По словам Макса Шалакера (Max Shulaker), члена команды дизайнеров чипа и кандидата на получение докторской степени в области электротехники Стэнфордского университета Калифорнии, такой 3D проект значительно экономит место в системе и увеличивает скорость обработки данных. Достигается это благодаря тому, что ученые вмещают память, хранящую все данные и уплотняют число процессоров в миниатюрное пространство.
Сокращение расстояния между двумя элементами может в разы ускорить время обработки команд компьютером.
Фото Макса Шалакера.
Замедление прогресса
Вычислительные возможности компьютерных систем за последние 50 лет неустанно совершенствовались. Это происходит во многом благодаря способности постоянно уменьшать кремниевые транзисторы и трехаспектные переключатели, с помощью которых выполняются логические операции.
По закону Мура — грубого правила, сформулированного Гордоном Э. Муром (Gordon E. Moore) в 1965 году, число кремниевых транзисторов на чипе должно удваиваться каждые два года. Что правда, для дальнейшего следования правилу, необходимо уменьшит крошечные кремниевые транзисторы до 5 нанометров. Но тут возникает проблема – предел для кремния, который составляет 7 нанометров (для сравнении — величина человеческого волоса в среднем составляет около 100000 нанометров). Последующее уменьшение масштаба приведет к тому что квантовый эффект частиц может разрушить свое функционирование. Соответственно, закон мура придет к своему логическому концу в ближайшее десять лет. К тому же, бесконечное увеличение числа транзисторов на микросхеме — не единственный метод увеличения производительности системы.
Транзисторы на соврменных микросхемах. (Фото сделано электронным микроскопом.)
Проблема коммуникации
По словам Шалакера, одной из основных преград в скорости обработки данных компьютером является память.
Обработка большого количества данных требуют запроса к ранее неизвестным данным, которые еще не были внесены в кэш. В таком случаи потребуется немало времени на выполнения нового запроса. Запрос на получения информации для обработки той или иной команды сначала пойдет во внутренний кэш самого процессора. Далее, обыскав все уровни кэша, поступит ответ, что попаданий нет и ядро отправит запрос к оперативной памяти. После поиска по оперативной памяти, опять таки, поступит ответ, что ничего не найдено. И только тогда запрос будет отправлен к HDD или SSD накопителю. Сигналу придется пройти по относительно толстым (для электронов) проводам, преодолевая постоянное сопротивление. Согласитесь, данный путь слишком длинный и за этот отрезок времени ядро успело бы уже несколько раз закончить обработку.
Если бы Вы выполняли данный запрос вместо вашего ПК, то 96% времени составило бы ожидание. Также стоит помнить, что даже когда CPU ожидает поступления нужной инструкции, он по прежнему потребляет электроэнергию. В качестве альтернативного решения можно предложить совместить CPU и память на одной пластине. Вот только не получится разместить эти два компонента на одной пластине — кремниевая вафля требует нагрева в 1000 оС, что приведет к плавке металлических элементов твердотельного накопителя или жесткого диска.
Углеродные нанотрубки
Что бы обойти проблему с разницей температур, команда стэнфордского университета обратила свое внимание на открытый около 10 лет назад одномерный углеродный материал — углеродные нанотрубки. Это — протяженные цилиндрические, сетчатые структуры из атомов углерода диаметром от одного до нескольких десяткой нанометров. Возможности обработки при низкой температуре стали ключевыми в выборе материала для альтернативы кремнию. Температура обработки составляет всего 200 оС.
УНТ (углеродные нанотрубки) имеют свойства электропроводности, равные кремниевым транзисторам, но их электрические свойства зависят от угла скручивания гексагональной графитовой плоскости. Таким образом, ученым удалось добиться более высокой проводимости на 5 порядков.
Три примера нанотрубок.
Если сравнивать УНТ с кремниевыми транзисторами в равных условиях и с равной архитектурой, концепцией устройств, то нанотрубки будут значительно быстрее по производительности, при этом потребляя меньше энергии.
Тем не менее нанотрубки растут хаотично и больше похожи на сваренные в чашке спагетти. Естественно такой вариант не подходит для производства микросхем. Исследователи разработали метод выращивание УНТ в узких канавках, придавая им целенаправленный рост. Но это не решило всех проблем. В то время как 99,5% нанотрубок растут упорядочено, 5% упрямо отказываются расти по запланированному маршруту. Выход из данной ситуации оказался слегка неожиданным. Отверстия в районе дефектных УНТ позволяют чипу работать именно так, как и ожидается, нейтрализуя дефекты роста нанотрубок.
Рост нанотрубок. (Фото сделано электронным микроскопом.)
