Те, кто думают, что в конструкции современных компьютеров не осталось ничего общего с первыми «античными» образцами, заблуждаются. С тех давних пор и поныне для подключения конструктивных модулей используются контакты и медные проводники. Даже самый производительный микропроцессор, как и легендарный Intel 4004, подключается контактами к системной плате, которая, в свою очередь, представляет собой многослойный пирог из проводников — почти так же, как типовые элементы замены (ТЭЗы) или ячейки в ЭВМ первого и второго поколений. Инженеры из Sun Microsystems предлагают принципиально новое решение, которое позволит в перспективе отказаться от, казалось бы, незыблемых атрибутов конструкции компьютеров — печатных плат и контактов.

Есть категория изобретений, появление которых исторически предопределено: они с неизбежностью замещают превратившихся в анахронизм предшественников. Очень часто механические и аналоговые приборы уступают место цифровым; взять, хотя бы, замену виниловых пластинок компакт-дисками, а затем и DVD, автомобильных карбюраторов — системами электронного впрыска, или множество других примеров. Точно таким же анахронизмом представляется сегодня подключение микропроцессора, содержащего сотни миллионов транзисторов, к системной шине контактами — так, как это делалось на протяжении предшествующих десятилетий истории компьютеров. Давным-давно лампы сменили транзисторы, появились просто микросхемы, потом очень большие микросхемы, а контакты оставались на службе архитекторов компьютерных систем. На смену немыслимой сложности проводным жгутам пришли изящные печатные платы, однако сам принцип гальванического соединения остался неизменным.

Первыми крамольную идею отказа от гальванических контактов для подключения микросхем (и способ ее реализации) выдвинули ученые из исследовательской лаборатории корпорации Sun Microsystems. Их технология получила название Proximity Communication, что можно перевести как «близкая связь» или «тесное взаимодействие».

В сентябре 2003 года на конференции IEEE Custom Integrated Circuits Conference достоянием гласности Proximity Communication сделал вице-президент Sun Microsystems Роберт Дрост, один из руководителей Sun Labs. Технология Proximity Communication, по мнению Джона Густавсона, одного из ведущих специалистов корпорации, работающих в данной области, позволяет решить триединую задачу: повысить скорость передачи данных, снизить стоимость вычислительных систем и сократить энергопотребление. Неудивительно, что на это сообщение немедленно отреагировала «большая» пресса; о нем писали все, начиная с New York Times. Но, пожалуй, показательно включение Proximity Communication одним из влиятельных технологических изданий, MTI Technology Review, в список семи наиболее значительных научно-исследовательских проектов.

Однако нельзя не заметить и наличие скептических взглядов на Proximity Communication. К числу скептиков относится и такой известный персонаж, как главный редактор информационного бюллетеня Microprocessor Report Питер Гласковски. Он считает, что существующие проводные и печатные технологии еще вовсе не исчерпали свой ресурс возможностей, и что технологии, которую предлагает Sun, присущи существенные ограничения. Прежде всего, она может быть рационально использована лишь для соединения ограниченного типа микросхем (процессор, память, кэш-память), где действительно требуется высокая скорость обмена. Кроме того, по причине своей сложности данная технология применима только в конструкциях высокопроизводительных серверов.

Как утверждает Роберт Дрост, основным стимулом к созданию технологии Proximity Communication стало осознание двух обстоятельств. Первое обстоятельство заключается в том, что рабочие частоты «внутри чипов» растут гораздо быстрее, чем «вне чипов». Подобное рассогласование создает еще одно «бутылочное горло» на пути к повышению системной производительности. Второе обстоятельство таково: в рамках существующих технологий плотность размещения элементов ввода/вывода (в данном случае контактов) на единицу площади имеет механические ограничения. Сейчас она составляет единицы контактов на квадратный миллиметр; в перспективе может достигнуть нескольких десятков. Proximity Communication уже сейчас в экспериментальных образцах обеспечивает плотность элементов ввода/вывода, измеряемую сотнями на квадратный миллиметр, а в перспективе ее можно увеличить еще на порядок. Если говорить о скорости передачи данных, то в условиях опыта, где были использованы специализированные экспериментальные чипы, выполненные по 0,35-микронной технологии, 16-разрядное соединение выдерживало безошибочную передачу на скорости 21,6 Гбит/с.

