Перспективы производства компьютерных чипов
В последнем выпуске месяца, по традиции посвященном компьютерным технологиям и различным видам электронной коммуникации, мы поговорим о перспективах производства компьютерных чипов. В конце передачи речь пойдёт о новых переносных игровых приставках. В апреле этого года компьютерная отрасль отмечает юбилей. В 1965 году, сорок лет назад, Гордон Мур опубликовал статью с обзором текущего состояния микроэлектронной индустрии. Наверное, даже во сне тогда ещё малоизвестный химик не мог себе представить, что его выводы сохранят актуальность и по сей день. Именно в той статье содержалась короткая фраза, впоследствии превратившаяся в негласный закон: Мур заметил, что «количество элементов на микрочипах с наименьшей удельной стоимостью удваивается примерно каждый год». Тогда же он высказал предположение, что эта тенденция будет сохраняться в течение десяти лет. Позднее Мур, уже будучи главой концерна Intel, внес в свою формулировку небольшую поправку, увеличив до двух лет длительность цикла удвоения числа транзисторов. Однако в основе своей наблюдение Мура, ещё не возведенное в начале 60-х годов прошлого века в ранг закона, впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность наблюдается и в наши дни, являясь основой для многочисленных прогнозов роста производительности отрасли. За 30 лет, истекшие с момента появления микропроцессора 4004 в 1971 году и вплоть до выпуска процессора Pentium 4, количество транзисторов выросло более чем в 18 тысяч раз: с 2 тысяч до 42 миллионов. В 1965-ом году Муру с коллегами удалось соединить 50 транзисторов, а сегодня на площади обычного процессора умещается более миллиона этих полупроводниковых элементов. Но несмотря на все эти достижения, многие специалисты ещё совсем недавно предрекали действию закона скорых конец. Ведь по мере того, как микроэлектроника будет исчерпывать свой ресурс, дальнейшее уменьшение размеров элементов станет невозможным. И, тем не менее, на смену старым методам производства уже идёт новая, куда более прогрессивная технология. В её основу положены принципы так называемой жидкостной или иммерсионной литографии. Для начала, попробуем разобраться , что такое литография. В данном случае речь идет о процессе проецирования архитектуры микросхем на специальную кремниевую поверхность, на которой под воздействием света или другого вида излучения в итоге возникает требуемая рельефная структура. Наиболее распространённые сегодня машины, работающие на принципе оптической литографии, позволяют достичь разрешения в 193 нанометра. (Напомню, что один нанометр – это одна миллиардная метра. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет 10 нанометров). Так вот при помощи нового вида литографии – иммерсионного (а иммерсия на языке специалистов означает процесс погружения в воду), можно добиться разрешения менее 50 нанометров:
Иммерсионная литография определяет размеры микросхем. Мы используем сегодня 193-нанометровую литографию и при помощи всевозможных хитрых ухищрений способны работать в 50-нанометровом измерении. В настоящее время крайне интенсивно ведется работа над созданием литографического процесса следующего поколения, основанного на технологии жесткого ультрафиолета (EUV). С его помощью мы надеемся достичь длины волны до 13 нанометров. Конечно, Вы можете себе представить, что тогда мы будем в состоянии создавать элементы размером менее 10 нанометров. Вопрос только в одном: сможем ли мы производить работоспособные транзисторы такого размера?
- рассказывает Инго Аллер, начальник отдела разработки процессоров концерна IBM в немецком городе Бёблингене. Конечно, как отмечают многие специалисты, вольность трактовки, недопустимая в отношении, к примеру, законов Ньютона, всегда была применительна к закону Мура. И объясняется это прежде всего тем, что сделанное Муром наблюдение, законом природы не является. Это всего лишь своеобразное статистическое наблюдение, учитывающее множество факторов, включая экономические, технологические и интеллектуальные. Без своевременно вносимых корректировок, тенденция, подмеченная Муром, не пережила бы и восьмидесятые годы прошлого века. Но даже возможность сравнительно больших вариаций не спасёт её от потери естественной актуальности, предвидимой в будущем отдельными участниками полупроводникового рынка.
