Назад в будущее (по материалам IDF)

В конце февраля 2002 года в Сан-Франциско прошел традиционный форум разработчиков аппаратного и программного обеспечения компьютеров и специалистов электроники - IDF Spring 2002.
Основные события этого, пожалуй, крупнейшего публичного события были кратко описаны в предыдущей статье, посвященной этому форуму. Главное значение таких мероприятий, как IDF Spring 2002, заключается в определении перспективных направлений, а также анализе возможностей существующих и будущих технологий.

Представленные на IDF новейшие изделия и технологии заложили основу многих направлений. Они будут долгое время оказывать большое влияние на развитие не только отраслей индустрии, связанных с компьютерами и электроникой, но, учитывая значение современных информационных технологий, и на всю экономику большинства стран мира. При этом важной частью ускоренного внедрения новейших разработок в быту и бизнесе является анонсирование и популяризация представленных на IDF перспективных достижений. В значительной степени это осуществлялось через доклады ведущих специалистов отрасли, представленные, как правило, вице-президентами корпорации Intel. Их яркие выступления нередко воспринимались как своеобразные путешествия в будущее, что и нашло свое отражение в упомянутой статье.
Однако накопленного в процессе работы IDF материала оказалось столь много, а тема развития перспективных технологий и анализа возможностей новейших изделий столь интересна, что захотелось вновь мысленно вернуться в светлое, информационное будущее, описанное, например, в выступлении Патрика Гелсингера (Patrick Gelsinger, Vice President, Chief Technology Officer, Intel Corporation).

Это выступление, сопровождающееся показом красивых слайдов и эффектной демонстрацией перспективных устройств, можно рассматривать в качестве своеобразного путеводителя по перспективным технологиям. При этом реализация некоторых из описанных технологий будет осуществлена не через два-три года, а, как отметил сам Патрик Гелсингер, в течение 10 лет.
Ключом же к описанному будущему является небезызвестный закон Мура. Этот закон уже много лет будоражит общественность и не дает спокойно спать законодателям компьютерной индустрии, в значительной степени определяющим ее поступательное развитие.
Более трех десятков лет назад Гордон Мур (Gordon Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation) предсказал регулярное удвоение числа транзисторов в сложных электронных устройствах.
Теперь это называется законом Мура (Moore's Law). Однако каким образом произошло открытие данного закона? Ответ на этот вопрос дал сам Гордон Мур в видеоролике, продемонстрированном в ходе выступления Патрика Гелсингера.

Оказывается, все было очень просто. Журнал по электронике попросил Гордона Мура предсказать развитие полупроводниковой индустрии на следующие 10 лет. Необходимо отметить, что в то время микросхемы, доступные на рынке, содержали до 30 компонент на чипе. Однако в лаборатории был уже 60-компонентный экспериментальный чип. Гордон Мур выполнил экстраполяцию на период 10 лет и получил сформулированную выше закономерность, предсказывающую появление очень сложных чипов с несколькими десятками тысяч транзисторов. Как оказалось, предсказание темпа усложнения архитектуры чипов оказалось намного более точным, чем кто-либо ожидал.
В дальнейшем закон Мура был откорректирован: удвоение числа транзисторов в процессорах происходит каждые 1,5-2 года.
Хорошей иллюстрацией справедливости этого закона служат следующие данные, опубликованные на сайте Intel.


Прогрессивную сущность закона Мура и тесную связь его с развитием полупроводниковой индустрии отмечают многие специалисты, включая тех, кто самым непосредственным образом влияет на разработку современного аппаратного и программного обеспечения компьютеров.
Фото некоторых приведены ниже.

Когда Гордон Мур впервые сформулировал свой закон периодического усложнения чипов, это была всего-навсего оценка, полученная в результате простого наблюдения. В настоящее время это уже стало законом. Этот закон устанавливает ориентиры для развития всей полупроводниковой промышленности. Этот закон стал правилом для специалистов и бизнесменов, позволяющим предсказывать потенциальные возможности будущих, еще не созданных изделий.

