CeBIT 2008: микропроцессоры INTEL — поступь технологий

Д. Меркулов, В. Меркулов

Удивительное рядом — но оно запрещено... инерцией мышления.

В. Высоцкий

Немного истории. В послевоенной Германии в секторе и по инициативе властей английской зоны оккупации на окраине Ганновера только созданная тогда организация DEUTSCHE MESSE (DM) в августе 1947 г. впервые провела промышленную ярмарку на территории бывшего авиационного завода в уцелевших от бомбардировок и артобстрелов корпусах. В дальнейшем к ним добавили и другие восстановленные цеха и здания.

Рис. 1

Сейчас в Ганновере, насчитывающем около 520 тыс. жителей, расположен крупнейший на планете экспозиционный центр с 27-ю крытыми павильонами площадью 227 700 м2, самым большим в Европе Конгресс-зданием с 35-ю залами для заседаний (рис. 1 из ресурса «Google maps», вид с высоты 1350 м, стрелками помечены входы в комплекс).

Каждый год DM проводит 50 международных выставок и ярмарок, обеспечивающих занятость 90% трудового населения города и его окрестностей. Выделившуюся в отдельное специализированное направление с 1986 г. ежегодную выставку CeBIT (Центр деловых и информационных технологий) в череде проходящих по миру аналогичных мероприятий отмечают как весьма заметное и успешное событие.

Краткая статистика. Прошедшую, как обычно весной, с 3-го по 9 марта CeBIT 2008 с 5945-ю участниками из 77 стран посетили около 495 000 человек, из которых примерно 100 000 прибыли из-за границы со всех континентов. Помимо обширной экспозиции России, из стран бывшего СССР были замечены представительства Азербайджана, Украины, Эстонии. Освещали работу выставки около 7000 германских и зарубежных журналистов. По мнению организаторов, благодаря СМИ мероприятие охватило аудиторию в 880 млн человек.

Показу высших информационных технологий предшествовала церемония открытия CeBIT 2008, где выступили с приветственными речами канцлер Германии А. Меркель, президент Франции (страны-партнера) Н. Саркози, президент Еврокомиссии Ж. М. Баррозу, генеральный директор корпорации MICROSOFT С. Балмер.

Участникам CeBIT 2008 заранее были предписаны условные разделы экспозиции:

1. компьютерные и мобильные технологии;
2. решения для дома;
3. новинки в общественном секторе;
4. мобильные коммуникации в здравоохранении;
5. новые технологии обучения;
6. инновации в области дизайна;
7. направления бизнеса;
8. консалтинг и услуги;
9. наем сотрудников;
10. дополнительная программа конференций, дискуссий и форумов по «зеленым технологиям», т. е. поддерживающим движение защитников окружающей среды.

Интересных изделий на выставке больше всего было в первом разделе. В связи с этим ниже дан краткий обзор развития вычислительной техники на примере фирмы INTEL (Integrated Electronics) — ведущей в мире компании по разработке и производству микропроцессоров, приступившей к их созданию 40 лет назад. Интересна и история ее становления.

ВосходINTEL.Вдекабре 1947 г. американские физики У. Шокли (1910- 1989), У. Браттейн (1902-1987), Дж. Бардин (1908-1991) завершили разработку точечного полупроводникового триода-транзистора [1]. При проведении экспериментов в лаборатории большее время проводили Браттейн и Бардин, поэтому заявку на изобретение они подали на двоих. Руководитель работ Шокли продолжил исследования и к середине 1951 г. разработал плоскостной транзистор, единолично оформив заявку на его изобретение. Все вместе в 1956 г. они были удостоены Нобелевской премии. В том же 1956 г. в городе Пало-Альто (штат Калифорния) Шокли организовал свою фирму SHOCKLEY SEMICONDUCTOR Labs (SHSL), ставшую началом создания знаменитой «Силиконовой долины».

