|
12.6.
Предельные
возможности
электронной
компьютерной
техники
В
1965
году
вышла
знаменитая
теперь
статья
Гордона
Мура
«
Переполнение
числа
элементов
на
интегральных
схемах
»
в
ко
-
торой
тогдашний
директор
отдела
разработок
компании
Fairchild
Semiconductors
и
будущий
соосно
-
ватель
корпорации
Intel
дал
про
-
гноз
развития
микроэлектроники
на
ближайшие
десять
лет
.
Он
предска
-
зал
,
что
количество
элементов
на
кристаллах
электронных
микро
-
схем
будет
и
далее
удваиваться
ка
-
ждый
год
.
Позднее
,
в
1975
году
,
Гордон
Мур
отметил
,
что
за
прошедшее
десятилетие
количество
элементов
на
кристаллах
действительно
удваи
-
валось
каждый
год
,
однако
в
буду
-
щем
,
когда
сложность
чипов
возрас
-
тёт
,
удвоение
числа
транзисторов
в
микросхемах
будет
происходить
каждые
два
года
.
Это
новое
предсказание
также
сбылось
,
и
закон
Мура
продолжает
в
этом
виде
(
удвоение
за
два
года
)
действовать
и
поныне
,
что
можно
наглядно
видеть
по
графикам
на
рис
. 12.15.
Этот
закон
подтверждается
и
для
тактовой
частоты
микропроцессоров
,
хотя
Гордон
Мур
неодно
-
кратно
утверждал
,
что
его
закон
относится
только
к
числу
транзи
-
сторов
на
кристалле
и
отражает
общие
для
многих
процессов
экс
-
поненциальные
закономерности
развития
.
В
связи
с
бурным
развитием
микроэлектроники
возникают
вопросы
.
Можно
ли
ожидать
появления
в
2020
году
электронно
-
го
микропроцессора
с
тактовой
частотой
100
ГГц
?
Возможно
ли
уменьшение
электрического
напряжения
на
ядре
микропроцес
-
сора
и
,
соответственно
,
уменьшение
теплоотдачи
?
Например
,
производство
памяти
и
процессоров
по
технологии
65
наномет
-
350
ров
уже
отлажено
,
на
2009
год
намечено
внедрение
32-
наномет
-
рового
,
а
в
2011
году
настанет
черёд
технологического
процесса
22
нм
.
Но
что
ожидается
после
2011
года
?
Станет
ли
возможным
создание
транзисторов
по
технологиям
16, 11
и
8
нм
с
длинами
затворов
транзисторов
7, 5
и
3
нм
соответственно
?
Рис
. 12.15.
Темпы
увеличения
плотности
транзисторов
(
а
)
и
частоты
процессоров
Intel
(
б
)
351
Возможности
миниатюризации
электроники
ограничены
тремя
фундаментальными
законами
.
Первый
из
них
ограничива
-
ет
минимально
возможное
напряжение
в
транзисторе
0,1
В
,
ни
-
же
которого
наступает
нестабильная
работа
,
вызванная
тепло
-
выми
шумами
.
Второй
фундаментальный
предел
по
энергии
электронной
ячейки
может
быть
получен
из
квантовой
механики
,
из
гейзен
-
берговского
соотношения
неопределенности
,
который
может
интерпретироваться
следующим
образом
:
физическое
измене
-
ние
энергии
квантовой
системы
связано
со
временем
переклю
-
чения
∆
t
следующим
неравенством
:
E
t
∆ ≥
∆
=
,
(12.6)
где
ħ
= 1,055·10
–34
Дж
·
с
–
постоянная
Планка
.
Соответственно
,
для
мощности
переключения
можно
записать
:
( )
2
.
P
t
∆ ≥
∆
=
(12.7)
Третий
фундаментальный
предел
связан
со
скоростью
распространения
электрического
импульса
по
микрочипу
,
кото
-
рая
не
может
быть
больше
скорости
света
в
вакууме
.
Отсюда
следует
ограничение
на
предельную
тактовую
частоту
микро
-
процессора
размером
1
×
1
см
2
,
которое
составляет
около
22
ГГц
.
Ограничивает
тактовую
частоту
и
электрическая
емкость
системы
,
возрастающая
с
увеличением
числа
элементов
на
мик
-
росхеме
.
