Velmi dlouhá ruka Moorova zákona

Ačkoli se stále objevují spekulace o brzkém skončení platnosti Moorova zákona, nedávno dosažené pokroky při vývoji...


Ačkoli se stále objevují spekulace o brzkém skončení platnosti Moorova zákona,
nedávno dosažené pokroky při vývoji procesorů dávají tušit, že se exponenciální
nárůst jejich výkonu udrží přinejmenším ještě v dalším desetiletí.
V roce 1965 si jeden inženýr ve společnosti Fairchild Semiconductor všiml, že
se počet tranzistorů na jednom čipu integrovaného obvodu každých 18 až 24
měsíců přibližně zdvojnásobí. Ten inženýr se jmenoval Gordon Moore a jeho
objev, který je znám jako Moorův zákon, znamená, že při konstantních nákladech
na výrobu jednoho mikroprocesoru se jeho výkon přibližně zdvojnásobí také
každých 18 až 24 měsíců. A to je pro uživatele počítačů velmi příjemné.
Moorův zákon tu platí více než 30 let. Fungoval v roce 1969, když společnost
Intel svůj první procesorový čip ten byl tehdy čtyřbitový a pracoval na 104 kHz
zabudovala do japonské kalkulačky. A platí i teď pro 32bitový, 450MHz procesor
Pentium II firmy Intel, který obsahuje 7,5 milionů tranzistorů na jednom čipu a
je 233 000krát rychlejší než procesor 4004 se svými 2 300 tranzistory.
A co bude dál?
Společnost Intel tvrdí, že v roce 2001 uvede na trh čip se 100 miliony
tranzistorů a dokonce s jednou miliardou tranzistorů a výkonem 100 000 MIPS v
roce 2011.
Ačkoliv pozorovatelé po desetiletí prohlašovali, že exponenciální nárůst výkonu
procesorů se zpomalí během několika málo let, odborníci dnes většinou souhlasí
s tím, že se technický rozvoj bude dále řídit Moorovým zákonem. Přinejmenším v
dalších deseti letech. Nicméně, tento zákon je konfrontován s jinými dvěma
nepřehlédnutelnými kategoriemi zákonů: fyzikálními a ekonomickými.
Spolu s tím, jak roste hustota elektronických obvodů na křemíkové destičce,
exponenciálně narůstá i obtížnost spousty dalších operací. Ve výhledu sdružení
výrobců polovodičové techniky Semiconductor Industry Association (SIA) se uvádí
řada stěžejních problémů, které bude třeba vyřešit, pokud se mají rozměry
jednotlivých prvků na polovodičovém čipu zmenšit z dnešních 250 nm na 100
nanometrů v roce 2006. Stovka nanometrů se zdá být zvláště obtížně
překonatelnou překážkou, protože běžné výrobní technologie s tím, jak se
velikost čipu těmto rozměrům přibližuje, začínají selhávat.
A neznamená to, že se jen prostě budou vyrábět čipy, které budou složitější jak
už poznala společnost Intel v roce 1994, když celkem bezvýznamná chyba v jeho
tehdy novém procesoru Pentium vyvolala bouři špatné publicity, která společnost
přišla na 475 milionů dolarů.
Testování čipů
Současné čipy jsou tak složité, že je prakticky nemožné vyčerpávajícím způsobem
otestovat jejich kvalitu. Výrobci čipů stále častěji spoléhají na neúplné testy
kombinované se statistickou analýzou. Stejné metody se používají i pro
testování velmi složitého softwaru, jakým jsou například operační systémy ale
ať je to jakkoliv, uživatelé, kteří jsou k softwarovým chybám celkem
tolerantní, se s chybami v hardwaru nesmíří.
Při současné rychlosti rozvoje testovacího zařízení lze očekávat, že se podíl
dobrých čipů při výrobě sníží ze současných 90 % na nepřijatelných 52 % v roce
2012. V tom případě bude dražší čipy testovat, než je vyrábět, říká se v
prognóze asociace SIA.
Výrobci čipů spěchají s vylepšováním testovacího zařízení a jsou extrémně
neochotní se o těchto otázkách, o kterých vědí, že jsou pro jejich budoucí
konkurenceschopnost kritické, vůbec bavit.
I když cena čipu přepočtená na jeden tranzistor nebo na jednotku výkonu stále
klesá, zastírá pro výrobce krutou realitu: výrobní linka dnes stojí kolem dvou
miliard dolarů a očekává se, že jakmile se velikost prvků obvodů zmenší pod 100
nanometrů, cena vzroste na deset miliard což je víc než dnes stojí jaderná
elektrárna.
Skutečně, technický pokrok se může při nedostatku kapitálu dokonce i zpomalit,
říká James T. Clemens, vedoucí výzkumu obvodů velmi vysoké integrace v Bell
Laboratories v Murray Hill v New Jersey, které jsou výzkumnou a vývojovou
základnou společnosti Lucent Technologies, Inc. A pokračuje: "Sociální a
ekonomická stránka problému, a ne jen technická, může významnou měrou omezit
širší využití rozvinuté sub-stonanometrové technologie integrovaných obvodů."