Интересно, что после создания микропроцессора, Гордон Мур стал уделять большое внимание внедрению этого многофункционального устройства в повседневную жизнь. Вот как это описал Патрик Гелсингер.
Однажды, во время прогулки, Гордон Мур стал размышлять об использовании микропроцессоров в своем доме. И вскоре сформулировал 85 возможных применений. Казалось, все возможности исчерпаны. Но 5 лет спустя он, снова прогуливаясь вокруг этого же дома, обнаружил еще примерно 30 мест.
С тех пор примерно полтора миллиарда людей пользуются технологиями, которые являются прямым следствием тех самых наблюдений. При этом число пользователей постоянно увеличивается в соответствии с развитием современных технологий и выпуском изделий, сложность и интеллектуальная мощь которых постоянно растет по закону Мура.
Здесь следует напомнить некоторые факты. В 1989 году тактовая частота процессора новой архитектуры достигла величины 25 МГц. В то время это был еще i486. На достижение же значения 50 МГц потребовалось целых три года. В настоящее же время прирост 25 МГц может быть осуществлен уже всего за одну неделю. А через пять лет такой прирост станет возможным в течение только одного дня. Такова поразительная мощь экпоненциального роста, осуществляемого в соответствии с законом Мура уже три десятка лет.
При анализе возможностей современных технологий возникает вопрос о сроках действия закона Мура. Как долго компьютерные чипы будут эволюционировать по экспоненциальному закону? Существует ли предел амбициям разработчиков, увеличивающим количество транзисторов в микросхемах при постоянном уменьшении размеров элементов?
Действительно, в 80-е годы специалисты мечтали о технологии 1 мкм и спорили о сроках достижения и возможности преодоления этого рубежа. В 90-ые граница была отодвинута до 0,1 мкм (100 нм). Сегодня речь уже идет о преодоления барьера в 0,01 мкм (10 нм). Когда же в результате уменьшения размеров элементов наступит постоянно отодвигаемый предел? И когда же, наконец, закон Мура перестанет действовать?
Патрик Гелсингер отвечает на подобные вопросы следующим образом: «Кто-то говорит 10 лет, 15 лет. Я же обещаю вам, что пока я не уйду на пенсию, по крайней мере, 2,5 десятиления, закон Мура будет существовать. Будущее никогда не было для нас таким ясным, как оно есть сейчас. Мы будем двигаться вперед вместе с законом Мура, связанным с развитием бизнеса и технологии. И конец пока вне поля зрения».
По мере развития электронных и компьютерных технологий постоянно повышалась производительность процессоров. На этом пути было множество объективных препятствий, но они постепенно преодолевались учеными и инженерами за счет создания новых архитектур и совершенствования новейших технологий.

В качестве примера можно привести разработку процессора Pentium 4, созданного по технологии 0,13 мкм с использованием внутренних структур, работающих на частотах в несколько гигагерц. Достаточно вспомнить демонстрацию процессоров с тактовыми частотами 3 ГГц и 4 ГГц.
Но и эти очень высокие частоты уже не вызывают восторженного трепета у специалистов, создавших терагерцовый транзистор. Это без преувеличения очень важное для дальнейшего развития архитектуры будущих процессоров обстоятельство не мог не отметить в своем выступлении Патрик Гелсингер: «Самое сложное было сделать эти маленькие переключатели, которые меньше и быстрее. Мы считаем этот транзистор совершенно новой фундаментальной архитектурой. И мы будем расширять это направление в следующие 10 лет и далее».

Следующий шаг в достижении новых рубежей производительности - это совершенствование конструктива корпуса (package). На смену FC-PGA разработчики Intel создали BBUL (Bumpless Build-Up Layer).

Новый конструктив позволит повысить скорость работы процессоров в несколько раз (примерно в 5 раз). В данном конструктиве кристалл, вместо того, чтобы находиться на поверхности корпуса, погружен внутрь корпуса. Это позволило улучшить показатели индуктивности и емкости и в целом существенно повысить частоту, а, следовательно, и производительность.
Кроме того, специалисты Intel сделали несколько фундаментальных достижений в области литографии. Это касается программы EUVL — Extreme Ultraviolet Lithography. Производство намечается на вторую половину десятилетия. И, как подчеркнул Патрик Гелсингер, предполагается продвигать технологию и далее, даже по прошествии 2010 года.

