Законът на Мур – до краен предел!

---

2007 година бе ознаменувана с прехода на Intel от двуядрени към многоядрени проце- сори и на AMD – към 65-нанометровия производствен процес. Тук ще се опитаме да надзърнем в бъдещето, за да видим какво вещае то за тези двама вечно конкуриращи се производители на чипове. От Джоуел Санто Доминго и Сиско Ченг
През 1965 година Гордън Мур направи смела прогноза: броят на транзисторите, които могат да бъдат разположени на една интегрална схема, ще се удвоява приблизително на всеки две години. Времето показа, че индустрията на процесорите се развива горе-долу според тази максима, поради което тя бе наречена „Законът на Мур“. Но днес, за първи път от 43 години
насам, има изгледи учените изследователи да нарушат този закон, и то за добро. Бяха създадени нови техники на производство, които позволяват на конструкторите на чипове да извършват чудеса, немислими за Гордън Мур през 1965 година. Теорията, появила се по времето, когато броят на чиповете в една интегрална схема се измерваше с хиляди, днес е безвъзвратно остаряла, тъй като същият брой на транзисторите вече е стотици милиони. Бяха създадени нови техники, благодарение на които конструкторите могат да разполагат по 30 милиона транзистора на площ, не по-голяма от главичка на карфица! Твърде прехваленият процесор Core, който се появи през 2006 година и има 300 милиона транзистора, през 2007 година бързо бе заменен от многоядрени чипове, при които броят на транзисторите е от порядъка на 800 милиона. А през идните пет години напредъкът в областта на литографията и инженеринга на атомно ниво ще доведе до още по-големи скокове в мощта на електронноизчислителната техника. В каква посока ще се развиваме след това?

Чипсети за настолни системи
Джоуел Санто Доминго
2007 бе годината на двуядрения процесор, а 2008 ще бъде ознаменувана с преход към 45-нанометровия производствен процес при Intel и към три- и четириядрени процесори при AMD. Двете компании продължават да работят по посока на по-малки чипове с повече ядра, с едновременно повишаване на производителността – както измерената, така и тази, която реално се чувства от потребителя. Какво всъщност е предимството на 45-нанометровия процес и защо той е по-добър от твърде прехваления през 2005 година 65-нанометров?
Новият 45-нанометров процес е следващата еволюционна стъпка в производството на CMOS (complementary metal-oxide semiconductor – комплиментарни металооксидни полупроводници). Тя не само ще даде възможност на производителите на чипове да направят интегралните схеми
„по-плътни“ и оттук да монтират повече транзистори в един централен процесор, но ще позволи и производството на повече чипове от една силициева пластинка. Това ще доведе до по-големи количества чипове, произведени от една стандартна пластинка с размери 25 mm на 300 mm, а самото производството на чиповете ще бъде по-евтино. Всъщност през последните 30 години цената на производство на един милион транзистора намаля от малко над 196 000 USD до под 5 цента. Понижаването на тази цена продължава. Нека се опитаме да прогнозираме „свиването“ на силициевите пластинки на чиповете. Първият процесор Pentium, въведен през 1993 година, се произвеждаше според 800-нанометровия (0.8 nm) процес. С други думи, през изминалите 14 години е постигнато почти 18-кратно намаление на размерите на елементите на силициевата пластинка. Учените изследователи на полупроводниците прогнозират, че следващите стъпки са: 32-нанометровият процес (който ще стане реалност през 2008 или 2009 година); 22-нанометровият процес (между 2011 и 2012 г.) и 16-нанометровият (който можем да очакваме между 2014 и 2018 г.). Тогава производителите ще се сблъскат с два проблема: при тези размери разстоянието между компонентите се измерва в атоми. Логическите комутатори и другите вътрешни вериги ще са широки само няколко атома, което може да доведе до някои проблеми, които ще обсъдим на следващите страници.
Другото предимство на тези централни процесори от следващо поколение е, че при тях могат да се „изключват“ отделни части, които не се използват. В момента не използвате всичките четири ядра? Изключете ядра „C“ и „D“, за да спестите известно количество енергия! Така вашият компютър ще отделя по-малко топлина, когато работи, а по-охладеният компютър е и по-тих. Все едно изключвате термостатните вентили на радиаторите в стаите, които не използвате в момента: така ще се консумира по-малко топлоенергия за отопление на неизползваните помещения и ще се постигне по-ефективно отопление на останалите.
На последно по ред, но не и по значение място, един нов процесор означава, че през идните години производителите на компютри ще започнат да правят по-малки и по-новаторски системи. Представете си РС, по-малко от Mac mini, което може да работи с производителност, по-голяма
от тази на система с двуядрен централен процесор, и висок изправен корпус, датираща от края на 2007 година. Това ще стане реалност по някое време през следващите три до пет години.

