Рассказываем, что нового может появиться в дата-центрах и не только в них.

/ фото jesse orrico Unsplash

Считается, что кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу. В прошлый раз мы рассказывали о материалах, которые могут заменить кремний и обсуждали альтернативные подходы к разработке транзисторов. Сегодня говорим о концепциях, способных трансформировать принципы работы традиционных вычислительных систем: квантовых машинах, нейроморфных чипах и компьютерах на основе ДНК.

Рассказываем, кто и почему ими занимается.

/ фото Paweł Czerwiński Unsplash

Что такое нейроморфный чип

Это — процессор, работа которого основана на принципах действия человеческого мозга. Такие устройства моделируют работу нейронов и их отростков — аксонов и дендритов — отвечающих за передачу и восприятие данных. Связи между нейронами образуются за счет синапсов — специальных контактов, по которым транслируются электрические сигналы.

Одна из задач нейроморфных устройств — ускорить обучение сверточных нейронных сетей для распознавания изображений. Системам искусственного интеллекта на базе этой технологии не нужно обращаться к массивному хранилищу с тренировочными данными по сети — вся информация постоянно содержится в искусственных нейронах. Такой подход дает возможность реализовывать алгоритмы машинного обучения локально. Поэтому ожидается, что нейроморфные чипы найдут применение в мобильных устройствах, IoT-гаджетах, а также дата-центрах.

Говорим о многоядерных CPU мировых производителей.

/ фото PxHere PD

48 ядер

В конце 2018 года Intel анонсировали архитектуру Cascade-AP. Эти процессоры будут поддерживать до 48 ядер, иметь мультичиповую компоновку и 12 каналов DDR4 DRAM. Такой подход обеспечит высокий уровень параллелизма, что пригодится в обработке больших данных в облаке. Релиз продуктов на базе Cascade-AP намечен на 2019 год.

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, настало время углубиться в разбор процесса проектирования их внутренних компонентов. Это вторая статья из серии, посвящённой разработке процессоров. Рекомендую изучить для начала первую часть, чтобы вы понимать изложенные ниже концепции.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как вы возможно знаете, процессоры и большинство других цифровых устройств состоят из транзисторов. Проще всего воспринимать транзистор как управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включён, электрический ток может течь по транзистору. Когда затвор отключён, ток течь не может. Затвор похож на выключатель света в комнате, только он гораздо меньше, быстрее и может управляться электрически.

Существует два основных типа транзисторов, используемых в современных процессорах: pMOS (PМОП) и nMOS (NМОП). nMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор (gate) заряжен или имеет высокое напряжение, а pMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор разряжен или имеет низкое напряжение. Сочетая эти типы транзисторов комплементарным образом, мы можем создавать логические элементы КМОП (CMOS). В этой статье мы не будем подробно разбирать особенности работы транзисторов, но коснёмся этого в третьей части серии.

Мы воспринимаем центральный процессор как «мозг» компьютера, но что это значит на самом деле? Что именно происходит внутри миллиардов транзисторов, благодаря которым работает компьютер? В нашей новой мини-серии из четырёх статей мы рассмотрим процесс создания архитектуры компьютерного оборудования и расскажем о принципах его работы.

В этой серии мы расскажем о компьютерной архитектуре, проектировании процессорных плат, VLSI (very-large-scale integration), производстве чипов и тенденциях будущего в области вычислительной техники. Если вам было интересно разобраться в подробностях работы процессоров, то начинать изучение лучше с этой серии статей.

Мы начнём с очень высокоуровневого объяснения того, чем занимается процессор и как строительные блоки соединяются в функционирующую конструкцию. В том числе мы рассмотрим процессорные ядра, иерархию памяти, предсказание ветвлений и другое. Во-первых, нам нужно дать простое определение тому, что делает ЦП. Простейшее объяснение: процессор следует набору инструкций для выполнения определённой операции над множеством входящих данных. Например, это может быть считывание значения из памяти, затем прибавление его к другому значению, и наконец сохранение результата в память по другому адресу. Это может быть и нечто более сложное, например, деление двух чисел, если результат предыдущего вычисления больше нуля.

Программы, например, операционная система или игра, сами по себе являются последовательностями инструкций, которые должен выполнять ЦП. Эти инструкции загружаются из памяти и в простом процессоре выполняются одна за другой, пока программа не завершится. Разработчики программного обеспечения пишут программы на высокоуровневых языках, например, на C++ или на Python, но процессор не может их понимать. Он понимает только единицы и нули, поэтому нам нужно каким-то образом представить код в этом формате.

Возможное фото 10 нм IceLake. Источник

Странные вещи творятся на процессорном рынке. Мировой лидер в лице фирмы Intel пятый год бьется в попытках перейти на 10 нм техпроцесс. Изначально заявляли о переходе на 10 нм в 2015-м году, потом в 2016-м, 2017-м… На дворе 2019-й, а 10-нм от Intel в серии так и нет. Ну как нет, есть отдельные опытные/инженерные образцы, но высокий выход годных — проблема. Реальный переход ожидается не раньше 2022 года уже.

Собственно, это и стало причиной дефицита процессоров Intel на рынке. Для его преодоления компания расширяет производство модифицированных 14 нм процессоров (те же Lake только в профиль) и даже возвращается к 22 нм. Казалось бы, регресс налицо. А в это время корейский Samsung, тайваньский TSMC и примкнувший к ним AMD с платформой ZEN 2 рапортуют о вводе в серию аж 7 нм и вот-вот перейдут на 5 нм. Достали из пыльного шкафа «закон Мура» и объявили его живее всех живых. Скоро будет и 3 нм, и 2 нм, и даже 1 нм (sic!) — pourquoi pas?!

