Arial Georgia Tahoma Times New Roman Verdana

Патрик Гелсингер: скептики ошибаются

В настоящее время Патрик Гелсингер (Patrick P. Gelsinger), работающий в Intel более 20 лет, занимает пост вице-президента компании и главного директора по технологиям. До этого назначения Гелсингер занимал должность главного директора по технологиям подразделения Intel Architecture Group, а ранее возглавлял подразделение Desktop Products Group и отвечал за разработку процессоров, чипсетов и системных плат для настольных ПК.

Сегодняшняя статья Патрика Гелсингера размещена в нашей «Колонке редактора» не случайно: материал приводится без купюр и показывает авторскую точку зрения на перспективы развития полупроводниковой отрасли в обозримом будущем. Статья, на мой взгляд, в большей степени даже не столько техническая или программная, сколько философская.

Авторский материал — есть авторский материал, вы вольны принимать авторские тезисы или не соглашаться с ними. В любом случае, надеемся, что ознакомиться с мыслями человека с огромным и успешным опытом работы в ИТ индустрии всегда интересно.

Итак, слово Патрику Гелсингеру.

Двадцать лет тому назад, приступив к работе в корпорации Intel, я участвовал в разработке микронных технологий. Задача состояла в том, чтобы развеять миф о так называемом микронном барьере, то есть о невозможности преодолеть технологическую норму производства микросхем, равную 1 микрометру (мкм). Тогда многие эксперты сомневались в способности нашей компании первой внедрить эту технологию в массовое производство. Тем не менее нам удалось это сделать, и мы стали первыми.

Когда не так давно корпорация Intel начала разработку 90-нанометрового (0,09-микронного) технологического процесса, опять нашлось немало скептиков, не веривших в наш успех. Однако мы снова доказали, что эти сомнения были безосновательными. Как было объявлено в начале минувшей осени, технологический процесс с проектной нормой 90 нм уже готов для запуска в массовое производство, причем не только для изготовления логических микросхем и устройств памяти, но и для компонентов «смешанного» типа, предназначенных для беспроводной и оптической коммуникационной продукции. Кроме того, мы объявили о разработке в рамках 90-нм технологического процесса новых материалов — например, кремниево-германиевых элементов (SiGe-технология). Таким образом, те, кто сомневался в способности корпорации Intel перевести полупроводниковые технологии в «нано-эру», должны признать свое поражение, поскольку мы успешно двигаемся в этом направлении.

В течение ближайшего десятилетия мы намерены преодолеть 32-нанометровый рубеж. И что же? Наши планы опять подвергают сомнениям. Я же абсолютно уверен, что мы вновь докажем нашим оппонентам их неправоту.

Когда в 1989 году мы вывели на рынок процессор Intel 486, работавший на тактовой частоте 25 МГц, всем казалось, что этот рекорд быстродействия долго не будет побит. Действительно, путь от 25 до 50 МГц занял три следующих года. Сегодня тактовая частота наших процессоров повышается в среднем на 25 МГц еженедельно. А через три года подобный прирост тактовой частоты мы сможем обеспечивать ежедневно, хотя скептики и продолжают сомневаться в осуществимости наших замыслов.

Множество людей, знакомых с сутью дела не понаслышке, задавали мне вопрос о судьбе закона Мура в долгосрочной перспективе. Этот закон гласит, что количество транзисторов, размещенных на полупроводниковой микросхеме, удваивается каждые два года, что приводит, с одной стороны, к повышению производительности, а с другой стороны, к снижению стоимости производства микросхем. Закон Мура был главной движущей силой развития микропроцессорной индустрии на протяжении последних трех десятилетий. Тем не менее, несмотря на важность и действенность этого закона в течение долгих лет, находились — и находятся до сих пор — эксперты, которые предсказывали его неминуемое фиаско.

В качестве препятствий на пути дальнейшего развития называются такие факторы, как ограничения из-за физических размеров, стремительный рост энергопотребления и непомерно высокие затраты на производство. Действительно, данные барьеры были бы практически непреодолимы, если бы корпорация Intel использовала стандартные подходы. Но кто говорит о стандартных решениях?