Рис. 1. Объединение чипов

Суть Proximity Communication составляет замена гальванического соединения электростатическим, т. е. простой контактной пары бесконтактной парой пластин конденсатора (рис. 1). С упрощенной электрической точки зрения задача представляется почти тривиальной, усилитель на выходе передатчика на одном чипе связан через конденсатор с усилителем на приемнике, расположенном на другом чипе, образуется единый колебательный контур. Однако в реальности ее решение связано с целым рядом труднопреодолимых электрических и механических сложностей.

Чтобы емкость составного конденсатора соответствовала требуемой, необходимо обеспечить позиционирование пары микросхем одной относительно другой с прецизионной точностью. Для этого требуется выдержать значения по шести параметрам: в пространстве возможно смещение по трем координатам и плюс к тому повороты вокруг каждой из осей. Группой разработчиков технологии Proximity Communication создан специальный манипулятор, в котором закрепляются микросхемы, и измерительный механизм с обратной связью, позволяющий оценивать и корректировать взаимное расположение. Датчик положения построен на принципах измерительной системы Вернье, применяемой в трехмерных микроэлектромеханических системах (Micro Electro-Mechanical System — MEMS). Создаваемые на этих принципах датчики AIMS (Advanced Intelligent Measurement Sensor) обеспечивают измерение с разрешением 10 нанометров. По своей конструкции они очень похожи на само устройство для коммуникаций, поскольку тоже состоят из приемника и передатчика, связанных между собой конденсаторами, причем на стороне передатчика 9 пластин, а на стороне приемника их десять (рис. 2). В пару микросхем встроены четыре измерительные системы Вернье; этого количества датчиков достаточно для измерения всех шести параметров. Особенно сложной является проблема измерения по оси, перпендикулярной плоскости соединения.

Рис. 2. Измерительные системы

Процедура сборки соединения состоит из нескольких этапов. Вначале сборка выполняется «на глаз», затем осуществляется доводка с помощью манипулятора. Сигналы от измерительной системы поступают в манипулятор, обеспечивающий установку с точностью до 1,4 микрон. На последнем этапе пространство между микросхемами заполняется специальным маслом, повышающем электрическое сопротивление между пластинами.

После сборки с помощью каждого из конденсаторов образуется единые электрические схемы (рис. 3). В месте соединения образуются три емкости — одна полезная Cs и две паразитных, Cpt на передатчике и Cpr на приемнике. Паразитная емкость передатчика не влияет на работу (она является всего лишь дополнительной нагрузкой), однако паразитная емкость приемника искажает форму сигнала, чтобы компенсировать это искажение, в приемник включена дополнительная цепочка с обратной связью.

Рис. 3. Общая электрическая схема двух чипов

Для оценки возможностей Proximity Communication были изготовлены специальные микросхемы по КМОП-технологии, содержащие приемники, передатчики и управляющую логику, включая измерительный механизм. Передатчики и приемники представляют собой матрицу из пластин размерностью 4x4. Для эксперимента были использованы матрицы, отличающиеся по конструкции и по размерам. В процессе эксперимента от внешнего источника подавались различного вида псевдослучайные последовательности 16-разрядных сигналов, при этом зафиксированный уровень ошибок был оценен величиной менее 10-10.

В настоящее время работы по созданию технологии Proximity Communication получили финансовую поддержку в виде 50-миллионного гранта, который Sun Microsystems получила от агентства DARPA. Помимо Sun, аналогичные гранты в рамках программы по разработке прототипа высокопроизводительных компьютеров будущего получили компании Cray и IBM. В 2006 году будет избран победитель, который и продолжит работу. В Sun считают, что даже если их компания не станет фаворитом DARPA, она сможет использовать Proximity Communication в коммерческих системах, признавая при этом, что это дело не слишком близкого будущего, поскольку внедрение столь необычного подхода потребует изменений во всем комплексе технологий, используемом при создании современных компьютеров.

Горячая семерка

Наиболее значительные научно-исследовательские проекты

  • Технология подключения микросхем без использования гальванических контактов для подключения микросхем (Sun Microsystems)
  • Автоматический переводчик, распознающий устную речь и генерирующий речевой перевод (IBM)
  • Новый метод лечения травм спинного мозга (Biogen)
  • Миниатюрные ультразвуковые устройства, позволяющие создать новые типы плоских экранов (General Electric)
  • Средства, блокирующие спам (Microsoft)
  • Пьезоэлектрические инжекторы для автомобильных двигателей (Siemens)
  • Streaming Media — технология передачи мультимедийных данных по сетям (Hewlett-Packard)