Что же произошло? Неужто ушлые азиаты обошли клятых пендосов в ключевой отрасли? Можно открывать шампанское?

Disclaimer: Данную статью я нашёл совершенно случайно и был крайне поражён, насколько грамотно и подробно в ней раскрываются проблемы современной микроэлектроники, в частности, смерть закона Мура и маркетинг. Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. тема мне крайне интересна. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

В первой части мы рассмотрели вкратце физику кремния, технологии микроэлектроники и технологические ограничения. Теперь поговорим о физических ограничениях и физических эффектов, которые влияют на размеры элементов в транзисторе. Их много, поэтому пройдемся по основным. Здесь придется уже влезть в физику, иначе никак.

Disclaimer: Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. тема мне крайне интересна. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

Обсуждаем альтернативы подходы к разработке полупроводниковых изделий.

/ фото Taylor Vick Unsplash

В прошлый раз мы говорили о материалах, которые могут заменить кремний в производстве транзисторов и расширить их возможности. Сегодня обсуждаем альтернативные подходы к разработке полупроводниковых изделий и какое применение они найдут в дата-центрах.

16 мая в МИЭТ (Зеленоград) прошел уже традиционный семинар-встреча с японскими разработчиками и производителями компактной технологической линеек, так называемого Minimal Fab.


Предыдущий большой семинар проходил там же в 2017, и на youtube есть почти трехчасовая запись. Давно хотел написать большую заметку на эту тему, собрал много материала, а после этой встречи окончательно «дозрел». Все-таки живая встреча, с вопросами-ответами, гораздо эффективнее, чем изучение статей. К тому же, в последнее время появилось несколько статей, где эта линейка освещается однобоко, в каком-то восхищенном и не совсем адекватном ключе «восхищения». Давайте разбираться…

Во второй половине 20 века кремниевые транзисторы (MOSFET) полностью заменили радиолампы в электронных устройствах. Это вполне естественно, учитывая многочисленные преимущества полупроводников: миниатюрность, дешевизна, эффективность, прочность, надёжность, и самое главное — эффективный техпроцесс химического вытравливания транзисторов в интегральных схемах. Технология позволила создавать чипы с миллиардами транзисторов. С годами они становились всё меньше, расстояние между истоком и стоком сокращалось, за счёт чего росла производительность электроники (закон Мура).

Несмотря на перечисленные недостатки, электронные лампы обладают определёнными преимуществами перед транзисторами: сам по себе вакуум — это лучшая среда для передачи электрона, чем твёрдое тело, где возникают помехи из-за столкновения электронов с атомами материала, шумы и искажения. К тому же, радиолампы более устойчивы к радиационным повреждениям.

Если в обычных транзисторах использовать вакуум, то удалось бы совместить преимущества обеих технологий. Теоретически, вакуумный транзистор может работать на терагерцовых частотах, на порядок быстрее существующих кремниевых аналогов. Сотрудники исследовательского центра NASA Ames давно экспериментируют в этом направлении. Им удалось добиться довольно многообещающих результатов, пишет IEEE Spectrum.

Статья является продолжением моей первой статьи «Фракталы в простых числах».

Следующая статья: Фракталы в иррациональных числах. Часть 2.



В предыдущей статье мы научились рисовать самоподобные паттерны с помощью взаимно простых чисел. В этой статье покажу фрактальную природу числа $$.
Без предисловия. Под кат.

Я обнаружил этот фрактал, когда разглядывал интерференцию волн на поверхности речки. Волна движется к берегу, отражается и накладывается сама на себя. Есть ли порядок в тех узорах, которые создаются волнами? Попробуем найти его. Рассмотрим не всю волну, а только вектор ее движения. «Берега» сделаем гладкими, для простоты эксперимента.

Эксперимент можно провести на обычном листке в клеточку из школьной тетради.

Любопытная смесь из электронной лампы и МОП-транзистора однажды, возможно, заменит традиционный кремний

В сентябре 1976 года, в разгаре Холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский лётчик и перебежчик, отклонился от курса тренировочного полёта над Сибирью, который он проводил в самолёте Миг-25П, быстро пересёк Японское море на малой высоте, и посадил самолёт в гражданском аэропорту Хоккайдо, когда топлива уже оставалось всего на 30 секунд. Его внезапная измена Родине стала манной небесной для американских военных аналитиков, у которых впервые появилась возможность вблизи изучить высокоскоростной советский истребитель, считавшийся ими одним из наиболее передовых самолётов. Но то, что они увидели, их поразило.

Корпус летательного аппарата был сделан грубее, чем у современных ему американских истребителей, и в основном состоял из стали, а не из титана. Приборные отсеки были заполнены оборудованием, работавшим на электронных лампах, а не на транзисторах. Очевидным заключением, несмотря на бытовавшие страхи, стало то, что даже самая передовая технология безнадёжно отстала от западной.

Всем привет, я снова выхожу на связь и посмотрите с чем! На фото — очень редкий (на 1989г. было выпущено 56 штук) сканирующий электронный микроскоп производства компании TESLA, выставленный в техническом музее г. Брно. Сверхвысоковакуумная колонна, катод с холодной полевой эмиссией позволили достичь гарантированного разрешения в 5нм и увеличения 500000x.



Мне удалось заполучить в свой гараж точно такой же микроскоп, пролежавший с 1990 года в нераспакованном виде. Обзор и все подробности процесса распаковки — под катом.