Преодолевая технологические и физические барьеры

Прежде чем я представлю убедительные доказательства жизнеспособности закона Мура в будущем, постараюсь успокоить участников этой дискуссии. Целый ряд сделанных недавно открытий, а также текущие исследования показывают, что закон Мура будет действовать в течение еще как минимум нескольких десятилетий.

Некоторые аналитики беспокоятся по поводу скорого достижения предела физических размеров транзистора. Бояться нечего: в конце прошлого года мы продемонстрировали транзистор с длиной затвора всего 15 нм. Он был полностью функционален, хотя и «уменьшился» в четыре раза по сравнению с теми транзисторами, которые мы сегодня производим в массовом объеме.

Тем временем мы уже обсуждаем планы выпуска транзистора, работающего на терагерцевых частотах. В его конструкцию внесено множество инновационных решений и структурных изменений, цель которых — разрешить нарастающие проблемы энергопотребления и выделения тепла, с которыми сегодня сталкивается полупроводниковая отрасль. Недавно мы представили новую, усовершенствованную версию терагерцевого транзистора, названного трехзатворным. Показатели производительности у этого транзистора существенно улучшены, так что на нем вполне могут базироваться процессоры будущих поколений. Полномасштабное производство терагерцевых транзисторов планируется начать на наших фабриках во второй половине текущего десятилетия.

Кроме того, мы достигли существенного прогресса в создании революционных литографических установок, работающих в крайней части спектра ультрафиолетового излучения (EUV), с помощью которых производится печать шаблонов интегральных схем, а также в создании ультратонких энергосберегающих корпусов по технологии, получившей название Bumpless Build-Up Layer (BBUL).

Эти технологические прорывы дают нам полную уверенность в том, что в следующем десятилетии мы создадим процессоры, базирующиеся на многих миллиардах транзисторов, которые будут выполнять порядка триллиона операций в секунду. Замечу, что современные суперкомпьютеры осуществляют около 5 триллионов операций в секунду. Таким образом, в будущем пять терагерцовых процессоров по производительности будут эквивалентны современному высококлассному суперкомпьютеру. Иными словами, закон Мура жив, прекрасно работает и будет действовать еще долгие годы.

Я не хочу задерживаться на том, как закон Мура будет продолжать работать, поддерживая производство все более миниатюрных, быстродействующих и дешевых транзисторов в течение еще, по крайней мере, двух десятков лет. Я хочу развить философию, заключенную в нем, и распространить закон Мура за пределы мира транзисторов. Мы хотим применить этот закон к гораздо более широкому кругу устройств, которые можно интегрировать непосредственно на полупроводниковом кристалле, предложив тем самым новый подход к созданию компьютеров.

Пора подумать о создании 10-гигагерцовых процессоров…

В суете выработки новых стратегий и преодолении возникающих сложностей никогда не вредно взять тайм-аут, чтобы увидеть новые перспективы, обдумать альтернативную тактику и исследовать нетрадиционные подходы.

Успех при решении той или иной проблемы не всегда можно определить одними лишь количественными показателями, как, впрочем, и наличием вех и достижений. Есть, по крайней мере, еще одно мерило успеха: огромное количество ТВОРЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ и НОВЫХ ИДЕЙ, появившихся в процессе реализации проекта. Например, если мы создаем процессор меньшего размера, но с более широкими возможностями, то напрашивается очевидная идея — вынуть его из традиционного корпуса ПК и поместить в более миниатюрное устройство. Или же использовать освободившееся внутри компьютера место для придания ему новых функциональных особенностей, которые раньше были либо невозможны, либо экономически неэффективны.

Давайте поразмыслим о тех задачах, которые не могут быть выполнены компьютером на базе процессора с тактовой частотой 1 ГГц, то есть о более серьезных задачах, нежели обработка текстов и отправка электронной почты. Подумаем о приложениях, для обработки которых нужен не просто компьютер, реагирующий на вводимую информацию, но вычислительная машина, предугадывающая наши потребности и даже умеющая по-настоящему думать. Между вычислительной мощью, необходимой для выполнения таких задач, и производительностью современных универсальных компьютеров сегодня лежит огромная пропасть. Но в ближайшие годы этот разрыв будет заметно сокращен.

