 |
В 1965 году некий журнал, посвященный проблемам развития электроники, попросил одного из основателей компании Intel, Гордона Мура, поделиться своим прогнозом относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. В то время максимальное количество транзисторов, интегрированных на микросхемах, не превышало 30, но в лаборатории Intel уже имелись опытные образцы с 60 транзисторами, и вскоре они должны были поступить в продажу. Как вспоминает сам Гордон Мур, тогда он достаточно "слепо", руководствуясь приблизительными расчетами и интуицией, предсказал, что в течение последующих 10 лет будет происходить ежегодное удвоение количества интегрированных на полупроводниковом кристалле транзисторов, так что к концу десятилетия их количество на чипе должно было достичь 60 тысяч. Как известно, это предсказание сбылось и получило эмпирическое продолжение, а со временем приобрело форму закона, именуемого законом Мура.
Но известно и то, что всему есть предел. Последние годы все громче звучит хор скептиков, пророчащих скорое забвение закону Мура. Действительно: не может же транзистор в своих размерах уменьшаться беспредельно, есть же какие-то физические границы - размер атома, например. И раз уж скорость автомобилей и самолетов не может увеличиваться безгранично, и спортивные результаты не могут расти беспредельно, то логично предположить, что и возможностям компьютерных чипов существует предел...
Однако в том-то и состоит величие и могущество человеческой мысли, что ее нельзя ограничить. "Пока мы видим только верхушку айсберга, - говорит главный исполнительный директор корпорации Intel Крейг Барретт, имея в виду возможности процессоров. - В дальнейшем мы станем свидетелями настоящего взрывообразного развития полупроводниковой индустрии, которое привнесет и продемонстрирует новые ценности, породит новые приложения и предоставит пользователям новые, еще более грандиозные возможности. Наша задача - инициировать этот взрыв".
"Второе дыхание" закона Мура
На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер развил эту мысль: "Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области".
Первоначально закон Мура был простым наблюдением за тем, как развивается индустрия микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Однако через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет.
"Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура? Сколько мы еще сможем пользоваться его плодами? В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами уже стояла задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она нам казалась недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующей четверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли", - говорит П. Гелсингер.
Итак, как считают в корпорации Intel, в обозримой перспективе закон Мура продолжит действовать. Для этого специалистам Intel предстоит совершить не один научный прорыв в различных технологических областях.
Один из них связан с разработкой терагерцового транзистора Intel. Это ключевой проект корпорации, направленный на создание невероятно крошечных "переключателей", которые меньше и быстрее ныне существующих. В основе терагерцового транзистора лежат несколько совершенно новых технологий. Первая - это новый диэлектрический материал с гораздо более высокими изолирующими свойствами, вторая - это высоко очищенные затворы, с помощью которых снижается ток утечки.
Еще один прорыв - новая технология "упаковки" транзисторных элементов на кристалле процессора (напомню, что самый быстродействующий на сегодня процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 2,53 ГГц содержит 55 млн транзисторов, размещенных на кристалле, площадь которого меньше пятирублевой монеты). Новая технология BBUL (bumples buildup layer) не только в несколько раз уменьшает размеры "упакованного" микропроцессора, но и существенно улучшает его индуктивные свойства. Эта технология начнет активно применяться во второй половине текущего десятилетия.
Не менее существенный прорыв сделан и в области литографии. Литография - это процесс, при помощи которого лазер своим световым пучком выжигает на пластине проводники для будущего процессора. При этом луч надо очень точно сфокусировать. Скажем, добиться технологической нормы производства микросхем, равной 70 нанометрам, так же непросто, как нарисовать на поверхности Земли кружок диаметром с монету, находясь на орбите в космическом корабле.
Проводники в процессорах становятся все тоньше и тоньше, и, чтобы точно "вырезать" тонкие проводники, длина волны луча света должна быть в несколько раз меньше ширины проводника. Стало быть, длина волны света постепенно "уходит" из видимого диапазона и перемещается в диапазон более коротких ультрафиолетовых волн. Здесь главная сложность заключается в том, что ультрафиолетовый свет поглощается стеклом, и никакие линзы и призмы для его точной фокусировки уже не годятся, необходимы совершенно новые техника и технологии.
Компания Intel предвидела такое развитие событий. Около пяти лет назад при ее деятельном участии был создан специальный консорциум по ультрафиолетовым технологиям, и уже в этом году консорциум продемонстрировал первую установку для фокусировки ультрафиолетовых лучей на основе зеркал. Система планируется к промышленному внедрению во второй половине десятилетия, и Intel стала первой компанией в компьютерной индустрии, заявившей недавно о намерении применить эту установку в производстве.
