модели использования компьютеров таким образом, что от процессоров потребуется постоянная готовность к взаимодействию независимо от конкретного вида компьютерного устройства или системы? Станут ли процессоры настолько миниатюрными и доступными, что в одном компьютере будет использоваться множество процессоров?

Я полагаю, что на эти три вопроса может быть дан положительный ответ. На базе технологических достижений, которые станут широко доступны в следующем десятилетии, разработчики смогут создавать гораздо более мощные устройства, чем те, что существуют сегодня.

Радио на микросхеме?

редставьте себе, что мы можем интегрировать на одной микросхеме устройства для поддержки глобальных, локальных и персональных сетей. А что если бы мы смогли расширить функциональность микросхемы также за счет функций передачи и приема радиосигналов, возможностей интеллектуального роуминга, оптимизации сети и постоянного IP-подключения? А что если бы нам вдобавок удалось объединить на том же кристалле и устройства для передачи данных, голоса и видео? Вот было бы здорово, не правда ли?

Если бы мы сумели довести миниатюризацию полупроводниковых микросхем до такой степени, чтобы на кристалле сконцентрировались все нужные нам функции, то смогли бы интегрировать на этой микросхеме и радиоприемник. Тогда каждый процессор содержал бы различные коммуникационные возможности, а его отличительной чертой стало бы постоянное подключение к сети. При этом, поскольку радио будет интегрировано непосредственно на процессоре, дополнительные затраты на реализацию новых функций можно свести практически к нулю.

Недалек тот день, когда мы сможем создавать радиоустройства, способные работать в нескольких режимах и в разных сетях одновременно (например, интеллектуальные сотовые телефоны с интегрированной памятью, возможностями обработки приложений и немодулированной передачи данных), и все это будет сосредоточено на одном кремниевом кристалле. Вы сможете поместить этот кристалл в наручные часы, в миниатюрные наушники, в микрофон, закрепляемый на лацкане пиджака, — да куда угодно! Хорошая новость: все эти чудеса станут доступны разработчикам приложений и потребителям уже в конце текущего десятилетия, а то и раньше. Используя новые подходы в КМОП-технологии и в технологии миниатюрных электромеханических систем (Micro-Electrical Mechanical Systems, MEMS), мы уже сегодня можем интегрировать все основные схемы и компоненты, необходимые для создания КМОП-кристаллов радиомикросхем, непосредственно на стандартной кремниевой КМОП-пластине. Наши исследования в этой области идут быстрыми темпами. Недавно я продемонстрировал полнофункциональную цепочку работающего на частоте 5 ГГц трансивера, реализованную на базе цифровой КМОП-технологии. Мы уверенно продвигаемся к нашей цели — реализации концепции «Radio Free Intel» в течение ближайших трех-пяти лет.

Экстрасенсорная чувствительность

еперь давайте подумаем о том, где и как мы могли бы применить вышеописанное миниатюрное полупроводниковое радио. Возможности здесь поистине безграничны, в частности в плане создания уникальной сенсорной среды (например, для температурного или химического анализа) с использованием функций беспроводной передачи данных. А поскольку стоимость таких датчиков составит несколько центов или даже меньше, то вполне возможно создать программы, интегрирующие вычислительные устройства в окружающий нас мир.

Так, имплантированные датчики наверняка найдут применение в медицине — начиная от мониторинга сердечного ритма, измерения кровяного давления и ряда других жизненно важных показателей и заканчивая функцией автоматического предупреждения врачей в случае необходимости неотложной помощи. Сенсоры, внедренные в растения, можно использовать в сельском хозяйстве для того, чтобы определять, когда растениям не хватает влаги или удобрений. А датчики, помещенные в зону лесных пожаров, подскажут, где бушует наиболее сильный огонь.

На осеннем Форуме Intel для разработчиков (IDF) в прошлом году я представил одно приложение, относящееся к нашей новой парадигме вычислительных систем. Благодаря использованию сенсорной сети для сбора информации о состоянии биосферы на острове Грейт-Дак (шт. Мэн), являющемся птичьим заповедником, мы получили данные о редких видах птиц и об особенностях их поведения — прежде мы просто не смогли бы собрать столь ценную информацию. А ведь этот пример — только верхушка айсберга новых технологий.

Самонастраивающиеся беспроводные сети

ля того чтобы подобные устройства (как существующие, так и воображаемые) эффективно работали, необходимо соединить их в сеть, состоящую из множества узлов. Наши исследователи уже достигли значительного прогресса в этом направлении. В частности, удалось создать специальные динамические и самонастраивающиеся сети, основанные на компьютерных и коммуникационных сверхминиатюрных mote-сенсорах (сенсорах-«пылинках»), работающих от батарей. Эти сенсоры ищут и самостоятельно устанавливают контакт с соседними сенсорами, а когда они перемещаются, то сеть динамически изменяет конфигурацию. Наша задача состоит в том, чтобы создать полупроводниковые датчики размером с пылинку.

Подобные сети мы демонстрировали на весеннем (2002 года) Форуме IDF, используя большие надувные мячи. По всей аудитории были расположены более 100 датчиков, а с базовой станции мы запустили серию алгоритмов, которые определяли положение каждого датчика и его ближайших датчиков-соседей. Сеть сама вычисляла оптимальный маршрут прохождения данных. Мы прикрепили датчики и к мячам, которые потом разбросали по всей аудитории. На экране дисплея можно было наблюдать, по какому пути проходят данные. Узлы перенаправляли данные 20-25 раз в секунду в течение примерно пяти перемещений мячей, при этом скорость передачи данных составляла 10 Кбит/с. Для того чтобы самостоятельно изменить конфигурацию сети, требовалось около 5 секунд.

Во время другой демонстрации мы создали самую большую в мире самонастраивающуюся сеть, состоявшую из нескольких тысяч узлов. Скажите, вам удавалось когда-нибудь всего за несколько секунд сконфигурировать сеть, содержащую хотя бы несколько десятков узлов?

Мир будущего на связи

несколько более отдаленной перспективе гибридные технологии дадут возможность объединить в одном полупроводниковом кристалле оптические и электронные компоненты. И тогда все и вся будут находиться на связи. Карманные устройства и ПК будут свободно связываться друг с другом. Более того, благодаря интеграции вычислительных и коммуникационных инфраструктур взаимодействие между любыми интеллектуальными электронными устройствами станет простым и удобным. С помощью голосовых команд, отдаваемых по сотовому телефону, можно будет обновлять базы данных, настраивать домашнюю бытовую технику и передавать аудио- и видеофайлы по сети. Такой тип связи потребует иного уровня коммуникационной функциональности и кардинального увеличения производительности.

Подключенные к сети новые модели компьютеров, объединенные с экономичными полупроводниковыми фотонными элементами, обеспечат поддержку кластерных платформ. В результате можно будет установить связь по общей оптической IP-сети между системами хранения внешнего и среднего уровней и серверами баз данных. Это, в свою очередь, приведет к созданию таких классов сетей и автономных устройств, как, например, сверхминиатюрные датчики, способные делать то, что раньше невозможно было себе даже представить.

В этой публикации я постарался опровергнуть мнение тех, кто сомневается в возможности достижения поставленных нами целей. Мы продолжим свое сотрудничество с разработчиками, которое уже привело к большим изменениям в нашем мире. Разработчики будут поставлять инновационные приложения, а Intel — инфраструктуру и платформу, эффективность которых обусловлена большими масштабами производства. Все вместе мы еще не раз поразим скептиков, превращая фантастику в реальность.

КомпьютерПресс 6'2003