Будут ли созданы приложения, для которых потребуются процессоры с тактовой частотой 10 ГГц, 100 ГГц или даже 1000 ГГц? Изменятся ли модели использования компьютеров таким образом, что от процессоров потребуется постоянная готовность к взаимодействию независимо от конкретного вида компьютерного устройства или системы? Станут ли процессоры настолько миниатюрны и доступны, что в одном компьютере будет использоваться множество процессоров?

Я предполагаю, что на все три вопроса может быть дан положительный ответ. На базе технологических достижений, которые станут широко доступны в следующем десятилетии, разработчики смогут создавать гораздо более мощные устройства, чем мы имеем сегодня.

Радио на микросхеме?

Представьте себе, что мы можем интегрировать на одной микросхеме устройства для поддержки глобальных, локальных и персональных сетей. А что, если бы мы смогли расширить функциональность микросхемы также за счет функций передачи и приема радиосигналов, возможностей интеллектуального роуминга, оптимизации сети и постоянного IP-подключения? А что, если бы нам вдобавок удалось объединить на все том же кристалле устройства для передачи данных, голоса и видео? Вот было бы здорово, не правда ли?

Если бы мы смогли довести миниатюризацию полупроводниковых микросхем до такой степени, чтобы на кристалле сконцентрировались все интересующие нас функции, то мы смогли бы интегрировать на этой микросхеме и радиоприемник. Тогда каждый процессор мог бы содержать различные коммуникационные возможности, и его отличительной чертой стало бы постоянное подключение к сети. При этом, поскольку радио будет интегрировано непосредственно на процессоре, дополнительные затраты на реализацию новых функций будут сведены практически к нулю.

Недалек тот день, когда мы сможем создавать радиоустройства, способные работать в нескольких режимах и в разных сетях одновременно (например, «интеллектуальные» сотовые телефоны с интегрированной памятью, возможностями обработки приложений и немодулированной передачи данных), и все это будет сосредоточено на одном полупроводниковом кристалле. Вы сможете поместить этот кристалл в наручные часы, в миниатюрный наушник, в микрофон, закрепляемый на лацкане пиджака — да куда угодно! Хорошая новость: все эти «чудеса» станут доступны разработчикам приложений и потребителям уже в конце текущего десятилетия, а то и раньше. Действительно, используя новые подходы в КМОП-технологии и в технологии миниатюрных электромеханических систем (MEMS, micro-electrical mechanical systems), мы уже сегодня можем интегрировать все основные схемы и компоненты, необходимые для создания КМОП-кристаллов радиомикросхем, непосредственно на стандартной кремниевой КМОП-пластине. Наши исследования в этой области идут с большим опережением графика. Недавно я демонстрировал полнофункциональную цепочку трансивера, работающего на частоте 5 ГГц, реализованную на базе цифровой КМОП-технологии. Мы уверенно продвигаемся к нашей цели — реализации концепции «Radio Free Intel» в течение ближайших трех-пяти лет.

Экстрасенсорная чувствительность

Теперь давайте подумаем о том, где и как мы могли бы применить «миниатюрное полупроводниковое радио», которое только что «создали» в нашем воображении. Возможности здесь поистине безграничные. Можно создать уникальную сенсорную среду, например, для температурного или химического анализа, с использованием функций беспроводной передачи данных. А поскольку стоимость таких датчиков составит несколько центов — или даже долей цента, — то вполне возможно создать программы, интегрирующие вычислительные устройства в окружающую нас среду.

Имплантированные датчики наверняка найдут применение в медицине, начиная от мониторинга сердечного ритма, измерения кровяного давления и ряда других жизненно важных показателей до автоматического предупреждения врачей в случае необходимости неотложной помощи.

