Закон Мура и его влияние на микропроцессоры

Наверное, многие из вас задавали себе ряд вопросов: почему быстрые процессоры появляются только сегодня? Какие процессоры появятся завтра, и от чего это зависит? Почему современные процессоры сильно греются? В данной статье мы постараемся ответить на все эти вопросы и обрисовать некоторые перспективы. Процессоры — это сложные устройства, базирующиеся на транзисторах. Транзистор является мельчайшим вычислительным элементом, который можно сравнить с краном: если кран открыт, то вода льется, если закрыт — то нет. Используя комбинацию множества таких “кранов”, мы можем создавать сложные логические схемы. Современные процессоры состоят из миллионов транзисторов, в то время как первые модели насчитывали всего несколько тысяч (эволюцию процессоров вы можете проследить по соответствующей таблице). В 1965 году Гордон Мур , один из основателей компании Intel , публикует в журнале Electronics статью. Впоследствии эта статья стала легендарной, а сделанное в ней предположение получило название “закона Мура”. Следует отметить, что закон Мура является наблюдением — то есть когда-то он может перестать выполняться. Но вот уже почти 40 лет закон Мура работает. К сожалению, автор дал запутанную и длинную формулировку этого закона, поэтому мы перефразируем ее так: " каждые два года число транзисторов на процессорах, которые выгодно производить, удваивается ". Чтобы понять ее важность и разобраться в последствиях, давайте представим себя в роли производителя процессоров.

Фотография подложки, из которой вырезаются чипы.
Создаем свой процессор Чипы вырезаются из кремниевых подложек — круглых пластин, которые на современных заводах достигли диаметра 300 мм. В процессе производства на пластинах вытравляются транзисторы. Однако также возникают и дефекты — они на схематическом изображении подложки показаны желтыми точками. Процессоры с дефектными участками придется выкинуть. На нашем примере из подложки получается 16 процессоров. При этом 4 процессора пойдут в мусорное ведро, поэтому доля выхода годных чипов составляет 75%, а убытки за счет дефектных процессоров нам придется компенсировать повышением цены на оставшиеся 12 чипов. Как же сделать так, чтобы чипы стоили дешевле — чтобы наше производство было рентабельным? _Способ I _Улучшаем технологический процесс производства Когда производитель процессоров запускает новый завод, он указывает два параметра: диаметр подложки и размер элемента. Как вы понимаете, чем больше диаметр подложки, тем больше мы сможем получать из нее процессоров. Однако здесь есть ограничивающий фактор: число дефектов около края подложки выше, чем в центре. Совершенствование технологии подложек направлено на увеличение “благоприятной зоны” в центре. Как только производитель этого достигает, он может переходить на подложки большего диаметра. Так, процессоры для первого IBM PC (1981 г.) производились из 50-мм подложек, в то время как на современных заводах используются 300-мм подложки (Intel) и 200-мм (AMD). Под размером элемента понимают минимальный размер детали (транзистора), которую оборудование завода может вытравить на поверхности подложки. Так, под фразой “новые процессоры Prescott перешли на 0,09-мкм технологический процесс” следует понимать то, что размер минимального элемента завода по производству Prescott составляет 0,09 микрометра (миллионная часть метра). Процессоры первого IBM PC имели размер элемента 3 мкм, процессор Pentium — 0,8 мкм, а современные Pentium 4 — 0,09 мкм. Соответственно, чем меньше размер элемента, тем меньшую площадь будет занимать процессор и тем больше процессоров мы сможем получить из одной подложки. Итак, поднять эффективность производства можно с помощью увеличения диаметра подложки или уменьшения размера элемента — но и тот, и другой способы являются накладными, поскольку предусматривают полную замену оборудования на заводе. Есть ли еще варианты? _Способ II _Уменьшаем размер чипов Инженеры нашего завода создали микропроцессор, который будет состоять из 100 миллионов транзисторов. Так получилось, что на мощностях нашего завода из одной подложки можно вырезать 16 чипов по 120 миллионов транзисторов. То есть мы можем разместить весь процессор на одном чипе, который можно назвать “сложным”, поскольку он будет содержать большое число транзисторов. Но при этом процент выхода годных кристаллов составляет 75%. Мы знаем, что можно достичь лучших результатов.

Схематическое изображение подложки с 16-ю, 36-ю и 64-мя процессорами.
Давайте разобьем наш процессор на 4 отдельных чипа, по 25 миллионов транзисторов каждый. При этом из подложки можно вырезать 64 чипа, которые могут содержать до 30 миллионов транзисторов. По-прежнему дефектными оказываются 4 чипа, но доля выхода годных чипов возросла с 75% до 94% — значимое улучшение. Недостатком подобного дизайна будет вы

Переходим на 4 чипа.
сокая стоимость упаковки чипов — ведь нам нужно будет упаковать в один цельный процессор четыре чипа. Фактически, увеличение стоимости упаковки съедает весь тот выигрыш в стоимости, который мы получили, увеличив долю выхода годных кристаллов с 75% до 94%. Существует ли здесь “золотая середина”? Предположим, что наши инженеры ее нашли: если мы будем получать с одной пластины 36 чипов по 53 миллиона транзисторов. Тогда мы можем сделать наш процессор двухчиповым, по 50 миллионов транзисторов в каждом чипе. При этом уровень выхода годных кристаллов составит 89% — лучше, чем в случае с 16 чипами, но хуже, чем при получении 64 чипов. Кстати, процессоры Pentium II и Pentium III состояли не из одного чипа — у них был внешний кэш L2. Тогда процессор вместе с кэшем упаковывались в отдельный картридж.