В первые десять лет существования закона Мура главной проблемой для специалистов было осознание закономерностей: конструкторы Intel двигались от "магии полупроводников" к научному знанию. В следующие 10 лет главной заботой была организация промышленного производства и снижение себестоимости изделий. Грядущие 10 лет придется бороться, в основном, с законами физики - а именно, с тепловыделением.
В соответствии с законом Мура, в 2010 году следует ожидать появления микропроцессора с тактовой частотой 30 ГГц и размером проводников 10 нанометров или меньше. Но, как следует из законов физики, чем больше транзисторов в процессоре, чем больше он совершает операций, тем бoльшие токи там текут, а где токи, там возникает и сопротивление и, следовательно, выделение тепла (вспомните, как накаляется в процессе свечения электрическая лампочка - не прикоснешься!). При этом величина выделяемого тепла растет в квадрате с увеличением тока. С 1970 г. по 1990 г. плотность выделяемой мощности, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр, оставалась в пределах нескольких единиц, а к 2000 г. достигла 10. Если выстроить прогнозную кривую до 2010 года, то в 2003-2004 гг. этот показатель должен достичь 100 (что соответствует энерговыделению в ядерном реакторе), к 2008 г. - 1000 (примерно как в соплах ракеты), а после 2010 г. - 10000 (лишь немного холоднее, чем на поверхности Солнца). Как вам такая перспектива?..
Тем не менее с помощью своих уникальных разработок - таких, как технология Hyper-Threading и терагерцовые транзисторы, а также специальные высокоскоростные цепи с низким энерговыделением - инженеры Intel расчитывают справиться и с этой проблемой.
Распространение закона Мура
Но самое интересное заключается в том, что Intel своей практической деятельностью не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры, согласно представлениям специалистов Intel о дальнейшем развитии цифровой индустрии, становятся буквально вездесущими, а достижения высоких технологий - максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными нишами Intel предлагает использовать их и в абсолютно новых сферах. Речь идет о беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также оптических технологиях.
Беспроводные технологии Intel развивает под лозунгом Radio Free Intel. Суть этой концепции состоит в том, что технологии беспроводной передачи данных становятся настолько универсальными и недорогими, что их вполне можно интегрировать практически во все электронные устройства. Для реализации этого плана в Intel разработано множество технологий. Упомянем лишь некоторые из них.
Первая - это МЭМС (микро-электромеханические системы). Искушенные в высоких технологиях читатели наверняка знают об этих крошечных устройствах самого разного назначения по публикациям в научных и научно-популярных изданиях. Корпорация Intel планирует использовать их в качестве основы для создания интегрированных микро-радиоэлементов, выполняющих функцию транзистора и одновременно генерирующих радиоимпульс (размер зазора, достигнутый в подобных элементах, составляет всего 0,014 микрона). Изготавливаться МЭМС-устройства будут в процессе литографии на большой кремниевой пластине, внешне напоминающей подложки для изготовления микропроцессоров. Таким образом, материалом для крочешных "комбинированных" элементов является все тот же кремний, что лишний раз напоминает об удивительных и еще далеко не полностью раскрытых возможностях этого вещества.
Интегрированная на кремниевом кристалле радиоэлектронная система способна обеспечить работу устройства в режиме "интеллектуального роуминга", то есть способность устройства автоматически определять наличие какой-либо сети и "бесшовно" переходить на работу в ней. Скажем, пользователь компьютера может работать на своем ноутбуке в "проводной" сети в офисе, затем переместиться в переговорную комнату и автоматически переключиться на беспроводную локальную сеть, потом вообще покинуть здание и подключиться к сети сотовой связи местного оператора. Сегодня разработчики Intel активно работают над тем, чтобы сделать "Радио Intel" абсолютно защищенным с точки зрения информационной безопасности и разместить на единой карте все необходимые устройства, которые обеспечивают совместимость со всеми типами беспроводных систем. В недалеком будущем десятки миллиардов цифровых устройств, совсем крошечных, сравнительно дешевых, с минимальным энергопотреблением, смогут "общаться" друг с другом благодаря "интеллектуальному роумингу" и "Радио Intel".