Еще одна возникшая проблема пророчила погубить всю затею. Хотя полупроводимость большинства выращенных трубок равна кремнию, остальная часть имеет проводимость обычного метала. К сожалению, ученые затруднялись предсказать, какие из трубок будут дефектными. Эти немногие УНТ могли разрушить весь чип. Но и тут было найдено решение — Шалакер и его коллеги попросту подали на чип огромные импульсы напряжения. Таким образом, проводники выступили в качестве предохранителей и перегорели под действием высокого напряжения. А на чипе остались только полупроводники.
Эта команда уже создавала компьютер на основе УНТ, но он был медленным и громоздким с относительно небольшим количеством транзисторов. Процессор данного устройства сопоставим по мощности с Intel 4004, выпущенным в 1971 году. Первый процессор, основанный на нанотрубках, содержал 178 транзистора, их приблизительная длина варьировалась от 10 до 200 нанометров.
Макс Шалакер, в руках у него ранее произведенная вафля с чипами на основе кремниевых нанотрубок.
Теперь исследователи во главе с Шалакером создали систему для укладки памяти вместе с транзисторными слоями, соединяя их крошечными слоями. Новая структура значительно экономит время запросов и, соответственно, время полной обработки команды. В 1000 раз быстрее, чем аналогичные системы равной производительности. Используя новую архитектуру, команда создала множество сенсорных пластин, которые позволяют обнаружить все — от инфракрасного света до определенных химических веществ в окружающей среде.
Ранее я писал статью про альтернативу кремнию в виде полупроводников на основе InGaAs. Вот еще одна, в виде углеродных нанотрубок.
А какие альтернативы кремнию, как полупроводнику, знаете вы? Какие из них подойдут для микрочипов будущего?
Комментарии (29)
fivehouse
28.09.2015 15:40+18А теплоту выделяющуюся в 1000 раз больше рассеивать будут в 4х мерное пространство?
devlind
28.09.2015 18:22+1А навоз с улиц Лондона в Темзу сливать?
Да, это одна из будущих проблем, которую нужно решить. Но она не катастрофическая, поверьте (говорю вам как магистр нанотехнолог).
Тоже самое можно было бы подумать лет 20 назад, если посчитать сколько транзисторов в 2015-ом будет на одном чипе (а их уже почти 2млрд на топовых процессорах и каждый выделяет тепло). Но как-то всё решилось и мы с вами пользуемся всеми перелестями высоких технологий.
Vinchi
30.09.2015 00:36поверить нет, но если вы нанотехнолог, то давайте уже приводить варианты решений. Какие есть направления решения проблемы? Я вот пока слышал про вложенную 3D структуру из трубок с охлаждающей жидкостью. Но ее саму тоже как-то надо умудриться напечатать, да еще и вместе с транзисторами. Еще может быть какой-то механизм самосборки таких структур придумают. Возьмут за образец что-то из природы и сделают по аналогии.
AllexIn
28.09.2015 18:53Так нету такой теплоты. ОДна из фишек нанотрубок — другие условия работы.
Я буду обновлять страницу перед отправкой комментария.
maaGames
28.09.2015 15:41+4Intel 4004. Количество транзисторов: 2250
УНТ. 178 транзистора
Считаю, весьма удачный прототип. Лет через 20 в ручных часах процессор будет мощнее любого нынешнего суперкомпьютера.
nE0
28.09.2015 17:04дичь какая-то…
и еще:
В 1000 раз быстрее, чем аналоговые
какие-такие аналоговые системы обрабатывающие команды?
dyadyaSerezha
28.09.2015 17:44+6Это явно левый перевод нескольких оригинальных статей. Имелось ввиду, скорее всего, «аналогичные».
Кроме того, тысячи градусов требует не силиконовая вафля, а ее изготовление — то «особенности перевода» (оригинал тут: http://www.gizmag.com/high-rise-3d-chips-big-data/35281/)
Кроме того, толстый провод к HDD иммет меньшее сопротивление, чем тонкий. Опять что-то с переводом напутали, но искать оригинал уже лень.
Mayflower
28.09.2015 17:30+2Достигается это благодаря тому, что ученые вмещают память, хранящую все данные и уплотняют число процессор в миниатюрное пространство.
В то время как 99,5% нанотрубок растут упорядочено, 5% упрямо отказываются расти по запланированному маршруту
Поправьте пожалуйста статью, из-за таких предложений очень трудно читается.
Mist8
28.09.2015 19:20Кстати, для сравнения, возьмите нервную ткань и сам мозг. Миллиарды нервных клеток формируются и прокладывают свои (зачастую довольно длинные) пути с кучами отростков. И диаметры аксонов от 1 до 20 мкм.