Покинувший вскоре SHSL физик Р. Нойс (1927-1990) к февралю 1959 г. разработал микросхему, заменившую ранее изготавливаемые микромодули, которые содержали нарезанные из пластин кремниевые транзисторы. В микросхеме Нойс предложил изолировать транзисторы друг от друга обратносмещенными p — n переходами, покрывать их изолирующим слоем окисла кремния, а поверх напылять алюминиевые соединения.

Однако на полгода раньше, в сентябре 1958 г., созданную по схожей методике микросхему на германиевых транзисторах впервые предложил миру (с оформлением единоличной заявки на патент) физик-электротехник Дж. Килби (1923-2005) из компании TEXAS INSTRUMENTS. В 2000 г. за изобретение микросхемы он получил Нобелевскую премию (совместно с российским физиком Ж. Алферовым).

В июле 1968 г. Нойс и его коллега по SHSL инженер-физик Г. Мур (1929 г. рожд.) основали небольшую фирму, ставшую впоследствии корпорацией INTEL, с головным офисом, называемым сейчас «Robert Noyce Building» в городе Санта-Клара («Силиконовая долина» в штате Калифорния). Через совсем короткое время к ним присоединился сослуживец по SHSL инженер-химик венгерского происхождения А. Гроув (1936 г. рожд.). Для составленного первого бизнес-плана оказалось достаточно всего лишь одной страницы формата А4.

В созданной компании до 1975 г. президентом был Нойс. Мур замещал его, одновременно занимая пост главного управляющего. С 1975 г. до 1979 г. обязанности президента исполнял Мур, потом он снова работал главным управляющим до 1987 г., после чего стал председателем совета директоров (ПСД), а с 1997 г. — почетным ПСД.

Рис. 2. Отцы — основатели INTEL

Много постов переменил и Гроув, руководивший INTEL как президент с 1979 г. по 1987 г. Он был также главным управляющим в 1987-1997 гг., ПСД в 1997-1998 гг., председателем правления в 1998-2004 гг. Всех троих отцов — основателей ставшей знаменитой компании можно видеть на рис. 2.

Следует сообщить, что годом позже после образования INTEL, в 1969 г., их бывшие сотрудники по работе в SHSL во главе с Дж. Сандерсом (1937 г. рожд.) основали конкурирующую компанию AMD (Advanced Micro Devices) со штаб-квартирой в городе Саннивел (также в «Силиконовой долине»), ставшую в США второй по значимости в разработке и производстве микроэлектронных изделий. Сандерс стал в ней бессменным ответственным руководителем и исполнительным директором.

Суперпророчество. Ясновидец Мур. В американском журнале «Electronics» № 4 за 1965 г. Мур выступил с прогнозом эволюции микроэлектроники на десятилетие. Он объявил, что число активных элементов в микросхемах будет удваиваться каждые один-полтора года. Одновременно будет повышаться их быстродействие при снижении себестоимости и увеличении спроса. Последующие годы подтвердили правоту смелого заявления. Высказанное правило в 1970 г. получило определение «Закон Мура».

Существует еще несколько прочтений закона. Например, производительность микропроцессоров и соответственно вычислительные способности компьютеров удваиваются каждые 1,5 года. Выступая на научной конференции в 1975 г., Мур подкорректировал предсказанный показатель с учетом возросшей сложности микросхем: предложил увеличить срок до двух лет.

С самого начала INTEL успешно развивала разработку метал-оксидной полупроводниковой технологии PMOS с использованием диоксида кремния (SiO2) в качестве изолятора затвора транзисторов. Были созданы надежные с малыми габаритами микросхемы памяти: SRAM (Static RandomAccessMemory) и DRAM(Dynamic RAM). В номенклатуре изделий фирмы они сохраняли доминантное положение вплоть до 1990 г.