Другая сфера, на которую Intel планирует распространить действие закона Мура, - это сенсорные сети. Сенсоры - устройства, сочетающие в себе сразу три функции: измерительную, вычислительную и коммуникационную. Будучи рассеянными на достаточно большой площади, они могут находиться в "спящем" состоянии и не потреблять энергии, если в них нет нужды. Когда же они оказываются востребованы, сенсоры "просыпаются", самооорганизуются оптимальным образом в сеть и передают информацию (какой-либо заданный и измеренный параметр) как по цепи - от каждого к каждому. Заставить сенсоры работать так, как это требуется, совсем непросто. В них надо загрузить сложные алгоритмы, с помощью которых сенсор сможет определять, где находится ближайший сосед, и связываться с ним. В зависимости от ситуации они могут выбирать различные пути для передачи информации и различные информационные параметры. Так, если рассеять подобные сенсоры по сибирским лесам, то можно оперативно получать информацию о возникновении очагов пожаров. Сеть таких сенсоров может заменить метеорологические станции по всей планете и повысить точность прогнозов. Их можно разместить практически на каждой грозди винограда и собирать подробнейшую информацию о созревании ягод в течение сезона - профессиональные виноделы могут об этом только мечтать. Персонаж греческих мифов Тезей с помощью сенсоров быстрее выбрался бы из лабиринт. Однажды пометив сенсорами горный маршрут, можно будет организовать связь со всеми следующими восходящими группами... В общем, ваша фантазия подскажет массу способов и сфер применения сенсорных сетей. Одна проблема: чтобы рассеять подобные сенсоры в многомиллионных (и тем более миллиардных) количествах, их надо сделать дешевыми, "умными" и надежными. В этом и видит свою задачу корпорация Intel.
Третье направление, куда планирует направить свои усилия корпорация Intel, - это фотоника, или коммуникационные технологии на основе световых волн. В обычном компьютере и традиционном телефоне информация переносится посредством электрических сигналов, однако этот "информационный ресурс" имеет пределы. С каждым днем информационный поток нарастает, и справиться с этим лавинообразным ростом в ближайшем будущем может только свет.
Представьте себе оптическое устройство с лазером, передающим световой пучок определенной длины волны. Мы модулируем излучение, то есть "накладываем" на световой поток информацию. Одно из основных преимуществ оптических сетей - возможность передать информацию практически без потерь на десятки и даже сотни километров, при этом "канал" будет иметь пропускную способность, в десятки раз превосходящую нынешнюю. На другом конце луча располагается фотоприемник с фильтрами, который выделяет нужную нам информацию, расшифровывает ее и преподносит результат нам на блюдечке.
При этом по одному фотонному каналу связи можно одновременно передавать световые лучи с различными длинами волн. До сих пор фильтры представляли собой достаточно громоздкие "сундуки" стоимостью в десятки тысяч долларов. Intel разрабатывает микропроцессорные оптомеханические фильтры, которые должны перестраиваться с волны на волну практически мгновенно и стоить единицы долларов. Новый класс фильтров делается на основе диффракционных решеток Брэгга. Сейчас Intel и недавно приобретенная корпорацией компания New Focus (специализируется на разработке технологии настраиваемых лазеров) пробуют изготавливать фильтры в больших количествах с помощью тех же кремниевых заготовок, что и процессоры. Таким образом, и здесь уникальные свойства кремниевых технологий Intel позволяют совершить колоссальный прорыв в будущее, создать крошечные и дешевые оптические фильтры, которые можно будет встраивать в микропроцессоры.
Рассказ о сложных вещах становится доступней, если его проиллюстрировать понятной читателю аналогией. Мысленно перенесемся в начало XIX века. Нет ни радио, ни телевидения, главный транспорт - лошадь. Для подавляющего большинства людей границы мира ограничены их средой обитания. А теперь оглянитесь на мир, в котором мы живем сейчас. Его границы неизмеримо раздвинулись благодаря телевидению и Интернету, самолетам и автомобилям, телефону и радио.
Примерно то же самое собирается сделать Intel, только не за два столетия, а за два десятилетия. Еще недавно бывший достоянием лишь немногих жителей Земли, микропроцессор буквально вырывается на просторы, проникая везде и всюду. При этом, как джин из бутылки, выходит на свободу и закон Мура, начиная управлять не только развитием микропроцессорной индустрии, но и массой "сопредельных" отраслей. Благодаря этому жизнь для всех нас становится гораздо интереснее и насыщеннее, как если бы вдруг картинка на телеэкране из черно-белой превратилась в цветную или скорость доступа в Интернет увеличилась раз в сто. "Добро пожаловать в новый мир!" - приглашает Intel.