Сенсоры, внедренные в растения, можно использовать в сельском хозяйстве для того, чтобы определять, когда растениям не хватает влаги или удобрений. Датчики, помещенные в зону лесных пожаров, подскажут, где бушует наиболее сильный огонь.

На осеннем Форуме Intel для разработчиков (IDF) в прошлом году я продемонстрировал одно приложение, относящееся к нашей новой парадигме вычислительных систем. Благодаря использованию «сенсорной сети» для сбора информации о состоянии окружающей среды и среды обитания на острове Грейт-Дак (шт. Мэн), являющемся птичьим заповедником, мы получили данные о редких видах птиц и особенностях их поведения. Раньше мы просто не смогли бы собрать столь ценную информацию. А ведь этот пример — только верхушка айсберга.

Самонастраивающиеся беспроводные сети

Для того, чтобы устройства, которые мы сейчас вообразили, эффективно работали, необходимо соединить их в сеть, состоящую из множества узлов. Наши исследователи уже достигли значительного прогресса в этом направлении. Удалось создать специальные динамические и самонастраивающиеся сети, использующие компьютерные и коммуникационные сверхминиатюрные, работающие от батарей mote-сенсоры (или сенсоры-«пылинки»), которые ищут и самостоятельно устанавливают контакт с соседними сенсорами. Когда эти сенсоры перемещаются, сеть динамически изменяет конфигурацию. Наша задача состоит в том, чтобы сделать полупроводниковые датчики размером с пылинку.

Подобные сети мы демонстрировали на весеннем (2002 года) Форуме Intel для разработчиков, используя большие надувные мячи. По всей аудитории мы расположили более 100 датчиков и с базовой станции запустили серию алгоритмов, которые определяли положение каждого датчика и его ближайших датчиков-соседей. Сеть сама вычисляла оптимальный маршрут прохождения данных.

Мы прикрепили датчики и к мячам, которые потом раскидали по всей аудитории. На экране дисплея можно было наблюдать, по какому пути проходят данные. Узлы перенаправляли данные 20-25 раз в секунду в течение примерно пяти перемещений мячей, при этом скорость передачи данных составляла 10 Кбит/с. Для того, чтобы самостоятельно изменить конфигурацию сети, требовалось около 5 секунд.

Во время другой демонстрации мы создали самую большую в мире самонастраивающуюся сеть, состоявшую из нескольких тысяч узлов. Скажите, когда в последний раз вам удавалось всего за несколько секунд сконфигурировать сеть, содержащую хотя бы несколько десятков узлов?

Новый удивительный мир «на связи»

В немного более отдаленной перспективе гибридные технологии дадут возможность объединить в одном полупроводниковом кристалле оптические и электронные компоненты. По этому сценарию «все и вся» будут находиться на связи. Карманные устройства и ПК будут свободно связываться друг с другом. Более того, благодаря интеграции вычислительных и коммуникационных инфраструктур взаимодействие между любыми интеллектуальными электронными устройствами будет простым и удобным.

С помощью голосовых команд, отдаваемых по сотовому телефону, можно будет обновлять базы данных, настраивать домашнюю бытовую технику и передавать аудио- и видеофайлы по сети. Такой тип связи требует нового уровня коммуникационной функциональности и кардинального увеличения производительности.

Новые, подключенные к сети модели компьютеров, объединенные с экономичными полупроводниковыми фотонными элементами, обеспечат поддержку кластерных платформ. В результате можно будет установить связь по общей оптической IP-сети между системами хранения внешнего и среднего уровней и серверами баз данных. Это, в свою очередь, приведет к созданию новых классов сетей и автономных устройств — таких, например, как сверхминиатюрные датчики, способные выполнять работы, которые раньше невозможно было себе даже представить.

Итак, я постарался опровергнуть мнение тех скептиков, которые сомневаются в возможности достижения поставленных нами рубежей. Мы продолжим сотрудничество с разработчиками, которое уже привело к большим изменениям в нашем мире. Они будут поставлять инновационные приложения, а Intel — инфраструктуру и платформу, эффективность которых обусловлена большими масштабами производства. Вместе мы еще не раз поразим скептиков, делая сказку былью.