Последние достижения в области производства центральных процессоров и микросхем памяти способны поднять мощность компьютеров на невиданный ранее уровень. Но смогут ли реальные продукты угнаться за технологическими разработками?
Законы существуют не для того, чтобы их нарушать. Однако если недавно анонсированные проекты фирм Intel и IBM воплотятся в жизнь и подтвердят обещанное, один из старейших в компьютерной индустрии законов придется по крайней мере корректировать. Речь идет о законе Мура, получившем свое название по имени сооснователя корпорации Intel Гордона Мура, провозгласившего, что мощность процессоров будет удваиваться каждые полтора-два года. Это предсказание, сделанное в 1965 г., сбывалось на удивление точно.
Тем не менее новый тип памяти, предложенный Intel, и новый процесс разработки микросхем от IBM могут внести коррективы в этот график эволюции. Компания Intel объявила о создании флэш-памяти нового типа, способной хранить в два раза больше данных при том же размере кристалла, что и раньше, а IBM обнародовала метод использования меди для уменьшения размеров микросхем и увеличения их производительности. Конкуренты заявляют, что новые технологии дадут лишь кратковременный толчок в развитии. Однако этим они лишь свидетельствуют, что "архитектура кристаллов и технологический процесс совершенствуются сегодня быстрее, чем когда-либо ранее", - говорит Натан Бруквуд, аналитик по полупроводниковым приборам компании Dataquest, Калифорния.
В ближайшие несколько месяцев должны появиться блокнотные компьютеры с новыми версиями процессоров фирм Intel и Advanced Micro Devices. К концу 1998 г. такие кристаллы будут работать на частотах выше 400 МГц и дадут столь же заметный прирост производительности программам трехмерной графики, как инструкции MMX - мультимедийным приложениям. А ближе к концу 1999 г. основная масса настольных ПК будет функционировать на частоте около 600 МГц, в то время как у мощных серверов и рабочих станций этот показатель приблизится к впечатляющим 800 МГц (см. врезку "Встречайте: новые процессоры").
Означает ли это, что мы находимся на пороге "золотого века" технологий микросхем? Возможно. Однако нужно иметь в виду, что почти все объявленные улучшения пока обитают лишь в исследовательских лабораториях и пресс-релизах. А за то время, пока инновации не появятся на вашем столе, можно ожидать следующее.
Удвоенная память
Основная шумиха в мире микросхем касается архитектуры процессоров, однако значительное внимание уделяется и технологиям изготовления кристаллов памяти. В сентябре Intel анонсировала StrataFlash, флэш-память с многоуровневыми ячейками, которая сохраняет свое содержимое даже при отключении питания. В отличие от обычной ячейки памяти с двумя возможными уровнями напряжения ячейка памяти StrataFlash может принимать один из четырех уровней. Следовательно, вместо двух положений - "включено" и "выключено" - ячейки StrataFlash имеют четыре положения: два "включено" и два "выключено". Таким образом, каждая ячейка может хранить вдвое больше данных, чем ячейка в обычной флэш-микросхеме.
Многоуровневая флэш-память найдет применение в цифровых камерах, карманных компьютерах, сотовых телефонах, цифровых автоответчиках и магнитофонах. Например, цифровые камеры смогут хранить в два раза больше снимков или то же количество, но с более высоким разрешением. Карманные ПК с операционной системой Windows CE получат полнофункциональные программы, а у цифровых автоответчиков и магнитофонов возрастет время записи сообщений. Устройства с памятью StrataFlash появятся, видимо, совсем скоро, хотя вряд ли их стоит ожидать раньше второй половины 1998 г.
StrataFlash - не единственная технология многоуровневой флэш-памяти. С ноября 1996 г. конкурирующая фирма SanDisk поставляет флэш-память двойной плотности (Double Density). Ничего об этом не слышали? Просто пресса проявляет внимание к SanDisk не столь пристальное, как к Intel. Кроме того, SanDisk в основном концентрируется только на одной части рынка флэш-памяти - на цифровых камерах. Компания Intel продвигает StrataFlash на рынок памяти для хранения больших объемов данных, а также на рынок устройств, где флэш-память заменяет ОЗУ или ПЗУ, начиная с карманных ПК и заканчивая сетевыми маршрутизаторами и модемами.
По заявлению представителей SanDisk, микросхемы StrataFlash допускают 10 тыс. циклов перезаписи, тогда как у флэш-памяти Double Density "срок жизни" составляет 100 тыс. циклов. (Обычная флэш-память также обеспечивает 100 тыс. циклов стирания информации.) Еще один конкурент - компания AMD предполагает, что у StrataFlash могут возникать проблемы с надежностью. Intel, конечно, не соглашается и аргументирует это тем, что 10 тыс. циклов - длительный срок, и его, например, достаточно для изготовления 240 тыс. снимков цифровой камерой (эквивалентно 10 тыс. роликов обычной пленки).
Даешь металл!
В те же сентябрьские дни, когда Intel анонсировала память StrataFlash, компания IBM бросила вызов закону Мура, объявив о новом производственном процессе с использованием меди, благодаря которому достигается большая компактность, возрастает производительность, снижается себестоимость процессоров и интегральных микросхем.
Применение меди должно повысить быстродействие процессоров, так как уменьшатся размеры кристаллов. Благодаря компактности микросхем сократятся пути прохождения электронов, т. е. их "путешествия" внутри кристалла станут короче. Ныне почивший в бозе процессор Intel 80386 изготавливался с проектными нормами 1,5 мкм. Нынешние кристаллы Pentium производятся по 0,35-мкм технологии, таким образом, пути электронов сократились больше чем на три четверти.