Intel: все още на върха
Наскоро Intel затвърди доминиращото си положение в индустрията на централните процесори със своите успешни чипове Core 2 Duo (с кодово название Conroe/Allendale), Core 2 Quad (Kentsfield, базиран на Conroe) и Core 2 Extreme, чиято тактова честота може да се повишава допълнително (става дума за тъй наречения overclocking). (Вж. речника на кодовите названия на процесори по-долу.) Тези чипове изместиха Athlon FX в качеството на процесори, създадени с цел постигане на максимална производителност.
Днешните процесори Core 2 Duo са на базата на 65-нанометровата технология, но процесорите от следващо поколение Penryn/Wolfdale (двуядрени) и Yorkfield (четириядрени) ще бъдат изработвани чрез 45-нанометровия процес. Очаква се тези нови процесори да бъдат пуснати
в серийно производство в началото на 2008 година.
Днешните процесори Allendale и Kentsfield поддържат скорости съответно като на 800-мегахерцова и 1066-мегахерцова FSB шина. Но бъдещите чипове Wolfdale и Yorkfield ще имат много по-бързи FSB шини – до 1333 MHz. Ако надникнем още по-далеч в бъдещето, процесорите
Yorkfield Core 2 Extreme ще поддържат светкавично бързата 1666-мегахерцова FSB шина. Освен това размерите на кеш паметта L2 ще нараснат от една 2-мегабайтова при Allendale до две 6-мегабайтови кеш памети при Yorkfield. Казано най-просто, това означава, че към и от тези
централни процесори ще текат много, много повече данни. В резултат ще имаме много по-бърза електронна обработка на информацията, при все че тактовите честоти на процесорите няма да направят скок, подобен на последния - 2.4 GHz на 3.2 GHz. Митът за мощта на мегахерците
вече е развенчан. (При все това сигурно ще се намерят „овърклокъри“, които ще правят тези процесори 4-гигахерцови и дори още по-бързи.)
Песимистите без съмнение ще възразят, че четириядреният Yorkfield всъщност представлява две двойки двуядрени пластинки, запоени в един общ чип. Но той твърде вероятно ще е по-добър от
Kentsfield, като се имат предвид увеличената L2 кеш памет и пропускателният капацитет на неговата FSB шина (вж. карето „Yorkfield на практика“). Освен това Yorkfield ще има нови мултимедийни инструкции, наречени SSE4, което ще подобри производителността му при изпълнение на много задачи – дори декомпресиране и възпроизвеждане на телевизия с висока разделителна способност.

Какво ново при Intel?
Технологията High-k Metal Gate (метален комутатор с висока k стойност) на Intel гарантира, че и през следващите няколко години учените ще продължат да „свиват“ интегралните схеми. Поради това, че вече се използва силициев двуокис, електрическият ток, който тече през логическите комутатори (logic gates) и през други чипове, „изтича“ отстрани на комутаторите, което води до грешки. Тези комутатори, както и другите компоненти са дебели само няколко атома, така че сигналите спокойно биха могли да изтичат по ръбовете на тези миниатюрни електрически полета. Intel направи фундаментални промени в тази схема, като въведе елемента хафний в качеството на
ключова съставка на интегралните схеми, изработени според технологията High-k Metal Gate. Тази технология понастоящем намалява много утечките, което от своя страна води до намаляване на електроенергията, нужна, за да работи чипът, и дава възможност за постигане на по-високи
тактови честоти и по-ефективно ползване на електроенергията.
Следващата стъпка на Intel по отношение на разработката на чипове ще бъде Nehalem – процесор, който по програма трябва да се появи към края на 2008 година. (Не е изненадващо, че тези срокове се променят твърде често.) Nehalem ще продължи да се произвежда чрез 45-нанометровия процес, но ще бъде на базата на наследника на архитектурата Core. В този смисъл Intel би могла да нарече този процесор Core 3. Подобно на чиповете Athlon на AMD Nehalem ще има интегрирани контролери на паметта, благодарение на които FSB шината ще бъде елиминирана изцяло. Това означава, че централният процесор ще „си говори“ със системната памет системно, със скорости DDR3. Nehalem ще се предлага във версии с едно до осем ядра за настолни системи (и най-вероятно и за преносими компютри).
Но Intel няма да спре дотук. След година-две на сцената ще се появи Nehalem-C. При него пластинката на Nehalem ще бъде „свита“ до 32 nm. След него Intel ще ни предложи 32-нанометровия централен процесор Gesher, който според слуховете ще е с функционалност Core 4. Но понастоящем всички обсъждания и коментари на Gesher извън централата на Intel в гр. Санта Клара биха съдържали голямо количество догадки и прогнози. При все това, както се казва, във всеки слух има и частица истина.