Концовка закона Мура видится разным экспертам по-разному. Классический вариант гласит, что рано или поздно усложнение микроэлектронной продукции приведёт к исчерпанию возможностей существующих технологий и принципиальному изменению производственного процесса, а также механизмов функционирования самой электроники. Но есть и другие теоретические развязки. Одна из них – победа над сложностью решаемых задач: в случае, если производительность микропроцессоров однажды перекроет потребности разработчиков софта, дальнейшее повышение скорости и сложности устройств окажется невостребованным, а следовательно, и экономически невыгодным. А недавно был сформулирован и третий вариант концовки: физическим барьером на пути дальнейшего усложнения полупроводниковых чипов названа проблема энергопотребления. Чем больше элементов содержит чип, тем мощнее должен быть источник питания. Чем меньше микросхема, тем больше утечки тока. А это означает, что через транзистор идет ток, даже если он отключен. Инго Аллер:
Уже сейчас, когда мы работаем с 90-нанометровыми технологиями, 30-40 процентов электроэнергии, потребляемой современным процессором, теряется из-за утечки тока.
К этому добавляется и ещё одна проблема. Дело в том, что сопротивление между элементами падает из-за слишком маленьких зазоров между ними. Блуждающие электроны нарушают лежащий в основе всех вычислительных операций бинарный принцип, согласно которому подача тока соответствует единице, а отсутствие напряжения – нулю. В результате возникают погрешности в вычислениях. На языке специалистов этот эффект называется тепловым шумом Джонсона. Чем больше концентрация транзисторов, тем мощнее шум. Пагубность этого явления заключается в том, что она может выражаться в случайных сбоях, зарегистрировать которые крайне сложно. Более того, некоторые ученые считают, что больны этим и уже существующие – сегодняшние микрочипы. В настоящее время инженеры напряженно работают над решением этой проблемы, тестируют новые материалы, а также структуры микросхем. К таким системам относятся например, так называемые, Double-Gate-транзисторы. Их каналы регулируются не одним электродом, а сразу с двух сторон. А Intel работает над созданием Tri-Gate-транзисторов – название которых говорит само за себя. Между тем, Аллер признает, что возможности по предотвращению помех весьма ограничены. И всё же сдаваться инженеры не намерены:
И второе направление, над которым усиленно работают ученые, это активный менеджмент электроэнергии. То есть, если чип во время паузы не задействован (например, во время паузы) или исполняет лишь незначительные функции, то тогда мы можем полностью отключить его части или же уменьшить напряжение на данном участке.
- добавляет Аллер. Подобное управление электроэнергией предполагает дополнительные функции для чипов, что в свою очередь может привести к дальнейшему их усложнению. Тем не менее идея эта вероятно продлит действие закона Мура, по мнению специалистов, по крайней мере, на какое-то время. Сам автор считает, что выведенная им зависимость сохранит свою актуальность ещё лет десять.
Однако вернемся к уже упомянутому нами процессу жидкостной или иммерсионной литографии. Размер микросхем зависит от многих факторов, в том числе и от четкости проекции микросхемы на фоторезистивную поверхность. Законы оптики гласят, что сила разрешения находится в зависимости от длины световой волны. Длина луча обычного света слишком велика. Поэтому специалисты предлагают использовать жесткие ультрафиолетовые или рентгеновские лучи. Говорит доктор Херманн Герлингер, член совета директоров концерна Carl Zeiss SMT:
Мы занимаемся разработкой технологии жесткого ультрафиолета. Прототипы таких установок уже доказали свою пригодность на практике. Специалисты, можно сказать, всего мира трудятся сейчас над доработкой подобных систем. Иммерсионный процесс позволит нам производить элементы менее 50 нанометров уже в течение ближайших нескольких лет.
Ученые выяснили, что если разместить между кремниевой подложкой и конечным оптическим элементом микроскопические капли жидкости с определёнными свойствами, можно добиться очень высокого разрешения. Собственно, в этом и заключается процесс иммерсии. Важно только, чтобы коэффициент преломления жидкости был как можно меньше. Херманн Герлингер:
Если говорить конкретно, то мы уже поставили необходимую оптику нашим партнерам из ASML. Это позволило им уже в прошлом году достичь великолепных результатов на специальной машине, которая может оказаться в процессе производстве даже практичнее, чем её обычные предшественники, обходившиеся без процесса иммерсии.