Рис. 3

Технологии — предшественники. В 1971 г. японская фирма BASICOM обратилась в INTEL с техническим заданием на разработку 12 микросхем. В ответ было предложено объединить их в одну универсальную управляемую сборку. Так появился процессор Intel 4004 (рис. 3,а), спроектированный по технологии (PMOS) 10 мкм в кристалле размерами 3,18в1,59 мм и сопоставимый по производительности с первой ламповой ЭВМ «ENIAC» разработки 1946 г. [1]. В 1972 г. заказчик на основе процессора Intel 4004 создал «Basicom calculator» — вычислительный калькулятор (рис. 3,б), проложивший путь к появлению массового персонального компьютера (ПК).

Таблица. Cведения обо всех достижениях INTEL в разработке микропроцессоров

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Процессор Intel 4004 встроили также в бортовую аппаратуру расчета траектории полета космического зонда «Pioneer-10», запущенного американским аэрокосмическим управлением NASA в межпланетное пространство в том же 1972 г. При этом успех такого модуля рассматривали, прежде всего, применительно к расширению номенклатуры микросхем памяти. Для наглядности в публикуемую здесь таблицу собраны сведения обо всех достижениях INTEL в разработке микропроцессоров.

Отметим, что процессор Intel 8080 (рис. 4,а) стал первым устройством, обеспечивающим видеоигры. В 1975 г. в обращение поступил самый ранний и успешный бытовой ПК «Altair 8800», сконструированный на таком процессоре (рис. 4,б и в).

Процессор Intel 8086 послужил основой для разработки портативного изделия. По заданию NASA американская компания GRID Systems разработку первого ноутбука (НБ) «GRID Compass 1100» (рис. 5,а) с цветным электролюминесцентным экраном завершила в 1979 г. На рис. 5,б показан американский космонавт Дж. Крейтон с этим НБ в космическом корабле Shuttle «Discovery».

В августе 1981 г. модуль Intel 8088 — выдающийся образец техники для того времени — американской компанией IBM был использован в центральном процессоре компьютера IBM PC5150 (рис. 6,а и б — материнская плата) — прародителя современных ПК. Процессор Intel 80286 стал первым преемником в запуске программ предшественников. Представленный в октябре 1990 г. Intel 80386SL с числом элементов 855 000 по технологии 1000 нм отличился малым энергопотреблением. Его первым рекомендовали для НБ широкого применения.

Intel 80486 впервые позволил управлять ПК выведенной на экран «точкой» (курсором). Процессор Intel «Pentium» облегчил объединение многих функций в одном ПК. Intel «Pentium М» — первый двухядерный процессор, специально оптимизированный для НБ Intel «Centrino» [2].

14-я нанотехнологическая инициатива. В последние четыре позиции таблицы внесены сведения о недавних разработках по новой технологии 45 нм. Отметим, что ранее в 13-ти предыдущих поколениях, в том числе и трех последних (130, 90, 65 нм), разработчикам кристаллов (ядер) удавалось находить оптимальные решения по оптимизации токов утечки, энергопотребления и тепловыделения при одновременном повышении быстродействия. Вместе с тем в транзисторах по технологии 65 нм [2] толщина диэлектрической прослойки из оксида кремния между затвором и каналом равна всего пяти атомным слоям кремния, т. е. 1,2 нм. Дальнейшее ее истончение не позволяет реализовать технологию 45 нм.

По изначальной методике MOSFET кремниевые микросхемы выпускали с 1960-х годов. Специалисты INTEL впервые посягнули на, казалось бы, незыблемые устои их изготовления: предложили заменить диоксид кремния новым изоляционным материалом. Выбор пал на гафний — редкоземельный элемент № 72 в таблице Д. И. Менделеева, открытый в 1923 г. Сам гафний, будучи металлом, проводит электрический ток, а хорошими изоляционными свойствами обладает окисел гафния HfO2. Он превосходит окисел кремния по качественнымхарактеристикампримерно в 10 раз. Новый материал с высокой диэлектрической проницаемостью К условно обозначают «high K». Толщину прослойки избрали равной 1-3 нм. Получают ее атомарным напылением (слоями в один атом). Для совместимости с ней понадобилось заменить и материал самого затвора. Подходящими оказались силициды — соединения кремния с никелем (NiSi) и другими металлами, которые обозначают «metal gate». На рис. 7 показаны отличия транзистора по технологиям 45 нм (рис. 7,а — в разрезе при увеличении ≈1300 000 : 1 — и б) и 65 нм (рис. 7,в). Г. Мур определил новые решения как «наиболее серьезные изменения в транзисторной технологии за последние 40 лет».