AMD: още на арената
AMD все още не се оттегля от битката на арената на централните процесори за настолни системи въпреки факта, че през 2006 година нейната платформа „Quad FX“ така и не се появи на пазара.
AMD продължи в същия дух и през 2007 година, но 2008 и следващите години ще донесат много вълнения на феновете на тази компания.
AMD вече пусна на пазара своя процесор Phenom, предназначен за настолни компютри за масова употреба. Той е в две версии – X2 (двуядрен) и X4 (четириядрен) – като „върхът на сладоледа“ при него е технологията FX (Quad). AMD обяви, че ще произвежда процесора с три ядра Phenom Х3, който най-вероятно ще е с вградени четири ядра като Phenom Х4, но от тях ще работят само три (защото по време на качествения контрол на производството само 3 от неговите 4 ядра са успели да издържат теста). Това дава възможност на AMD да продава продукт, който иначе би бил продаван като двуядрен, но крайният потребител на практика би получил процесор, който би бил по-мощен.
Phenom е изграден на базата на 65-нанометровия процес и AMD не се поколеба да изтъкне (както навремето с Athlon), че вече е успяла да елиминира FSB шината, така че централният процесор може да си „говори“ с паметта направо, чрез интегрирания контролер на паметта. Чиповете с марката Athlon на AMD ще продължат да преобладават на пазара на потребителските компютри с едно-, дву- и четириядрени процесори.
Очаква се през 2008 г. AMD да премине от 65-нанометровия към 45-нанометров производствен процес при платформата Leo, която ще бъде в дву- и четириядрен вариант. През 2009 година се очаква да започне производството на осемядрени процесори, все още чрез 45-нанометровия процес, във вид на платформата Python. Очаква се Python да се появи на пазара, когато AMD премине от DDR2 към DDR 3-памет.

Бъдещето
AMD и Intel са производители и на графични карти и графични чипсети за вграждане в дънните платки. И двете компании работят върху интегрираните процесори на бъдещето (планирани за 2009, 2010, 2011 година и след това), които ще обединяват функциите на графичния и централния процесор. Тези процесори ще се появят за първи път при преносимата електронноизчислителна техника, като свръхмобилните персонални компютри и ноутбуци. Но след като тенденцията на интегриране и миниатюризация на практически всички високи технологии не престава, някой ден неминуемо ще дойде време, когато вашата настолна или преносима система ще има само един чип, който ще управлява всичко.

Чипсети за преносими системи
Сиско Ченг
Положението на арената на процесорите за преносими компютри през последните години значително се проясни. Преди две години Apple заряза процесорите IBM PowerPC, като вместо тях предпочете тези на Intel. Компанията Transmeta, известна с това, че нейните процесори консуми-
раха по-малко електроенергия, прекрати дейността си и продаде правата на AMD. Процесорите на VIA все още се срещат при джобните персонални компютри, като OQO model 02, но рядко ще ги видите на по-големи машини. Пазарът се „прочисти“ и на него останаха двама основни играчи
– Intel и AMD – но Intel открай време е била (и си остава) доминиращ играч.

