Будущее роста производительности: долгосрочные перспективы



    Долгосрочные планы по увеличению производительности микропроцессоров и развитию полупроводниковой индустрии, согласно ITRS (International Roadmap for Semiconductors), напрямую связаны с разработкой технологий и материалов, способных заменить традиционную CMOS электронику и кремний. Сложность этой задачи трудно переоценить, поскольку поиск таких альтернатив сродни попыткам найти заменитель воды для наших повседневных нужд…

    Привычная нам H2O – невероятно интересная жидкость. Она представляет собой универсальный растворитель, прозрачна для видимой части светового спектра и способна двигаться против силы гравитации под воздействием капиллярных эффектов. Вода высокоэффективна для охлаждения и требует большое количество энергии для превращения в пар. Она становится менее плотной и расширяется при замерзании, а также легко смешивается со многими другими жидкостями. У нее высокий коэффициент преломления, нейтральный pH, её легко очистить и она в изобилии встречается практически всюду. Список можно продолжать и дальше, но суть в следующем: существует немало жидкостей, которые превосходят воду по своим характеристикам в какой-то одной области, но ни одна из них не является адекватной заменой, если принять во внимание все характеристики.


    Отказаться от кремния в электронике сегодня практически так же сложно, как и отказаться от воды в повседневной жизни.

    Таким же образом, существует ряд технологий, способных улучшить какие-то отдельно взятые аспекты текущей технологии производства, и существует ряд материалов, способных заменить кремний. Но такая замена потребует множества изменений практически на всех этапах производства. Локальными изменениями обойтись не удастся.
    Отчеты ITRS рассматривают практически все известные на данный момент альтернативы: использование углеродных нанотрубок, графена, нанопроводов, спинтроники, германия и т.д. Не упомянут разве что молибден. Описание, что представляет из себя каждая из этих технологий легко потянет на самостоятельный пост, поэтому вместо этого, остановимся на вопросе «когда?».
    Отчеты не являются подчеркнуто мрачными, но указывают на серьезность имеющихся проблем. Таблица ниже показывает различные этапы процесса производства и когда соответствующая технология теоретически может быть готова к внедрению в них.



    Можно заметить, что в ближайшем будущем ожидается появление ряда новых технологий в области device packaging'а. Именно поэтому эта область сейчас притягивает к себе столько внимания. В ближайшие 3-5 лет компании -производители CPU могут рассчитывать на инновации в этой области. Прогресс практически во всех остальных областях требует преодоления тех или иных технологических препятствий. Вероятно, использование графена или углеродных нанотрубок окажется следующей технологией, готовой к использованию при создании элементов памяти и логики, но «официальная» точка зрения говорит, что эти технологии достигнут уровня коммерческой применимости не ранее, чем через 10-15 лет.
    А следующая таблица показывает ожидаемые показатели эффективности от использования новых технологий в сравнении с технологиями, применяемыми сейчас. Значения меньше 2 означают ухудшение, а больше двух – улучшение по сравнению с текущими показателями.



    Каждая из этих технологий имеет больший потенциал, чем кремний, но их использование требует идти на множество компромиссов. Во многих случаях решение возникающих проблем неизвестно даже приблизительно. А указанные в ITRS сроки внедрения – лишь спекуляция на тему того, что за это время решение будет найдено.

    Лучше всего масштаб проблем виден на примере углеродных нано трубок. Для того, чтобы рассматривать их как материал для электроники будущего, необходимо научиться их выращивать с ничтожно малой долей примесей. За последние 1-2 года в этом направлении практически ничего не изменилось: достижимая сейчас чистота составляет 99% или даже 99.8%, в то время, как надо достигнуть более чем 99.999999999999% чистоты. Возвращаясь к аналогиям с водой – это одна капля примесей на дюжину олимпийских бассейнов воды. Если бы сейчас появилась технология, менее требовательная к чистоте и точности операций, чем CMOS – она бы стала главным кандидатом на скорейшее внедрение. Но увы…


    Объем воды в олимпийском бассейне ~2500 м3

    Общее число рассматриваемых «технологий будущего» говорит о том, что никто сейчас в действительности не знает, какая из них окажется наиболее полезной. Иногда звучат резкие заявления, но нет никакого согласия в том, что окажется вероятной заменой текущей технологии.
    Как бы то ни было, в среднесрочной перспективе транзисторы продолжат уменьшатся. Переход производства на кремниевые пластины диаметром 450мм должен сократить издержки производства (хотя последние заявления ASML заставляют усомниться в этом, как и в том, появятся ли вообще 450мм пластины). В целом тренд будет направлен на повышение энергоэффективности, а не производительности. А использование подходов вроде More-than-Moore означает, что хоть рост производительности в привычных для этого местах останется крайне скромным, но, возможно, производительность возрастет там, где этого не ждали.

    Одно ясно точно: даже если удастся и дальше совершенствовать техпроцесс (14нм, 10нм, 6нм…), то практическая выгода от этого (и без того сейчас небольшая) с каждым следующим шагом практически сходит на нет. И единственный выход – поиск альтернативных технологий.