Следует отметить, что к началу текущего столетия наряду с разработкой INTEL микропроцессоров с очень высокими характеристиками подоспел и MICROSOFT с доступным программированием, а на востоке взошло «китайское экономическое чудо» — малозатратное производство. В результате пользователи получили доступные по цене и довольно простые в эксплуатации устройства, по уровню совершенства значительно опережающие многие привычные приборы во всех сферах жизни. Некоторые популяризаторы науки и техники полагают, что если бы в других областях человеческой деятельности развитие технологий соответствовало темпам совершенствования микропроцессоров, то сейчас по цене менее одного цента (23...24 коп. по российскому курсу) продавали бы легковые автомобили, билеты на самолет в любое место планеты, квадратные метры жилой площади и др.

Интересно при этом указать, что в основном штате INTEL и ее филиалах по всему миру числятся 86 300 работников. Финансовый оборот компании в 2007 г. составил 38,3 млрд долл. США.

В начале июня этого года «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНОТЕХ) и корпорация INTEL в рамках 12-го Петербургского экономического форума подписали соглашение о намерениях. Они обязались проводить совместные научно-исследовательские работы по разработке и программированию многопроцессорных систем, методов и средств построения устройств по технологии 45 нм и менее, подготовке кадров. Сообщим, что еще в 2004 г. отделение INTEL в России образовало в Московском физико-техническом институте на факультете радиотехники и кибернетики кафедру микропроцессорных технологий. Преподают на ней сотрудники американской корпорации. Ежегодно 10 самых успешных студентов старших курсов обучаются в институте, будучи зачисленными в штат INTEL.

Сотрудничают с INTEL и другие российские ВУЗы. В университетах Томска, Уфы, Челябинска установлены суперкомпьютерные кластеры (СКК — совокупность компьютеров, объединенных волоконно-оптическими линиями связи). Всего в российских ВУЗах в 2007- 2008 гг. построили около 20 супервычислителей. СКК производительностью 10,1 трлн операций/с установлен в компьютерном центре Российской Академии наук (РАН).

В Москве 19 марта 2008 г. в МГУ введен в эксплуатацию самый большой в России и странах СНГ СКК СКИФ (22-е место в мировом рейтинге). Он имеет максимальную производительность 60 трлн операций с плавающей запятой в секунду (реально 47,04 трлн операций/с), объем постоянной памяти 60 ТБ и оперативной памяти 5,5 ТБ. Он занимает площадь 96 м² и объединяет 625 серверов, содержащих 1250 четырехядерных микропроцессоров INTEL Xeon E5472, изготовленных по технологии 45 нм. В NASA подобный СКК (88,88 трлн операций/с) используют для моделирования траекторий полетов и посадки гиперзвуковых самолетов и межпланетных станций, проектирования скафандров космонавтов.

Рис. 8

Воплощение идеи. О начальной стадии работ по технологии 45 нм специалисты INTEL доложили в выступлениях на форуме IDF (INTEL Developer Forum), проходившем еще в октябре 2004 г. в РАН. В январе 2006 г. они заявили об изготовлении пробных микросхем SRAM-памяти объемом 153 Мбит, содержащих более 1 млрд транзисторов на площади примерно 119 мм². На выставке CES 2008 в Лас-Вегасе INTEL показала уже серийно производимые двухядерные микропроцессоры «Core 2 Duo Wolfdale» новой технологии, состоящие из двух кристаллов «Penryn» и предназначенные для НБ и настольных ПК. Вид процессора сверху и снизу, а также внутреннюю разводку можно посмотреть на рис. 8.