Jako analogii Clemens uvádí letecký průmysl, kde se sice ví, jak běžně
přepravovat pasažéry rychlostí vyšší než rychlost zvuku, ale z finančních
důvodů a pro přílišnou komplikovanost se tak neděje.
"Finanční náklady znepokojují spoustu lidí," říká John Shen, profesor
elektrotechniky a počítačového inženýrství na Carnegie Mellon University v
Pittsburghu. "Je k vidění stále více a více společností, které se dostávají do
finančních obtíží."
Cesty pro Liliputy
Tranzistory se leptají do silikonové podložky pomocí optické litografie, což je
proces, při němž ultrafialové světlo prochází přes masku a kopíruje tak obraz
vodivých cest na fotochemicky citlivý povrch. Běžné techniky, které pracují s
rozlišením 250 nanometrů, bude možno pravděpodobně zdokonalit a docílit tak
vodivé cesty široké pouhých 130 nanometrů, což odpovídá šířce čtyř set v řadě
stojících atomů a je tisíckrát tenčí než lidský vlas.
Ale při rozměrech pod 100 nanometrů, kde je vlnová délka světla větší než
velikost nejmenších rozměrů, budou zapotřebí zcela nové metody.
Konsorcium firem v čele se společností Intel pracuje na vývoji litografického
procesu ve vzdálené ultrafialové oblasti, kde se využívá jako zdroje světla
výbojky plněné vzácným plynem xenonem, které vyzařují světlo s vlnovou délkou
až 10 nanometrů. Přístup, který zvolila firma IBM, zase dává přednost
rentgenovému záření s vlnovou délkou 5 nanometrů. Současně společnost Lucent
vyvíjí litografickou metodu, která používá paprsek elektronů. Tyto i další
alternativy jsou ale velmi složité, nákladné a dosud nevyzkoušené.
Okolí procesoru
Pokračující růst maximální rychlosti procesoru bude vyžadovat dokonalejší
způsoby návrhu a výroby čipů, ale největší překážky na cestě k vyššímu výkonu
se nacházejí mimo procesor samotný: v základní desce a ve způsobu, jakým je čip
propojen s vyrovnávací pamětí (cache), grafickými porty a dalšími prvky.
"Neumíme dosud navrhovat a vyrábět ostatní komponenty tak, aby dokázaly držet
krok s rychlým růstem taktovací frekvence procesoru," upozorňuje Bruce Shriver,
konzultant z Ossiningu ve státě New York, který je zároveň profesorem
počítačových věd v Norsku. "Pokud se vývoj a zavádění nových technologií v
těchto oblastech neurychlí, stanou se kritickým omezujícím faktorem."
Ale Alber Yu, hlavní manažer Microprocessor Products Group ve firmě Intel říká,
že se Shriver znepokojuje "pouze dočasným problémem". "Stále častěji se
komponenty, které jsou dosud umístěny mimo čip procesoru, stávají jeho
součástí, a tím mohou pracovat na stejně vysokých frekvencích jako procesor
samotný a nevyžadují žádnou propojovací sběrnici," dodává.
Vylepšení procesorů
Během uplynulých několika měsíců vyšla z výzkumných laboratoří ve Spojených
státech řada slibných prohlášení: Minulý rok začala dodávat firma IBM 400MHz
čipy PowerPC, které používají měděné vodiče místo běžných vodivých cest z
hliníku, které sice tak dobré nejsou, ale zato se snadněji vyrábějí. Jak se
rozměry obvodů zmenšují, výhody měděných vodičů převažují nad jejich cenou.
Firma IBM koncem minulého roku také vyhlásila, že by mohla zvýšit spínací
rychlost tranzistoru o 25 až 35 % tím, že přidá izolační vrstvu oxidu
křemičitého nazvanou "silicon-on-insulator" (křemík na izolantu) mezi
tranzistor a jeho křemíkový podklad. Vylepšení technologie, které přináší
pokles zkreslení a spotřeby proudu, by mohlo dále posunout rozměry struktury
čipu až k 50 nanometrům, tvrdí firma IBM.
Vloni v únoru přenesla výzkumná skupina diplomantů na univerzitě v Texasu,
která spolupracuje s průmyslovým konsorciem Sematech, na polovodičovou destičku
strukturu s rozlišením 80 nanometrů. To je jedna třetina současných rozměrů. Je
pozoruhodné, že této miniaturizace bylo dosaženo za použití běžného světla ze
vzdálené ultrafialové spektrální oblasti. Pokroku bylo dosaženo díky speciální
leptané křemíkové masce vyvinuté firmou DuPont Photomasks, z texaského města
Round Rock.
Jak to dopadne...
Nic z toho, co jsme zde uvedli, nepředstavuje ten zásadní průlom, který zaručí
platnost Moorova zákona i v dalším desetiletí. Ale ukazuje to na některé
pokroky, které by mohly prorazit bariéru, o níž se obvykle říká, že se přes ni
platnost Moorova zákona nedostane.
Jak říká profesor Shen z Carnegie Mellon University: "Pořád dokola tvrdíme, že
tady nějaká bariéra je, ale když se k ní dostaneme blíže, buď se rozplyne nebo
se posune o něco dál."
8 2730 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.