Intel: все още е вътре
Потребителите вероятно познават най-добре търговската марка Intel Core 2 Duo. Ще я познаете по малките правоъгълни стикери, поставени на повечето модерни лаптопи. Но зад цялата тази пазарна терминология около процесорите на Intel се крият кодовите названия на техните
архитектурни версии. Intel вероятно би продала много по-малко процесори Core 2 Duo, ако ги бе пуснала на пазара под тяхното оригинално кодово название – Merom. През първата половина на 2008 година ще се появят процесорите Penryn, при все че и те ще се продават под търговската марка Core 2 Duo. Новият чип ще бъде „свит“ до 45 нанометра и ще се характеризира с общи подобрения по отношение както на производителността, така и на енергийната ефективност (докато производственият процес на Merom бе 65-нанометров). Първо ще бъде пуснат в производство самият процесор, което означава, че актьорите, изпълняващи „поддържащи роли“ - чипсетът на дънната платка, графичният чипсет и безжичните технологии – ще бъдат съгласувани с днешната платформа Santa Rosa. Това означава също, че чиповете Penryn първоначално ще бъдат с 800-мегахерцови FSB шини по подразбиране, като евентуално ще могат да поддържат и 1066-мегахерцови. Но тази платформа едва ли ще разгърне пълния си потенциал, докато не премине на 1066 MHz, но при все това ще бъде по-бърза в сравнение с процесорите Merom благодарение на новата си архитектура.
Процесорите за преносими компютри от клас Penryn ще бъдат пуснати на пазара с тактови честоти от 2.1 GHz до 2.8 GHz (макар че това не бе обявено официално). Тактовите честоти ще прекрачат границата от 3 GHz по времето, когато преминем от досегашната платформа Santa Rosa (която е „мозъкът“ на днешната платформа Centrino) към новата платформа Montevina на Intel, която всъщност ще е Centrino от пето поколение. Очаква се и капацитетът на кеш паметта L2 да нарасне
и да достигне цели 6 МВ при най-бързите процесори Penryn и 3 MB при подобните процесори от по-нисък клас. По-голямата кеш памет означава, че данните ще се пренасят и ще бъдат достъпни по-бързо, времето за достъп ще е по-кратко, а предната шина ще е по-малко натоварена. Ще бъдат въведени и новите инструкции SSE4 (Streaming SIMD Extensions), които ще доведат до по-бързо видео, триизмерни изображения, игри и задачи, свързани със сървъри. Благодарение на напредъка на Intel чрез технологията High-k Metal Gate, която намалява утечките на електричество, потребителите ще бъдат изненадани от подобрения живот на батерията.
Ще се появят и свръхпортативни и джобни персонални компютри, на които ще работят нов комплект от процесори Penryn LV (Low Voltage, с ниско напрежение) и ULV (Ultra Low Voltage, свръхниско напрежение). През втората половина на идната година ще видим и четириядрени чипове Penryn за преносими компютри. Какво ще предложи след тях Intel за преносимите компютри? Nehalem през 2009 година, който обещава да ни даде дву-, четири-, а възможно и осемядрени процесори за мобилни платформи. Освен това Intel заявява, че тези нови процесори ще се произвеждат чрез по-зелени и по-икономически ефективни производствени процеси и
че ще бъдат 100 процента свободни от халогенни елементи.

AMD: движение напред
В началото на 2007 година AMD премина към 65-нанометровия процес и пусна на пазара нова серия чипове под кодовото название Hawk. Новите 64-битови процесори за преносими компютри изместиха предишните Turion 64 X2. При все че серията Hawk предлага много повече подобрения (разнообразни процесори Turion X2 и Sempron, специална 1-гигабайтова L2 кеш памет и технологията HyperTransport 1.0), тя не е толкова интересна, колкото серията нови процесори, които ще се появят през 2008 година под кодовото название Griffin.
Griffin ще се произвеждат според 65-нанометровия процес, но при тях основните подобрения са в областта на северния мост на процесора – областта,в която се намират L2 кеш паметта и контролерът на паметта. Северният мост служи като „рецепция“ на централния процесор. Той добавя по-голяма L2 кеш памет от 2 MB и има два независими 64-битови DDR2 контролери на
паметта. Освен това, AMD премина към HyperTransport 3.0 (HT30 – връзка, подобна на FSB шината на Intel по това че общува с чипсета и с останалата част от дънната платка на лаптопа. (При
процесорите на AMD няма FSB шина. Централният процесор общува направо с паметта чрез пътека, широка 64 бита, между него и контролера на паметта. Това позволява по-малко закъснение между двете части на чипа.)
AMD твърди, че HT3 ще доведе до трикратно увеличение на пропускателния капацитет. Както и до подобрение на производителността на графичния чипсет, вграден в дънната платка – особено
при Windows Vista/DirectX 10 и други приложения, които натоварват процесора. Griffin има живот на батерията над 5 часа; по всичко личи, че той е основен фактор за продажбите на този процесор заради повишената производителност и 65-нанометровата му архитектура, но е малко вероятно да се изравни с 45-нанометровия Penryn на Intel. Дългият живот на батерията се дължи на това, че процесорът има различни нива на захранването (power planes); всяко ядро на процесора може да има свое собствено ниво на напрежение. На теория тази система има възможност да деактивира едното ядро, за да намали до минимум консумацията на електроенергия.
През 2009 година AMD ще предложи нова вълна от процесори под кодовото наименование Falcon. Те ще са с разнообразни ядра - както двуядрени, така и четириядрени. Процесорите от серията
Falcon ще са комбинирани със специализирани графични процесори, вградени в същата силициева пластинка. При копроцесорите от този вид пътят между графичния чипсет и ядрата на централния процесор ще е много по-кратък; това ще обезсмисли шината между тези два елемента и нейната скорост няма да има практически никакво значение. Комбинираните чипове от този вид може да се окажат процесори на бъдещето. Те ще извършват много по-бързо декодирането на
видеосъдържание с висока разделителна способност – каквото се разпространява на дисковете Blu-ray и HD DVD. Така се открива пътят за създаване на лаптопи с много по-малки размери.