Однако повышение рабочих частот и количества транзисторов процессорных чипов порождает еще одну чрезвычайно важную проблему. Связано это с ростом энергопотребления, а, следовательно, и теплообразования, что усложняет проблему поддержания оптимальных режимов работы процессоров.
Учитывая важность проблемы теплообразования современных и будущих процессоров целесообразно привести слова самого докладчика. Комментируя указанную проблему Патрик Гелсингер сказал следующее. «Мы предсказываем, что следующие 10 лет в первую очередь мы будем ограничены таким параметром, как мощность (power). В 2010 году мы планируем процессор с частотой 30 ГГц, с 10 миллиардами транзисторов, технология 20 нм или еще меньше. Все это принесет просто сногсшибательное быстродействие. Но следует вспомнить, что мы очень плавно двигались от 1 Вт до 10 Вт, затем от 10 до 100 Вт. И мы на пути от 100 Вт до 1000 Вт. А за 1000 идет 10000. В этом заключается экспоненциальный рост, который великолепно работает как за, так и против.

Еще сложнее, когда такая мощь приходится на очень маленькую площадь, когда речь идет о плотности мощности. Проводя некоторые аналогии, если в конце 80-х годов это была просто горячая плита, то в середине грядущего десятилетия это ядерный реактор, в конце это уже сопло ракеты, а в перспективе это поверхность Солнца. Это смешно, ведь люди не будут носить сопло ракеты или ядерный реактор в своих портативных ПК. Поэтому мы уделяем большое внимание такому важному параметру будущих и уже современных транзисторов, как их мощность».

Нет сомнения, что все проблемы, возникающие в процессе разработки новых изделий, будут успешно решены.
Закон Мура расширяется ("Moore's Law is Expanding"). Это означает, что сформулированный ранее как предсказание регулярного удвоения транзисторов, этот закон постепенно распространяется и на другие элементы сложных электронных схем.

Появляются совершенно новые многофункциональные устройства, которые включают в себя не только транзисторы, но также и совершенно новые структуры, которые были недоступны ранее.
Это охватывает, например, логические, оптические, беспроводные структуры, память, датчики и преобразователи, а также механические элементы и технологии. Возможно, в это число следует включить биологические и жидкие структуры.
Благодаря указанным элементам и технологиям ученые и инженеры смогут существенно расширить функциональные возможности будущих устройств.

В качестве примера в выступлении Патрика Гелсингера был рассмотрен ряд новейших технологий и приведены некоторые из уже созданных изделий.

Беспроводные технологии (wireless)

Разработчики Intel называют это "Radio Free Intel". Здесь основная цель — сделать радио настолько дешевым и интегрированным, насколько это вообще возможно. И для достижения этой цели уже имеется 5 разных разработок (технологий).
Первая — MEMS (Micro-Electro Mechanical System).

В качестве основы используется кремний. Учитывая и объединяя его механические свойства с возможностями новой технологии литографии, можно создать большое количество очень интересных многофункциональных устройств. Новые устройства могут совмещать в себе как механические элементы, например, электромоторы, реле и переключатели, так и электронные элементы и радиоцепи, позволяющие создавать миниатюрные радиопередатчики и радиоприемники.
Технология MEMS позволяет существенно уменьшить размер и стоимость пассивных компонент (катушки индуктивности, конденсаторы и др.), необходимых в электрической цепи радио.