При иммерсии вместо погружения всей полупроводниковой пластины в последнее время используется небольшой патрубок. Он позволяет задействовать малое количество воды, создавая что-то вроде локального «душа». Чтобы исключить вероятность возникновения микроскопических пузырьков, используемую в приборе воду подвергают двойному кипячению. Следующий шаг исследователей – изменение показателя преломления воды, для чего будут опробованы различные добавки. Правда пока говорить о внедрении новой технологии в производство рановато. Помещения, в которых должны размещаться оптические системы такой точности, да и сами машины не должны подвергаться даже самым малейшим колебаниям. Инженеры также работают и над улучшением характеристик фоторезистивных материалов и фотомасок. Да и оптические системы, задействованные для производства чипов существенно отличаются от привычной фотооптики:
Длина обычного фотообъектива со способностью приближения в наши дни составляет в среднем где-то сантиметров десять, диаметр 6 – 7 сантиметров, весит он обычно около 750 граммов. Вес же оптической системы, предназначенной для выпуска микросхем приблизительно в тысячу раз больше, её длина – около одного метра, диаметр – полметра. Всё идет к тому, что такие оптические системы вскоре станут ещё больше, а их вес перевалит за тонну.
По мнению некоторых экспертов, необходимость в литографии может отпасть, если кремний в филигранных микросхемах будущего заменят сплетения полых трубочек и углерода. Правда, когда это станет возможным, пока не известно.
До сих пор Gameboy компании Nintendo был бесспорным лидером портативных игровых приставок. С 1989 года в детских руках побывали 184 миллиона геймбоев. Ни учителям, ни родителям, ни конкурентам не удавалось воспрепятствовать победному шествию электронной игрушки, получившей прозвище мобильной «сиделки». Между тем, эра геймбоя явно подходит к концу. На рынке уже появилась новая модель Nintendo DS. Её особенностью является раскладывающийся корпус, на обеих половинках которого расположены дисплеи. Новинка оснащена встроенным контроллером WI-Fi, который предоставляет владельцам возможность участвовать в многопользовательских турнирах и обмениваться мгновенными сообщениями по беспроводной связи. Помимо этого, устройство снабжено двумя процессорами, стереофоническими динамиками, двумя слотами для сменных носителей и ионно-литиевым аккумулятором, обеспечивающим от 6 до 10 часов автономной работы. Нижний экран – сенсорный, и может использоваться для управления играми, а также при вводе текста. Прибор оснащен как клавишами, так и специальным карандашом – стилом. Но, несмотря на новизну этого решения, по мнению редактора популярного в Германии журнала Це-Те Хартмута Гизельмана, особого смысла в этом нет:
Да, приставка обладает кое-какими новыми игровыми идеями. Например, фигурами можно управлять не только при помощи кнопок, но и рисовать траектории или линии, по которым эта фигура будет маневрировать между препятствиями. В начале это выглядит забавно, кажется действительно чем-то новаторским. Однако спустя некоторое время, буквально через несколько минут, вся эта затея надоедает и теряет привлекательность.
Да к тому же и конкуренты не дремлют. На рынке США, а вскоре и Европы выходит Sony Playstation Portable – сокращенно ПСП. Помимо самой консоли Sony предлагает и большой выбор новых игр, в то время как Nintendo ограничился модернизацией уже хорошо известных, старых.
При помощи ПСП можно не только играть, но смотреть фильмы, причем в хорошем разрешении. Это действительно доставляет удовольствие, немаловажную роль при этом играет большой дисплей. Кроме того, фильмы можно смотреть не только на специальных маленьких дисках. Для просмотра самостоятельно записанных фильмов годятся карты памяти (мемористики).
Что касается графики, то и здесь конкурентов разделяют целые миры:
Если говорить о качестве изображения и сравнить его со стационарными игровыми консолями, то можно с уверенностью констатировать: графические возможности Nintendo DS можно сравнить с Playstation первого поколения или Nintendo 64, в то время как Sony PSP сравнима с Playstation второго поколения.
- делится своими впечатлениями Хартмут Гизельман. Хотя, конечно, не стоит забывать, что к немногочисленным преимуществам Nintendo относится и один весьма существенный – его цена. Стоит DS ощутимо меньше, чем его «навороченный» соперник. Но, по мнению Гизельмана, это не спасает консоль Nintendo, и она вряд ли сможет всерьез конкурировать с ПСП от Sony:
Сам корпус ПСП слишком привлекателен, поэтому взрослые конечно же выберут её. Нинтендо же предназначена скорее для детей младшего школьного возраста. Правда некоторым взрослым, может больше приглянется DS, ведь игры сделанные Нинтендо, не такие агрессивные, как у конкурентов.