Варианты развития компьютерных процессоров

Как известно, процессоры изготавливаются на кристалле кремния путем литографии создавая на нем множество микроскопических транзисторов. С момента выпуска первого процессора развитие вычислительной мощности процессоров идет за счет увеличения количества транзисторов, что достигается уменьшением их размера. Причем наблюдается тенденция удвоения количества транзисторов каждые два года, которую назвали законом Мура в честь инженера компании Intel, первым заметившего ее в далеком 1965 году. В настоящий момент этот процесс привел к тому, что размер одного транзистора чуть больше 20 нанометров, т.е. сам транзистор состоит всего лишь из нескольких атомов и на 1 квадратном миллиметре их насчитывается порядка 15 миллионов.

Надо заметить, что до сегодняшнего дня в процессорах происходит оперирование информацией посредством перемещения электронов под воздействием электрических полей, взаимодействующих с собственным зарядом электрона, но на атомном уровне при текущем размере транзисторов появляется квантовый эффект, который нарушает логику работы транзисторов за счет самопроизвольного перемещения электронов через диэлектрик (эффект тунеллирования).

Как вариант решения данной проблемы возможен переход от манипуляций с электрическим зарядом электрона к работе с его спином, т.е. направлением вращения. Собственно говоря, со спинами уже работают, этот метод применяется в записи и чтении данных с жестких дисков – HDD, т.к. группа электронов с одинаковым направлением вращения, спином, создает магнитное поле в определенной точке поверхности магнитного диска, намагниченность, которой и манипулируют, если участок намагничен – логический ноль, если размагничен – 1. Но для работы процессоров с ориентированными электронами требуется, чтобы они без искажения переносились с поверхности накопителя и передавались в процессор для обработки.  В металлах возникающий электрический ток разрушает намагниченность, т.е. сонаправленность электронов. Остается использовать полупроводники, в которых «намагниченный» ток может течь на достаточное для его обработки расстояние без потери спина. В настоящее время ведутся работы в этом направлении на уровне исследовательских лабораторий, до коммерческого внедрения технология еще не пропаботана.

Другое перспективное направление – создание жидкостного охлаждения непосредственно внутри процессора. В перспективе эту же жидкость можно использовать и для питания процессора, такой подход позволит многократно увеличить его мощность.

Это позволит получить мощность суперкомпьютера в корпусе размеров современного мобильного телефона. Для осуществления запитки процессора можно использовать жидкость – электролит на основе ионов ванадия. Если создать вычислительные чипы на основе тонких кремниевых пластин, расположить их друг над другом, а в зазоры между ними попарно заполнить ванадиевым электролитом с разными зарядами, то между пластинами начнет течь электрический ток. Таким образом, получится объемный процессор с жидкостными питанием и охлаждением. На сегодняшний день технология жидкостного охлаждения внутри процессора уже применяется в нескольких изделиях от IBM, но пока с классическим электропитанием чипов.

Третий путь наращивания мощности процессоров в увеличении его рабочей частоты, т.е. количества операций в секунду. Как мы помним, IBM начинала с процессора с тактовой частотой всего 7 МГц. В современных процессорах частота может достигать 4.5 ГГц (процессоры AMD), но при существующей технологии изготовления чипов она почти предельная, т.к. при такой частоте происходит очень сильное тепловыделение, требующее интенсивного охлаждения. Т.е. далее наращивать вычислительную  мощь процессора таким путем нецелесообразно. Но вполне можно использовать несколько ядер пониженной частоты на одном кристалле, и на сегодняшний день это основной путь увеличения мощности чипа с минимальными затратами. Начало процессу в 2001 году положил процессор POWER4, опять же от компании IBM, с двумя вычислительными ядрами на одном кристалле. Сегодня число вычислительных ядер для настольных ПК достигает шести (Intel Core i7 Extreme), а в серверных вариантах и шестнадцати. На примере даже недорогих планшетов и медиацентров это количество доходит до восьми, плюс укоренилась технология расположения графического ядра на одном кристалле с вычислительными. А в последнее время начинают множить и число графических ядер, что особенно заметно на примере компании NVIDIA с ее многоядерными графическими процессорами CUDA, состоящими из 192х! ядер.