Переходим на 2 чипа.
Подведем итог: при данной плотности расположения дефектов на пластине оптимальное число транзисторов, при котором достигается минимальная себестоимость производства кристаллов, составляет 53 миллиона транзисторов на процессор. Это число и фигурирует в законе Мура. Как предсказывал Гордон Мур в своей статье, оптимальное число транзисторов будет удваиваться каждые два года. Оптимальное число транзисторов зависит от следующих факторов (в порядке уменьшения влияния): 1. размер элемента; 2. диаметр подложки; 3. среднее число дефектов на квадратный сантиметр; 4. затраты на упаковку чипов. Закон Мура очень важен, поскольку он описывает многие события в мире процессоров. К тому же из закона Мура выводятся интересные следствия. Следствия закона Мура Для лучшего визуального представления разделим каждый процессор, в свою очередь, на блоки. За основу возьмем наш процессор в 100 миллионов транзисторов и разделим его на 36 блоков. При этом каждый участок будет состоять примерно из 3 миллионов транзисторов.

Разбиваем кристалл процессора на блоки.
Увеличиваем функциональность Продолжая пример, приведенный выше, мы построили второй завод, который имеет ту же плотность дефектов и размер подложки, однако мы смогли значительно снизить размер транзистора, увеличив плотность расположения транзисторов в 2 раза. Если взять пример оптимального разбиения подложки на 36 кристаллов, то тогда каждый кристалл сможет вмещать 106 миллионов транзисторов — то есть наш процессор со 100 миллионами транзисторов теперь легко поместится на один кристалл, и теперь мы будем изготавливать процессор из одного чипа, экономя на упаковке. Если обратиться к истории, то процессоры Intel Pentium III сначала изготавливались в многочиповом варианте, с внешним кэшем 512 Кбайт (ядро Katmai ), а затем появились одночиповые варианты Pentium III с кэшем 256 Кбайт на кристалле процессора (ядро Coppermine ). Но не будем на этом останавливаться. Построим третий завод, у которого размер элемента еще меньше. Поскольку наш процессор уже полностью входит на кристалл, можно расширить его возможности, увеличив функциональность. Так произошло при переходе от 386 процессора к 486 : тогда на кристалл был добавлен сопроцессор для работы с плавающ

Уменьшение размера элемента позволяет на той же пло- щади крис- талла добав- лять функци- ональные блоки.
ей запятой, до этого существующий в виде отдельного чипа. Затем на кристалле процессора появился кэш сначала первого (486), а затем и второго и третьего уровней. С переходом ядра Willamette Pentium 4 на Northwood мы стали свидетелями увеличения на кристалле процессора кэша второго уровня. Опять же, недавно вышедший Prescott с 0,09-мкм технологическим процессом вновь получил увеличение кэша L2 до 1 Мб. Добавление новых функций (сопроцессор, кэш и т.д.) непосредственно на кристалл процессора позволило ощутимо увеличить его производительность, не говоря о снижении затрат на упаковку. Так что закон Мура действительно можно связать с вычислительной мощностью. Уменьшаем размер кристалла При переходе на меньший размер элемента вместо добавления новых функций на кристалл процессора мы можем оставить все как есть и просто уменьшить площадь ядра. Обратите внимание на два столбца слева. Первый показывает импульсы тактовой частоты (мегагерцы), второй — тепловыделение (ватты). Уменьшение площади кристалла дает очень хороший эффект: снижение тепловыделения (немало этому помогает и то, что переход на меньший размер элементов позволяет понизить напряжение питания). В результате процессор будет меньше греться, кулер будет работать с меньшими оборотами вентилятора — то есть тише. Тепловыделение также связано с тактовой частотой процессора. Как знают любители разгона, повышение тактовой частоты приводит к увеличению выделяемого тепла. Чтобы уменьшить размер кристалла чипа, не снижая тепловыделение, можно поднять тактовую частоту так, чтобы количество выделяемого тепла осталось прежним. Подведем итог. Снижение размера элемента дает нам две возможности: одна —добавить новые функции на кристалл, а вторая — уменьшить размер кристалла, в то же время сохраняя прежний набор функций. Что интересно, вторая возможность распадается **