В мозге конечно пока гораздо больше сложных «технологий», но тем не менее возможные перспективы прогресса микроэлектроники впечатляют. Если получится создавать и использовать нанотрубки — то по размеру будет сравнимо (а может даже меньше) с нейронами.
Mad__Max
30.09.2015 03:32Кстати еще интересный факт о мозге — в нервной ткани эти отростки соединяющие нейроны занимают намного больший объем чем сами нейроны.
Ну хотя отростки в общем-то тоже считаются частью нейрона, но выделяют его ядро (где и происходит «обработка» данных) и отростки необходимые для приема и передачи импульсов к соседним. И вот эти отростки занимают намного большие объем чем ядра.
Современные процессоры по мере усложнения тоже начинают сталкиваться с этой проблемой — чем сложнее они становятся, тем большая часть площади/объема в них приходится отдавать под различные соединения и шины данных, а доля непосредственно исполнительных устройство снижается.
aikixd
28.09.2015 21:49Интересно сколько будет стоить разработка игр, которые будут на 100% утилизировать чипы в 1000 раз быстрее нынешних. И весить.
rPman
29.09.2015 00:55+2Достаточно задачи расчета голограммы в реальном времени, чтобы на годы вперед забить задачей игродел.
Если я верно помню, четыре топовые видяхи считают миллиметровый экран (разрешение FullHD только очень маленькие пикселы, но зато монохромные вроде) да и изображене там уровня простые геометрические фигуры.
zorge_van_daar
29.09.2015 12:50+2Рэйтрейсинг на PHP, воксели, сложная физика, повышение детализации. В общем вы только дайте, забъем любые мощности.
sielover
28.09.2015 23:18+6кремниевая вафля требует нагрева в 1000 оС
АААААААААААААААААААААААААААААААААААААААААААА
Извините.sielover
29.09.2015 15:57+2Хотя хотелось бы узнать к тех, кто активно работает с кремнием: используется ли слово «вафля» в проф. сленге?
qbertych
29.09.2015 19:28+1За несколько лет в полупроводниках я слышал слово «вафля» ровно один раз. Исходило оно от синхронного переводчика, переводившего англоговорящего рассказчика. Все, на ком в этот момент были наушники, согнулись с фейспалмом =).
sielover
30.09.2015 14:49Вот, спасибо. У меня изначально были большие сомнения, но мало ли. Если каждый день пропускаешь через руки десятки пластин, лексика может стать более обсценной )
KOLANICH
29.09.2015 01:14+5IvanGalavachov, Ваша статья ни о чём. Даже ссылки на первоисточник нет, всё приходится гуглить самому.
Kain_Haart
29.09.2015 09:22+3ОЧЕНЬ трудночитаемо. Почти в каждом предложении можно найти несогласованность частей или затрудняющие прочтение кончтрукции.
nkie
29.09.2015 10:39Вы меня простите за тормознутость, но я так и не понял из вашего поста, что этот молодой человек предлагает делать с нанотрубками. Если он из них делает соединения между CPU и памятью внутри корпуса, то трубки выступают как проводники. Зачем тогда нужно было пережигать «проводящие» трубки и оставлять «полупроводниковые». Если он из них делает транзисторы, то причем тогда вообще написано про соединение памяти с CPU в одно корпусе.
Вот только не получится разместить эти два компонента на одной пластине — кремниевая вафля требует нагрева в 1000 оС, что приведет к плавке металлических элементов твердотельного накопителя или жесткого диска.
Что значит это фраза. Зачем вафле требуется нагрев 1000 oC. Ну предположим это так. Тогда почему ничего плохого не происходит с металлическими проводниками на чипе. Из кремния в чипе только транзисторы, соединенния между ними осуществляются металлическими проводниками. Собственно на вашей фотографии это хорошо видно. Почему на них не распространяется описанная вами проблема. Короче, извините, но ничего не понятно.nkie
29.09.2015 10:48И соединение CPU с памятью в одном корпусе вполне сейчас уже промышленно осуществляется. Если кратко, то делается восьмислойный бутерброд. Для эл. контакта между слоями используются прямые вольфрамовые соединения диаметром 1,2 мкм.
insomnium1
А сейчас процессоры разве не трехмерные?
Mad__Max
Можно считать что плоские.
Порядка 10 слоев и большая их часть вспомогательные (типа подведения питания или охлаждения).
Т.е. допустим есть сложный чип с 1 миллиардом транзисторов, 1 миллион элементов по одной оси, на 1 миллион по другой и только 10 по 3й.
Только в статье что-то вообще ничего нет о том, как 3е измерение полноценно осваивать. Только про замену кремния на нанотрубки, причем буквально в «ручном» режиме.