В беспроводных технологиях существует множество перспектив, множество стандартов и сред применения. И одним из направлений, над которым работают специалисты Intel, является роуминг. Пользователи могут быть подключены к обычной проводной локальной сети (wire LAN), затем отключиться от нее и перейти на беспроводную сеть (wireless LAN), а затем выйти за пределы действия последней и переключится на некоторую глобальную беспроводную сеть (wireless WAN). Уже разработана технология, расширяющая стандартное понятие сети, базирующаяся на понятии мобильного IP и его расширения. Разработчики Intel старались создать не просто некоторый автоматический переход из одной сети в другую, а цельную законченную систему, которая охватывает все сферы до региональной беспроводной сети. И, кстати, будет включать и такие важные вещи, как безопасность, VPN и др. Необходимо обеспечить полноценную работу приложений (сохранение IP) на всем пути от одного стандарта сети в другой.
Следующая технология — это кремниевое радио и динамически реконфигурирующееся радио.
Здесь необходимо прервать наше повествование, значительную часть которого составляют тезисы доклада Патрика Гелсингера, вице-президента корпорации Intel. Необходимо отметить, что, присутствуя на выступлениях высших руководителей Intel, приходилось отмечать удивительный лекторский артистизм, энергию и высочайший профессионализм компьютерных специалистов мирового значения, уважаемых в среде и бизнесменов, и разработчиков, и ученых.
Возвращаясь к выступлению Патрика Гелсингера, следует подчеркнуть, что все отмеченные атрибуты присуще и этому докладчику, яркое выступление которого оставило неизгладимое впечатление.
Особенно тогда, когда он настойчиво попросил достать мобильные телефоны и… разбить их. И показал пример, эффектно бросив свое устройство на демонстрационный стол.

Аудитория замерла. А Патрик Гелсингер, собрав обломки, пояснил: «То, что вы видите внутри, представляет собой несколько высокоинтегрированных кремниевых чипов. Но намного больше места занимают пассивные компоненты: конденсаторы, резисторы, катушки, переключатели и т.д. Эти компоненты мешают нам уменьшить размер».

Далее он пояснил, что уменьшить эти компоненты можно применением MEMS, радио и других традиционных технологий. Это позволит интегрировать все вместе с остальными компонентами.
В результате данной интеграции можно создать новые малогабаритные изделия радио, обеспечивающие беспроводное соединение компонентов компьютерных систем, включая возможность работы в сетях. Учитывая же тот факт, что приходится переключаться между разными сетями, то речь идет о реализации сразу несколько устройств (LAN, PAN, WAN).
Разработчики Intel хотят объединить каждое радиоустройство в одно небольшое изделие из 2-3 микросхем.
В связи с тем, что потребуется несколько таких устройств, целесообразно объединить их все в одно изделие (Silicon Radio).
Ниже представлена эволюция устройств Silicon Radio: Today - сотни миллионов элементов, Tomorrow - миллиарды элементов, Future - десятки миллиардов элементов. Здесь же в графической форме приведены дополнительные параметры: цена (Cost), энергопотребление (Power), размеры (Size).

Уже имеются готовые разработки в этом направлении. При этом необходимо отметить, что все сделано только из кремния. На данный момент все это уже работает на частотах 10 ГГц и выше.
Инженеры Intel разработали устройства, которые способны автоматически переключаться между сетями с целью достижения, например, наибольшего быстродействия при наименьшей стоимости.
Однако разработчики Intel собираются воплощать эту технологию дальше, нежели просто радио. Планируется, что каждый кремниевый чип будет комплектоваться радио. Например, каждый чипсет и процессор. В дальнейшем радио будет в каждом устройстве. Это и есть реализация Radio Free Intel.

С увеличением количества устройств у любого пользователя накапливается слишком много проводов вокруг рабочего места. Радио — это то, что способно существенно уменьшить количество этих проводов.
Одновременно разрабатывается технология широкополосной передачи информации по радиоканалу (UWB — Ultra-Widwband). Это позволит передавать большие потоки информации и со временем заменит традиционные способы соединения компонентов, например, USB 2.0.

Sensor Network

Технологию представил Дэвид Гуллер (Dr. David Culler, Director, Intel Research, University of California at Berkeley). Он ведет направление, касающееся экстремальных сетей: очень маленький размер устройств и очень большие масштабы сети, а также их сложные конфигурации.