В кристалле на площади 107 мм² помещено 410 млн транзисторов при кэш-памяти L2 объемом 6 МБ. Для сравнения заметим, что площадь современной российской монеты в 1 коп. равна 191 мм². Модели линейки «Wolfdale» работают с тактовыми частотами от 2,1 до 2,8 ГГц и частотой системной шины FSB (Front Side Bus) 800 МГц.

Однако двумя месяцами раньше, в ноябре 2007 г., INTEL публично представляла линейку четырехядерных процессоров «Core 2Quad Yorkfield», специализированных под настольные ПК. В них сочленены два двухядерных модуля «Wolfdale». Микропроцессоры «Yorkfield» рассчитаны на тактовые частоты 2,5...3 ГГц, FSB 1333 МГц, имеют память L2 6 МБ.

Все новые процессоры обеспечивают меньшие токи утечки и пониженное тепловыделение, повышенную на 20% скорость переключения активных элементов (что особенно важно при обработке видеосигналов), уменьшенное на 30...40% энергопотребление.

Рис. 9

Перед началом CeBIT, 2 марта 2008 г., INTEL представила сверхминиатюрный процессор «Atom». Ядро микросхемы площадью 25 мм² вмещает 47 млн. транзисторов, напыленных по технологии «High K metal gate» (рис. 9). При создании процессора был достигнут компромисс производительности и пониженного энергопотребления, миниатюрности и невысокой цены. Устройства на основе «Atom» при малых габаритах и массе способны на быстрый и полноценный доступ в Интернет и параллельную потоковую обработку двух и более операций (Hyper-Treading).

Процессоры «Atom Z Silverthorne» предназначены для следующих поколений недорогих субНБ и ультрамобильных ПК, в том числе карманных и смартфонов. Они работают с тактовыми частотами 1333...1866 МГц, FSB 533 МГц, памятью L2 512 КБ.

Модели «Atom N Diamondville» спроектированы под новую волну настольных ПК и НБ. Пока известно, что некоторые из них работают с тактовой частотой 1,6 ГГц и теми же FSB и памятью L2. Ожидается двухядерная версия «Diamondville». На все микропроцессоры «Atom» INTEL дает гарантию 7 лет.

Путешествие в наномир продолжается. INTEL в ближайшем будущем планирует запустить в обращение восьмиядерные процессоры на основе кристаллов «Penryn». Она продолжит ранее объявленные работы по преодолению технологического рубежа в 32 нм. Серьезность намерений руководители организации демонстрировали на форуме IDF в сентябре 2007 г., где показали пробные изделия SRAM-памяти объемом 291 Мбит, содержащие 1,9 млрд транзисторов. При этом они пояснили, что шесть транзисторов каждой ячейки микросхем удалось разместить на площади, равной 0,182 мкм².

Интерес к технологии 45 нм, в основном применительно к устройствам памяти, проявляют многие другие компании. Так, японская корпорация MATSUSHITA уже наладила выпуск новых многофункциональных микросхем. Американское объединение IBMсовместно с компаниями INFINEON из Германии, CHARTERED SEMICONDUCTOR из Сингапура и некоторыми предприятиями из Южной Кореи планируют начать выпуск новых микропроцессоров в конце 2008 г. — начале 2009 г. Ведущее в Китае полупроводниковое сообщество фабрик SMIC исследует возможности освоения технологии 45 нм по лицензии от IBM. AMD надеется приступить к серийному выпуску собственных микропроцессоров 45 нм к концу 2008 г.

В России в г. Зеленограде, под Москвой, 12 декабря прошлого года открыли завод по изготовлению микросхем технологии 180 нм. В самом конце 2007 г. Правительственная инвестиционная комиссия одобрила проект строительства объекта по производству микросхем по технологии 65 и 45 нм. Проект завода предоставила компания «Ситроникс-Нанотехнологии».

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Новое поколение НБ. Несмотря на небольшое время, прошедшее со дня показа новых микропроцессоров, на CeBIT 2008 повстречалось уже много действующих опытных и серийных образцов настольных ПК, НБ, субНБ, использующих изделия технологии 45 нм. Рассмотрим увиденные на стендах и привлекавшие внимание посетителей некоторые НБ.