**
Уменьшаем размер кристалла.
еще на два варианта: увеличение тактовой частоты процессора — с повышением тепловыделения, сохранение тактовой частоты на прежнем уровне — со снижением тепловыделения. Практические выводы Итак, мы представили работу завода по производству процессоров. Но как работают настоящие заводы? Выполняется ли в реальности закон Мура вместе со следствиями из него? На самом деле размер кристалла процессора с 1970 года рос со скоростью примерно 7% в год (несмотря на уменьшение размера транзисторов). Связано это с тем, что при выборе между добавлением новых функций на чип или уменьшением его размера и тепловыделения разработчики процессоров чаще всего выбирали первое. На определенных линейках процессоров, типа Pentium III или G4 , к примеру, уменьшение размера элемента часто приводило к уменьшению тепловыделения. Но когда разработчики процессоров принимались за продукт следующего поколения (например, Pentium 4), они с самого начала думали не о ваттах, а о производительности. А повышение производительности всегда означало нахождение способа использования возросшего числа транзисторов — а не их отсечение в угоду уменьшению площади. С новым дизайном процессоров часто случается ситуация, когда инженеры пытаются добавить так много функций на чип, что размер ядра значительно возрастает, несмотря на уменьшение размера элемента. К примеру, при разработке Pentium 4 планировалось сразу же оснастить процессор очень большим кэшем. Но 0,18-мкм технология не позволила это сделать — чип получался слишком крупным и дорогим. Поэтому первый Pentium 4 вышел с кэшем L2 в 256 Кбайт. Тактовые частоты процессоров за последние два десятилетия выросли на несколько порядков. Если раньше процессоры работали на частоте 5-10 МГц ( 8086 ), то к концу 2004 года частота вырастет в сотни раз — до 4 ГГц (Pentium 4). Рост тактовых частот, опять же, приводил к увеличению тепловыделения. Кстати, тактовые частоты тоже удваиваются в среднем за два года — аналогично числу транзисторов в законе Мура. Практический итог таков — увеличивается площадь кристаллов, повышается тактовая частота. Поэтому повышается и тепловыделение. Если раньше процессоры работали вообще без кулеров, то сегодня кулер просто необходим — без него процессор сгорит (или, в лучшем случае, откажется работать).

Уменьшаем размер кристалла и при этом увеличиваем тактовую частоту.
Будущее закона Мура Компания Intel заявляет о том, что закон Мура должен выполняться до 2010 года. Про дальнейшее его развитие говорить пока рано. Попытаемся спрогнозировать, к каким последствиям приведет дальнейшее выполнение закона Мура. Первое последствие заключается в высоком тепловыделении. К сожалению, тепловыделение нельзя увеличивать бесконечно. В какой-то момент потребуется еще более сильное охлаждение (водяное или компрессорное). Эффективное охлаждение — настоящая “головная боль” современной индустрии. А производители чипов пытаются найти различные подходы, направленные на снижение тепловыделения своих продуктов. Возможно, процессор будет разбит на несколько частей — либо все большую популярность будут приобретать двухпроцессорные системы. Следствием закона Мура является непрерывное повышение производительности. Однако многие пользователи замечают, что для большинства задач хватило бы и Pentium III 1 ГГц. Поэтому Intel сегодня тратит немало усилий на популяризацию новых задач, которые могли бы в полной мере нагрузить новые мощные процессоры. Яркий пример таких задач — компьютерные игры. Возможно, в недалеком будущем мы столкнемся с ситуацией, когда игры станут “продавать” процессоры, а не только графические ускорители. Возможно, станут очень популярны распределенные вычисления. Вместо монструозного центрального процессора на 500 миллионов транзисторов будет лучше, к примеру, распределить эти транзисторы между настольным компьютером, ноутбуком, КПК и другими типами устройств. Более того, все эти 500 миллионов транзисторов должны быть максимально дешевыми и потреблять минимум энергии. Это близко к оригинальному видению Мура — дешевым и повсеместным вычислениям. Третье следствие — проблемы, связанные со смешением различных типов цепей на одном кристалле. Мобильные компьютеры требуют, чтобы на один кристалл были интегрированы все функции, включая память, процессор и множество вариантов беспроводной связи. Некоторые производители решают проблему “в лоб”, стараясь интегрировать их на кристалл любым способом, другие же пытаются найти новые технологии упаковки, которые позволят комбинировать множество чипов с множеством функций в одном модуле. __ Эволюция процессоров и закон Мура Процессор

Год выхода

Размер элемента

Тепловыделение

Число транзисторов

Intel Pentium

1993

0,8 мкм

10-15 Вт

3,3 млн.

Intel Pentium MMX

1996

0,35 мкм

13-17 Вт

4,5 млн.

Intel Pentium II

1997

0,35 мкм

16-43 Вт

7,5 млн. + 37,2 млн.

Intel Pentium III

1999

0,25 мкм

25-35 Вт

9,5 млн. + 37,2 млн.

Intel Pentium 4

2000

0,18 мкм

48-71 Вт

42 млн.

Intel Pentium 4 (Prescott)

2004

0,09 мкм

До 103 Вт

125 млн.

AMD Athlon (Thunderbird)

2000

0,18 мкм

38-71 Вт

37 млн.

AMD Athlon XP (Barton)

2003

0,13 мкм

68-77 Вт

54,3 млн.

AMD Athlon 64

2003

0,13 мкм

До 89 Вт

105,9 млн.