Новая технология позволяет распространять компьютеры и их соединение в пространстве. После анализа расположения в пространстве создается наиболее благоприятное соединение. При этом во внимание берется расстояние, энергопотребление и другие характеристики работы. Сеть сама адаптируется к возможным изменением параметров, динамически реконфигурируя себя целиком за очень маленькое время.

Примерно 100 устройств были установлены в зале для демонстрации работы. Затем в зал были запущены воздушные шары с аналогичными устройствами внутри. И аудитория, перебрасывая шары, могла наблюдать на центральном экране за изменениями, происходящими в структуре сети.

Области применения данного вида устройств чрезвычайно разнообразны. Это могут быть, например, датчики, предоставляющие информацию о растениях на плантациях, и т.д. Тем более что размеры можно уменьшить до 25-центовой монеты с соответствующим снижением цены.

Optical networks (Silicon Photonics)

Оптическая коммуникация устроена в самом общем случае следующим образом. Необходим источник света (лазер) и модулятор сигнала для отправки сигнала, а также фотофильтр и диод для получения сигнала. Такая система должна быть настроена на определенную длину волны. При такой архитектуре сравнительно легко можно достичь скорости примерно 50 Гбит/с.

Передача информации, осуществляемая с помощью света, выполняется обычно через волоконнооптический кабель. Основное преимущество такого кабеля заключается в том, что в настоящее время можно передавать свет на очень большие расстояния, практически, без существенных потерь в мощности сигнала. Еще одно достоинство заключается в возможности передачи сразу нескольких (десятков или даже сотен) сигналов с разными длинами волн через единственный оптоволоконный кабель. Для реализации этой возможности в составе таких систем передачи данных используются приемопередатчики, настраиваемые на определенные волны оптических сигналов.

При этом в настоящее время используются разные лазеры, излучение которых происходит на фиксированных частотах.
В системах следующего поколения используются уже однотипные лазеры, изменение частоты излучения которых осуществляется индивидуальной настройкой каждого из них.

Приведенные системы сравнительно сложны и дороги. Решением этих проблем является объединение большого числа комплектующих в одно простое устройство, построенное на небольшом числе микросхем. Это возможно благодаря современным кремниевым и другим достижениям, используемым в Silicon Photonics.
Преимущества этого метода — простота конструкции, дешевизна, а также легкая настройка, возможно, даже удаленная.

В качестве доказательства возможности реализации указанных планов средствами существующих технологий в процессе выступления Патрика Гелсингера были представлены примеры новейших устройств.

В настоящее время разработаны всевозможные устройства приема и передачи оптических сигналов, которые намного проще и в десятки, а иногда и в тысячи раз дешевле своих широко используемых аналогов.
В процессе доклада была представлена система из двух таких передатчиков и приемников, а также продемонстрирована возможность настройки системы.

Для этой цели было использовано специализированное GUI. За считанные секунды система была настроена. С существующими устройствами это занимает гораздо больше времени.

Широкое использование технологии Radio Free Intel, как рассчитывают ее разработчики, коренным образом изменят жизнь. Даже повседневные устройства приобретут новое значение, новые функциональные возможности.
Компьютеры будут контролировать различные бытовые устройства дома, предоставят возможность автоматического и полуавтоматического управления ими, включая даже дистанционный контроль, например, из автомобиля или офиса.
Уже в ближайшем будущем станет реальностью миниатюрный мобильный телефон, размеры которого не больше, чем, например, сережка. А радиомикрофон в виде пуговицы? Для такого микрофона не только размеры, но и стоимость будут соответствовать указанному атрибуту одежды.

Как пример реализации подобных разработок, можно представить себе «умную» ферму, в которой каждое растение будет оборудовано соответствующим сенсором. Каждое растение будет получать определенное удобрение и полив в тех размерах, в которых это необходимо для оптимизации его роста. Еще одним примером могут служить «умные» датчики контроля сердцебиения и температуры, которые при необходимости передадут информацию в компьютер или другим устройствам.
Цель специалистов, занимающихся разработкой новых технологий и изделий, предоставить все указанные возможности, реализация которых осуществляется в соответствии с законом Мура.

В статье были использованы материалы
IDF Spring 2002 и документы фирмы Intel.