Вычислительных машин

Проблемы и перспективы развития элементной базы

Согласно /10/, одним из главных факторов достижения высокой производительности вычислительных машин является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений вычислительных машин в значительной степени связана с переходом на новые поколения элементной базы (от зубчатого колеса и электромеханического реле до интегральных схем /2, 5, 6/).

Подавляющее большинство устройств современных вычислительных машин и систем реализуются на базе полупроводниковых технологий в виде больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС, соответственно). Повышение производительности вычислительных машин и систем, прежде всего, связано с увеличением числа элементов на кристалле БИС или СБИС. Решение этой задачи средствами традиционных технологий возможно либо путём увеличения размеров кристалла, либо за счёт уменьшения площади, занимаемой простейшим элементом, с одновременным увеличением плотности упаковки этих элементов на кристалле /6, 10/.

Одним из направлений увеличения числа элементов на кристалле является увеличение размеров самого кристалла, в частности, диаметра его подложки. Например, увеличение её диаметра на 10% позволяет до 60% увеличить прирост числа элементов на кристалле. Однако увеличение размера подложки приводит к ухудшению однородности её свойств, что приводит к техническим сложностям при изготовлении подложки. Переход на подложки увеличенного диаметра происходит в среднем каждые 9 лет, но, очевидно, что бесконечно увеличивать размеры кристалла невозможно и нецелесообразно.

Увеличение числа элементов на кристалле достигается также за счёт уменьшения размеров самих элементов и уменьшения размеров проводников, соединяющих элементы между собой. Создание интегральных микросхем выполняется по технологии литографии. Согласно этой технологии сначала формируется маска, определяющая структуру будущей микросхемы. Затем маска накладывается на полупроводниковую пластину. После этого пластина облучается, в результате чего и образуется микросхема. Уменьшение размеров элементов на кристалле напрямую зависит от типа литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, что позволяло реализовывать кристаллы с топологическим размером (размер элемента) 0,5 – 0,35 мкм. Дальнейшие достижения в микроэлектронике связываются с лазерной, ионной и рентгеновской литографией, что позволяет выйти на размеры элементов 0,25 – 0,08 мкм. (Для сравнения толщина человеческого волоса составляет 100 мкм). Такие высокие технологии сопровождаются следующими проблемами.

1) Микроскопические размеры элементов требуют высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых» помещениях.

2) Уменьшение размеров микросхем и повышение уровня их интеграции приводит к дилемме между потребляемой и рассеиваемой мощностью кристалла. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объёмы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны изменяться и значения мощностей, иначе схемы будут перегреваться и выходить из строя. Таким образом, создание СБИС и ультра-СБИС связано со снижением тактовой частоты работы схемы.

Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счёт архитектурных решений, либо за счёт новых принципов построения и работы микросхем. Поскольку микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в вычислительных машинах будущих поколений их целесообразно объединять в системы. Несколько СБИС должны работать параллельно, а координацию работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные интегральные схемы (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Примечание. Рассеиваемая мощность кристалла является величиной постоянной. Увеличение числа элементов на кристалле приводит к уменьшению мощности каждого из них и, как следствие, к снижению быстродействия. Для его увеличения необходимо уменьшать степень интеграции элементов на кристалле. Таким образом, СБИС не могут обладать высоким быстродействием, а ССИС – высокой степенью интеграции.

Масштабные исследования проводятся также в области явления сверхпроводимости и туннельного эффекта /10/.

Согласно /11/, помимо архитектурных изменений для повышения производительности вычислительных машин используются новые алгоритмы их работы. Например, для повышения скорости вычислений всё больше применяются процессоры видеокарт. Используя специальное программное обеспечение, можно перенаправить основную вычислительную нагрузку с центрального процессора на графический.

Следует отметить, что главную роль в работе традиционных вычислительных машин играют электроны. Именно они формируют информацию, с которой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика (в радиоаппаратуре скорость электронов колеблется от долей миллиметра до нескольких десятков тысяч километров в секунду). И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе становится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности вычислительных машин /11/.

Таким образом, даже с учётом названных выше направлений повышения производительности, традиционные кремниевые компьютеры, в конечном итоге, не смогут справляться с постоянно усложняющимися задачами. Это требует поиска принципиально новых технологий построения вычислительных машин. В соответствии с /11, 12/, на сегодняшний день активно ведутся исследования и эксперименты по разработке оптических квантовых компьютеров, а также компьютеров на основе молекул ДНК.