    С другой стороны, в этом есть свои плюсы. Эта ситуация заставляет все компании, начиная от Intel и AMD, и заканчивая Google и Nvidia, пересмотреть базовые принципы того, как обрабатываются данные. На протяжении последних 30 лет прогресс шел одним и тем же, наиболее легким путем, но есть и другие. Возможно, такое переосмысление базовых принципов даст гораздо больший выигрыш, нежели совершенствование технологии производства и повышение тактовой частоты.
    Intel
    151.73
    Company
    Share post

    Comments 33

      +4
      Имхо, таблицы следовало перевести и дать пояснения.
      Например, что такое «Ge & III-V» не понятно (что-то связанное с германием, но что именно), пришлось гуглить. А тем, кто английским не владеет, вообще тяжко будет.
        +5
        Глядя на таблицы, я пришел к выводу, что перевод сделает их еще непонятнее. Те, кто знают о чем речь, могут не распознать за переводом оригинальный термин, а прочие лишатся возможности гуглить. Но, насчет некоторых пояснений, вы, наверное, правы. Спасибо, учту на будущее.
          +2
          Простите, но гуглить незнающим было бы немного легче, если бы таблицы были текстом.
        +1
        Расскажите те кто в теме. Нет ли опасности для электронной отрасли в том, что при производстве используется куча редких металлов, которые рано или поздно закончатся?
        А то я тут начитался и теперь страшно.
          +2
          Я думаю, что если действительно предположить ситуацию, когда добыча редкоземельных элементов стала экономически невыгодной, то компании попросту перейдут на технологии переработки вторсырья. Известно, что содержание драгметаллов в компонентах электронных устройств в сотни раз выше, чем их концентрация в лучших месторождениях планеты. Проблема только в том, что сырье не лежит под ногами — его необходимо собирать.
            0
            К сожалению, возможности переработки тоже не безграничны. И в немалой степени уже используются. Кроме того, переработать можно лишь то, что уже однажды было выпущено, а затем отправилось «на свалку». А если число устройств в одновременном использовании и их редкоземельная емкость будут расти, то это не спасет.
          0
          Вы с объемом бассейна точно не ошиблись?
            0
            Нет, стандартные размеры: 50х25 метров при глубине не менее 2 метров.
            0
            не думаю что в отрасли п/п можно ожидать какой-либо революции.
            и IMHO фотон намного интересней в качестве носителя заряда нежели электрон, и в фотонике/оптоэлектронике еще поле непаханное открытий и долгосрочных перспектив.
              0
              Рассуждения о чисто фотонных(оптических) компьютерах сейчас — скорее сродни научной фантастике, т. к. горизонт потенциальной применимости крайне далек. Это не «жалкие» 15+ лет, упомянутые в статье, кроме того, есть масса вопросов насчет базовых принципов функционирования. Например, каков оптический аналог каскадирования логики? Коррекции помех? Гальванической развязки? Тут потребуется или просто таки невероятное количество открытий, или изменение базовых принципов работы.
                0
                Фотон не может являться носителем заряда ибо не обладает оным в принципе, вы видимо имели ввиду использование света в логических схемах. А по поводу оптического аналога гальванической развязки из предыдущего комментария немного впал в ступор… Оптически связанные компоненты разве уже гальванически не развязаны? И вообще какое в чисто оптических схемах может иметь значение гальваническая связанность компонентов?
                А вообще, соглашусь конечно, что каким-то электронным компонентам на данный момент не удалось создать оптических аналогов, но работа в этом идет не маленькая. Я думаю в ближайшие 20 лет точно появится готовый прототип.
                  0
                  прошу прощения — конечно же имелось в виду «носитель информации» а не заряда.
                    0
                    В принципе в настоящий момент уже существуют некие подобия оптических процессоров, но там не совсем честно. Процессор выполняет какую-то одну конкретную функцию, жестко в него зашитую, например декодирования видео. Причем у меня сильное подозрение, что современные FPGA могут выполнять туже функцию ничуть не хуже…
                    –1
                    Оптически связанные компоненты разве уже гальванически не развязаны?

                    Я говорил об «аналоге» а не в точности том же эффекте. Но, пока не известны даже приблизительно принципы устройства и работы элементной базы, говорить об этом рано.

                    Я думаю в ближайшие 20 лет точно появится готовый прототип.

