Przemysł półprzewodnikowy jest u progu poważnych przemian technologicznych. Wyścig na nowe, innowacyjne konstrukcje będzie co najmniej tak zaciekły, jak dotychczasowa wojna na megaherce.

W ostatnich latach projektanci procesorów zwiększali wydajność nowych modeli zgodnie z 2-letnim cyklem wprowadzania nowych technologii wytwarzania tranzystorów o coraz mniejszych wymiarach. Mniejsze elementy układów półprzewodnikowych umożliwiały zwiększenie częstotliwości zegara i pojemności wbudowanej pamięci podręcznej bez konieczności wprowadzania istotnych zmian w architekturze mikroprocesorów, która z generacji na generację niewiele się zmieniała.

Obecnie, w przeddzień uruchomienia masowej produkcji układów przy wykorzystaniu technologii 90-nanometrowej, większość producentów zdała sobie sprawę, że tego typu strategia musi ulec modyfikacji. Wynika to m.in. z tego, że przy tak małych tranzystorach i bramkach defekty na poziomie pojedynczych atomów występujące w materiale półprzewodnikowym mogą spowodować nawet stukrotny wzrost upływności prądu w porównaniu z jego wartością uzyskiwaną dotychczas. Dalsze zwiększanie wydajności, w tempie zbliżonym do obecnego, wymaga zmian w architekturze procesorów.

Takie modyfikacje są już wprowadzane: dwu- lub wielordzeniowe układy, zintegrowane wielopoziomowe systemy pamięciowe i nowe wersje oprogramowania sterującego pracą procesorów są tego najlepszymi przykładami. Oczywiście, to nie takie proste. "Oznacza to wejście na drogę dotychczas nieznaną i wymaga dużego wysiłku konstruktorów, którzy muszą dopiero zidentyfikować potencjalne problemy i określić, które z nowych rozwiązań staną się standardami w przyszłości" - mówi Bernie Meyerson, wiceprezes IBM Systems and Technology Group.

Takie opinie nie są w przemyśle półprzewodnikowym odosobnione. Już od roku pojawiają się doniesienia o problemach z opanowaniem upływności prądu w układach wytwarzanych przy wykorzystaniu nowej technologii 90 nm, a jednocześnie można było zauważyć, że Intel wyraźnie ograniczył tempo zwiększania częstotliwości w nowych modelach procesorów.

Jak nie zegar, to...

W latach 80. starą technologię tranzystorów bipolarnych zastąpiono nową - CMOS . Jej możliwości były tak przełomowe, że przez lata wystarczały do utrzymania prawie stałego tempa podnoszenia wydajności mikroprocesorów. Obecnie niezbędna jest równie radykalna zmiana, ale nikt jeszcze nie wie, jak będzie ona wyglądać i opinie specjalistów na ten temat wciąż są bardzo różne.

Jednym z rozwiązań jest architektura dwu- lub wielordzeniowa. IBM już w 2001 r. wprowadził procesory Power4 wyposażone w dwie zintegrowane jednostki CPU, a obecnie konstrukcje tego typu zapowiada większość innych producentów. Zaletą rozwiązania jest to, że dwa układy zintegrowane na jednej płytce krzemowej, przy mniejszej częstotliwości zegara mogą mieć większą wydajność od pojedynczego procesora, a jednocześnie nie zużywać więcej energii.

Bernie Meyerson jest jednak sceptyczny. "Zwiększanie liczby zintegrowanych jednostek CPU na zasadzie «im więcej, tym lepiej» nie przyniesie długotrwałych efektów. Tego typu strategia byłaby równie krótkowzroczna, co poleganie tylko na zwiększaniu częstotliwości układów" - mówi. Jako przykład ewolucji architektury systemów mikroprocesorowych i nowych rozwiązań umożliwiających wzrost wydajności, jak można było oczekiwać, wskazuje na najnowszy superkomputer IBM Blue Gene.

Blue Gene wykorzystuje tysiące procesorów pracujących z częstotliwościami znacznie mniejszymi od dostępnych w popularnych, wytwarzanych obecnie masowo układach, ale umożliwił maszynie IBM odzyskanie miana najszybszego komputera na świecie. Jego wydajność to ponad 36 teraflopów (bilionów zmiennoprzecinkowych operacji na sekundę). Najbardziej godne uwagi jest jednak to, że Blue Gene ma wymiary 100 razy mniejsze od zdetronizowanego japońskiego superkomputera Earth Simulator i zużywa 28-krotnie mniej energii.

Nie oznacza to jednak, że nastąpi przerwanie tendencji do zmniejszania tranzystorów. W dalszym ciągu, co 2 - 3 lata producenci będą wprowadzali nowe procesy technologiczne umożliwiające wytwarzanie coraz mniejszych układów. Jednocześnie rosnąć będzie znaczenie takich innowacji, jak zastosowanie odprężonych płytek krzemowych (strained silicon) lub SOI (silicon-on-insulator).

UltraSPARC z plusem

Sun zapowiedział wprowadzenie w połowie 2005 r. nowych modeli procesorów UltraSPARC IV+ o wydajności dwukrotnie wyższej od obecnie dostępnych układów. Ma to być możliwe przede wszystkim dzięki wprowadzeniu mechanizmów pracy wielowątkowej, zwiększeniu pojemności pamięci podręcznych i układów buforujących, ale także wyższym częstotliwościom zegara, które początkowo mają wynosić 1,8 GHz, a kolejne modele mają przekroczyć poziom 2 GHz. Zegary obecnych układów UltraSPARC IV są taktowane na poziomie 1,2 GHz.

Procesory "z plusem" będą pierwszymi układami Sun Microsystems wytwarzanymi w 90-nanometrowej technologii.

Sun zapowiada, że nowa generacja układów zostanie wyposażona w 2 MB zintegrowanej pamięci podręcznej L2 oraz aż 32 MB dodatkowej, zewnętrznej pamięci podręcznej, czyli dwa razy więcej niż obsługują obecnie dostępne modele. Procesory będą mogły współpracować z pamięciami RAM typu DDR. Podobnie jak UltraSPARC IV, nowe układy będą zawierały dwa rdzenie obliczeniowe.

Choć ulepszenia te są znaczące, UltraSPARC IV+ wciąż nie będą mogły konkurować z najwydajniejszymi modelami procesorów oferowanymi przez IBM i Intela. Dopiero nowe generacje układów o kodowych nazwach Niagara i Rock mogą wprowadzić istotne jakościowe zmiany w ofercie Sun i umożliwić firmie efektywną konkurencję z tymi producentami. Według zapowiedzi systemy z 8-rdzeniowymi procesorami Niagara mają się pojawić na rynku w 2006 r.

Sun zamierza również oferować komputery z opracowywanymi przez Fujitsu procesorami Olympus (SPARC64 VI) opartymi na podobnej architekturze i wytwarzanymi przy wykorzystaniu technologii 90-nanometrowej. Te dwurdzeniowe układy mają pojawić się również w 2006 r. Będą miały częstotliwość nie mniejszą niż 2,4 GHz i 6 MB zintegrowanej pamięci podręcznej L2. Fujitsu już zapowiada na 2007 r. kolejne modele SPARC64+, które będą wytwarzane w technologii 65-nanometrowej.