Увеличение
тактовой
частоты
возможно
при
размещении
на
чипе
нескольких
синхронизированных
тактовых
генераторов
,
но
это
приводит
к
усложнению
архитектуры
микропроцессора
.
Современный
процессор
Pentium IV,
содержащий
55
млн
тран
-
зисторов
,
работает
с
тактовой
частотой
3
ГГц
при
потребляемой
мощности
около
100
Вт
.
352
Потребляемая
и
соответственно
выделяемая
процессом
энергия
определяется
не
только
активными
потерями
,
связан
-
ными
с
информационным
представлением
,
но
также
и
с
различ
-
ными
пассивными
потерями
в
электронных
схемах
.
К
таким
па
-
разитным
эффектам
относится
диссипация
энергии
на
сопро
-
тивлениях
переключателей
и
соединений
из
-
за
утечки
тока
.
Физические
механизмы
,
обуславливающие
эти
утечки
то
-
ка
,
определяются
туннельным
эффектом
,
термоэлектрической
эмиссией
,
генерацией
носителей
в
области
пространственного
заряда
и
другими
физическими
эффектами
.
Уменьшение
характерного
размера
микросхем
приводит
только
к
увеличению
пассивных
потерь
,
причем
их
рост
происхо
-
дит
быстрее
активных
,
что
наглядно
представлено
на
рис
. 12.16.
Энергия
активных
и
пассивных
потерь
полностью
диссипиру
-
ется
в
электронных
логических
ячейках
и
порождает
пробле
-
мы
теплоотвода
.
Рис
. 12.16.
Рост
потерь
мощности
в
полупроводниковых
процессорах
Таким
образом
,
основные
ограничения
электронной
ин
-
формационной
технологии
сводятся
к
следующим
.
С
ростом
чис
-
353
ла
элементов
на
микросхеме
увеличивается
электрическая
ем
-
кость
системы
,
препятствующая
увеличению
тактовой
частоты
;
растет
число
межсоединений
и
,
соответственно
,
увеличивается
время
задержки
прохода
сигнала
между
макроструктурами
про
-
цессора
;
возрастают
активные
и
пассивные
потери
,
что
приводит
к
нагреву
системы
и
проблеме
отвода
тепла
.
12.7.
Оптические
системы
обработки
информации
В
основе
оптических
методов
обработки
информации
ле
-
жат
явления
преобразования
пространственно
-
модулированных
оптических
сигналов
в
оптических
устройствах
и
системах
на
принципах
как
геометрической
,
так
и
волновой
оптики
.
Опти
-
ческая
обработка
информации
осуществляется
в
оптическом
процессоре
–
аналоговом
либо
оптоэлектронном
устройстве
,
определенным
образом
изменяющем
амплитуду
и
фазу
простран
-
ственно
-
модулированного
оптического
сигнала
,
содержащего
ин
-
формацию
об
объекте
.
Системы
оптической
обработки
информа
-
ции
являются
составной
частью
оптического
компьютера
.
Волновая
и
корпускулярная
природа
света
обуславливает
многочисленные
преимущества
оптических
систем
для
задач
передачи
,
хранения
и
обработки
информации
:
–
частота
оптического
излучения
составляет
10
12
…10
16
Гц
,
что
позволяет
создать
10
4
информационных
каналов
со
спек
-
тральной
шириной
100
ГГц
;
–
передача
информации
происходит
действительно
со
скоростью
света
с
= 3·10
10
см
/
с
;
–
большое
число
световых
пучков
могут
свободно
прохо
-
дить
по
одной
и
той
же
области
пространства
,
пересекаться
и
не
влиять
друг
на
друга
;
–
использование
двумерного
(
изображения
)
и
трехмерного
(
голограммы
)
характера
световых
полей
;
–
параллельная
передача
и
обработка
информации
c
одно
-
временной
работой
на
различных
длинах
волн
;
354
–
когерентная
обработка
оптической
информации
с
исполь
-
зованием
фазовых
соотношений
;
–
два
состояния
поляризации
(
горизонтальная
и
вертикаль
-
ная
или
круговая
,
по
левому
или
правому
кругу
)
увеличивают
вдвое
объем
переносимой
информации
;
–
оптическая
система
ничего
не
излучает
во
внешнюю
среду
,
обеспечивая
защиту
от
перехвата
информации
,
и
нечувствительна
к
электромагнитным
помехам
.
Do'stlaringiz bilan baham: |