1) В основе оптических вычислительных машин лежит оптический процессор, операции в котором выполняются за счёт манипуляции потоков света. Основное преимущество таких компьютеров заключается в том, что более высокая скорость (по сравнению с электронами) и способность световых потоков параллельно распространяться в пространстве даёт широкие возможности в организации связей и создании параллельных архитектур. Это позволило бы ускорить быстродействие вычислительных машин. Ведутся работы по использованию световых элементов в качестве средств связи между узлами компьютеров, между ядрами традиционных многоядерных процессоров. Также световые элементы применяются для создания оптических ядер процессоров, в которых входная и выходная информация представляются в электронном виде, а вычисления производятся с помощью потоков света. На сегодняшний день существуют прототипы оптических процессоров. Отсутствие полноценных оптических компьютеров объясняется очень высокой стоимостью их создания и низкой интегрируемостью их компонентов. Наработанный опыт позволяет говорить о том, что в будущем оптические технологии займут достойное место в производстве вычислительных машин.

2) Работа квантовой вычислительной машины основана на законах квантовой механики, согласно которым, энергия атома может принимать определённый (дискретный) ряд значений – уровней энергии. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит порциями – квантами или фотонами. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий осуществляется при поглощении фотона. При излучении фотона выполняется обратный переход вниз. Этими переходами можно управлять путём воздействия электромагнитного поля от атомного молекулярного генератора. Основным блоком квантового компьютера является кубит (квантовый бит)- квантовый объект, который, в отличие от классического бита, может иметь большое число состояний. Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит следующим образом: берётся система кубитов, на которую записывается начальное состояние; затем состояние системы изменяется посредством квантовых операций; в конце измеряется значение, которое и является результатом работы вычислительной машины. Одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, что обеспечивает беспрецедентный уровень параллелизма вычислений, а, следовательно, высокую производительность. Основные проблемы, связанные с созданием и производством квантовых компьютеров, сводятся к следующему:

- необходимо обеспечить высокую точность измерений состояний кубитов (вследствие принципа неопределённости, значение кубита может быть измерено только с определённой вероятностью);

- внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

В настоящее время идеи квантовой механики применяются в области криптографии. В Швейцарии действует квантовая сеть протяжённостью 100 км (связывает Женеву и Цюрих). В ноябре 2009 года в Национальном институте стандартов и технологий США удалось создать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубитов. Таким образом, не смотря на имеющиеся проблемы, кантовые вычислительные машины представляют огромный интерес для разработчиков и многих учёных.

3) В основе молекулярных вычислительных машин лежат бистабильные молекулы, которые могут находиться в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое состояние характеризуется своими физическими и химическими свойствами. Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических реагентов, электрических и магнитных полей. Фактически, такие молекулы представляют собой транзисторы размером в несколько нанометров. Это даёт возможность значительно увеличить число элементов на единице площади кристалла, а, следовательно, производительность компьютеров. Другим достоинством молекул является малое время отклика (порядка фемтосекунд, 10^-15 секунд). В результате эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем кремниевого. Основная проблема молекулярных вычислительных машин заключается в обеспечении устойчивости сложных структур молекул. Сейчас создаются различные варианты основных составляющих молекулярного компьютера: переключателей, памяти, соединительных проводов. По оценкам учёных, полностью молекулярные компьютеры появятся к 2020-2030 годам.

4) ДНК- компьютеры также основаны на молекулах – молекулах ДНК. В этих вычислительных машинах роль логических вентилей играют группы цепочек ДНК, которые образуют друг с другом прочные соединения. Возможность размещения в небольшом объёме огромного числа вычислительных модулей позволяет получить скорость вычислений порядка миллиарда операций в секунду. Ещё одним достоинством ДНК- компьютеров является работоспособность внутри человека. Также они позволяют моментально производить идентификацию заболеваний в организме. Существующие на сегодняшний день варианты моделей ДНК- компьютеров позволяют решать пока самые простые задачи. Основным недостатком таких компьютеров является неопределённость, насколько полезными или вредными окажутся они для человечества. По мнению учёных, создание полноценных ДНК- компьютеров возможно в далёкой перспективе.

Таким образом, в соответствии с /10/, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники ещё не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для вычислительных машин в ближайшей перспективе будут СБИС совместно с ССИС.