                    Увы, от прототипа до внедрения, думаю, еще по меньшей мере ждать столько же придется…
                      0
                      Затопчи меня элефант, но никак не могу понять зачем оптическим схемам может понадобится даже аналог гальванической развязки, для каких целей? Ну а принципы действия оптических аналогов логических элементов уже давно известны. Осталось только эти устройства создать.
                        0
                        Окей, допускаю, что я не на 100% разбираюсь в этой области, но ваша ссылка у меня вызывает много вопросов. Непонятно, например, допускается ли падение интенсивности внутри схемы и разного рода помехи. А если допускаются, то как с ними бороться и т. д.
                        Сделать элемент, который работает на тестовом стенде, и который работает в схеме из еще миллиарда таких же — совсем не одно и то же. :)
                        * ну а раз непонятно про интенсивность, то и необходимость «аналога гальванической развязки», как защиты от недопустимых скачков интенсивности сигнала, обсуждать нецелесообразно :).
                          0
                          Собственно не вижу никакой проблемы. В электрических аналогах единице и нулю соответствуют определенные интервалы значений напряжения (например «1»-2.6В..3.3В, «0»-0В..0.5В). Почему бы для оптических аналогов не ввести такой же разброс интенсивностей… Или вообще разные логические уровни кодировать противоположными направлениями поляризации, тогда вопрос падения интенсивности становится еще менее критичным.
                            0
                            Согласен. С оговоркой, что это еще надо как-то реализовать на практике. Как именно — вот в чем вопрос…
                            0
                            Особой пикантности данному треду придаёт тот факт, что наиболее широко употребимой гальванической развязкой является… тада: оптрон.
                              +1
                              Да вы некромант… треду больше полугода.
                              И как это относится к делу?

                              В физике есть множество аналогий, например, между механическими и электрическими величинами.
                              Если построить подобную аналогию между электроникой и оптическими схемами…
                              В электрических схемах гальваническая развязка реализуется с помощью оптических явлений.
                              А на основе чего вы будете решать проблему аналогичного характера для оптической схемы, (где аналог силы тока, например, интенсивность, и т.д.)?
                              Вот я лично не знаю.
                                +1
                                Случайно зашёл из соседнего топика :)

                                Аналогии есть, но в данном случае ваша, увы, ложная. В оптической схемотехнике нет нужды в использовании «гальванической развязки», потому что там нет такого явления как «разность потенциалов» — в электрических схемах напряжение отмеряется от «земли» и разность потеницалов этой земли (и вообще различные проблемы связанные с разностью потенциалов) требуют использования развязок и т.д, для предотвращения перетекания выравнивающих токов (которые могут быть на порядки сильнее сигнальных и могут повредить элементы). В оптике же интенсивность сигнала отмеряется от нуля — темноты и никакого выравнивания произойти не может, а для подключения слишком мощных источников вполне может использоваться тот же самый оптрон.

                                То есть не всегда переход на новую базу/технологию требует повторного решения проблем старой — иногда этих проблем просто нет.
                    0
                    Описание, что представляет из себя каждая из этих технологий легко потянет на самостоятельный пост

                    А круто было бы увидеть цикл таких статей.
                      0
                      Может быть, но, боюсь, немногие оценят :) Рассказывать о настолько специфических вещах для аудитории не-специалистов… Большой риск, что будет или не интересно, или ни о чем.
                      Да и, похоже, я слишком стар для этого. :) Скорее всего, (не считая пары уже написанных черновиков) это мой последний пост.
                        +1
                        Я не специалист, но мне весьма интересно! Напишите еще такого и много, пожалуйста :)
                          0
                          Во-первых, Хабр — территория IT.
                          Во-вторых, на Хабре очень много умных людей.
                          => будет очень многим интересно.
                        0
                        А что насчет сверхпроводников?
                        www.superconductors.org/

                        Если мне не изменяет память, на них можно делать транзисторы выполняющие переключение вообще без выделения теплоты.
                          0
                          Полагаю то, что сверхпроводник является таковым далеко не при комнатных температурах. А океан жидкого азота плещется не у каждой двери.
                            0
                            вы по ссылке перешли? почитали?
                              0
                              Ссылка ведет на заглавную страницу (спасибо, что не googl'а). Если говорить про весь сайт — конечно, нет, не прочел.
                              Раздел «What is a Superconductor ?» и ряд других на предмет упоминаний транзисторов — да, прочел.
                              Если я что-то упустил, а вы имели ввиду что-то конкретное, не могли бы уточнить куда смотреть?
                                0
                                www.superconductors.org/35C_sil.htm

                                Весь сайт создан одним человеком. Я начал за ним следить с 2008 года, когда он создал сверхпроводник 2-ого рода, с температурой перехода в сверхпроводящее состояние в 212К

                                  0
                                  На данный момент он имеет сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние в 35С
                                    0
                                    Не знаю ответа на ваш вопрос.
                                    У меня есть только предположения:
                                    1) Просто не успели: первый из сверхпроводников с Tc близким к комнатной температуре был найден менее полутора лет назад. Дела делаются не настолько быстро.
                                    2) Возможно, есть трудности с получением этого соединения с достаточной степенью чистоты.
                                    3) У молекул этого соединения довольно таки внушительный размер. Это может доставить трудностей.

                                    Еще думаю, что сопротивление сейчас не настолько критично, как ток утечки в транзисторах. Уменьшение сопротивления на него не повлияет. Зато повлияет на время переключения транзисторов. Не в лучшую сторону.

                                    Но это только мои домыслы.
                                      0
                                      Спасибо за подробный и развернутый ответ.

                          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.