Аппарат «MSI GX-600» (рис. 10) производства тайваньской компании MSI работает с операционной системой «Windows Vista Home Premium» (WVHP). Он содержит процессор «Intel Core 2 Duo T7500» с тактовой частотой 2,6 ГГц и микросхему «Intel 965PM Express». Он имеет оперативную память 2 ГБ (DDR-2 667МГц). Снабжен HDD объемом 250 ГБ SATA со скоростью 5400 мин-1, LCD с диагональю экрана 39 см (15,4''), видеокартой “NVIDIA GeForce 860 M GT” 512 МБ/Turbo Cache 1280 МБ, записывающим приводом DVD/CD +/-R/RW, видеокамерой на 1,3 Мпкс, кард-ридером SD/MMC/MS, стереоусилителем ЗЧ с громкоговорителями, устройствами Wi-Fi/Bluetooth. Габариты — 258в259в27 мм, масса — 2,6 кг.

Комплект “ASUSM50S” (рис. 11), серийно выпускаемый другой тайваньской компанией ASUS, с процессором “Intel Core 2 Duo T9300” на 2,5 ГГц (памятью L2 6 ГБ и FSB 800 МГц), также работает с WVHP и содержит ту же микросхему “Intel 965 PME”. Он имеет оперативную память 4 ГБ (2хDDR-2 667 МГц). Снабжен HDD 250 ГБ, LCD с диагональю 39 см (15,4''), видеокартой «NVIDIA GeForce 9500M GS», записывающим приводом DVD/CD, видеокамерой на 1,3 Мпкс, кард-ридером1в8 КП, усилителем ЗЧ, адаптерами Wi-Fi/Bluetooth. Габариты — 375в270в44 мм, масса — 3 кг.

НБ «Toshiba Satellite A300-11I» производства японского объединения TOSHIBA содержит микропроцессор «Intel Core 2 Duo T8100» с тактовой частотой 2,1 ГГц (L2 3МБ, FSB 800МГц) и работает с той же ОС WVHP. Он снабжен HDD 160 ГБ, LCD с диагональю 43 см (17''), записывающим приводом DVD/CD, видеокамерой 1,3 Мпкс, стереоусилителем ЗЧ с динамическими головками, видеокартой и устройством оперативной памяти, схожими с рассмотренными выше НБ.

Аппарат “Thinno” (рис. 12) китайской фирмы THINNO оснащен микропроцессором “Intel Atom Z 530” с тактовой частотой 1,6 ГГц (L2 512 КБ, FSB 533 МГц), управляемым ОС “Windows XP”. Он снабжен LCD с диагональю17,8 см (7'') и разрешением 800x480 пкс, слотами карт памяти SD, ExpressCard 34, тремя портами USB, входными разъемами LAN (Ethernet 10/100 Мб/с), выходом VGA.

Еще на CeBIT посетители толпились возле НБ «Apple Mac Book Air» и «Sony TZ 21» на стендах американской APPLE и японской SONY компаний соответственно. Аппараты привлекали современным дизайном. Первый из них провозглашен как самый тонкий НБ вмире, однако в нем отсутствует привод DVD/CD. Чуть более утолщенный TZ 21 имеет его. Оба устройства характеризуются недостатком разъемов и слотов коммутации с внешней оргтехникой. Кроме того, в них использованы микропроцессоры технологии 65 нм, ставшие уже прототипами.

Литература

1. Меркулов В. 60 лет создания транзистора. Начало применения полупроводников. // Радио, 2007,№ 12, с. 7-9; 2008,№ 1, с. 5-7.
2. Меркулов В. CeBIT-2007 — в Ганновере. Что нового? // Радио, 2007, № 8, с. 9-13;№ 9, с. 8-11.

Статья опубликована в журнале «Радио» № 9, 2008 г.
Помещена в музей 23.12.2008
Перепечатывается с разрешения авторов.