Определенного рода препятствия на пути повышения быстродействия кристаллов создают микроскопические алюминиевые проводники, соединяющие компоненты микросхемы. По мере снижения проектных норм (меньше 0,35 мкм) все сильнее сказывается электрическое сопротивление алюминия, что может привести к ограничению производительности. Иначе говоря, короткое путешествие не становится быстрее на медленных дорогах.
Медь обладает меньшим, чем алюминий, сопротивлением. Первыми микросхемами, в которых будет использоваться медь, станут "медные" версии процессора PowerPC 750, применяемого в некоторых высококлассных компьютерах Apple Macintosh. Ближе к лету IBM планирует начать поставки кристаллов PowerPC с частотой 400 МГц и проектной нормой 0,20 мкм, размеры которых будут на 20% меньше, чем у готовящихся к выпуску микросхем с алюминиевыми проводниками. Производство кристаллов следующих поколений будет проходить по технологическому процессу 0,18 мкм или меньше. IBM также производит процессоры семейства x86, однако, по мнению главного редактора журнала Microprocessor Report Линли Гвеннапа, появления их "медных" версий не стоит ожидать ранее первой половины 1999 г.
На первый взгляд достижение IBM не кажется таким уж значительным, однако это не просто замена алюминия медью. Медь загрязняет кремний, из-за чего транзисторы на кристалле становятся неработоспособными. Представители IBM не сообщают подробностей о том, как удалось изолировать медь. Тем не менее вполне очевидна роль меди как необходимого компонента микросхем завтрашнего дня. Прошлым августом Sematech, исследовательский консорциум, в который входят все основные производители микросхем (включая IBM), анонсировал удачный процесс производства кристаллов с медными проводниками. Спустя восемь дней после объявления IBM компания Motorola сообщила о своих планах приступить в сентябре 1998 г. к выпуску "медных" процессоров по 0,20-мкм технологии. Вероятнее всего, к 2003 г. в большинстве массовых моделей микросхем будут использоваться медные проводники.
Однако, судя по заявлениям Intel и других производителей процессоров семейства x86, конец алюминию придет еще не скоро. "Мы перейдем на медь, но более спокойными темпами, чем IBM", - заявил представитель Intel Говард
В настоящее время Intel ведет работы над 0,18-мкм версией схемы с использованием алюминия. Она должна увидеть свет в 1999 г. Чтобы уменьшить размеры схемы и не пасть жертвой плохой проводимости алюминия, Intel сузит проводники, но оставит их высокими. Такой подход можно сравнить с добавлением второго полотна к узкому мосту. По мнению Intel, использование алюминия будет экономически выгодно до тех пор, пока проектные нормы не снизятся примерно до 0,13 мкм, и лишь тогда наступит время переходить на другой материал.
3D-конфузия
В то время как медь сделала заявку на будущее, производители процессоров продолжают битву в настоящем. В ближайшие два года появится больше новых микросхем архитектуры x86 и их улучшений, чем когда-либо ранее. Применение шины Accelerated Graphics Port (AGP), предназначенной исключительно для ПК с процессорами Intel Pentium II и набором микросхем 440LX, станет практически повсеместным.
Компании Intel, AMD, Cyrix и Centaur также работают над новыми инструкциями для 3D-графики. Для соответствующим образом оптимизированных программ эти инструкции должны ускорить вычисления с плавающей запятой и обработку трехмерной графики. Но пока нельзя сказать, что здесь Intel идет впереди других. Кристалл AMD K6 3D, системы на котором должны появиться в середине 1998 г., будет работать на частотах 300 и 350 МГц и поддерживать улучшенную технологию MMX, а также новые 3D-инструкции. Частота системной шины для этого процессора составит 100 МГц.
При выполнении офисных приложений машины на базе процессоров AMD не уступают ПК с кристаллами Intel, они проигрывают им в производительности лишь на тестах с MMX. С новым набором инструкций "мы собираемся не только достичь такого же быстродействия, как у процессоров Intel, но и превзойти его", - заявил управляющий компании AMD Лэнс Смит.
Ближе к концу 1998 г. намечается выпуск кристалла Cyrix MXi, который должен составить конкуренцию процессорам Pentium II с частотами до 400 МГц. Он будет содержать собственные инструкции фирмы Cyrix для работы с 3D-графикой и задачами с плавающей запятой, а также поддерживать технологию AGP. Кроме того, Cyrix собирается улучшить производительность своих следующих процессоров при выполнении MMX-оптимизированных программ, а также добавить поддержку MMX в кристаллы начального уровня серии MediaGX.
А что же Intel? Налицо момент, когда вихрь инноваций оборачивается темной стороной, создавая дилемму для покупателей. Согласно промышленным источникам, новые инструкции для 3D-приложений и задач с плавающей запятой появятся не раньше конца 1998-начала 1999 гг. Детали о наборе инструкций MMX компания Intel сообщила лишь тогда, когда она уже была готова начать поставки своих процессоров Pentium MMX. Это означало, что фирмы AMD и Cyrix смогли выпустить совместимые версии кристаллов только несколько месяцев спустя. Более того, Intel продолжает хранить молчание, видимо, не желая сотрудничать со своими хоть и мелкими, но конкурентами.
AMD, Cyrix и Centaur собираются идти своим путем. В этом случае им нужно выходить на рынок первыми. Здесь, однако, возникает вопрос: будут ли производители ПО писать код, реализующий преимущества инструкций процессоров, доля которых на рынке невелика? Технически поддержку нескольких наборов инструкций выполнить не слишком сложно, но это может быть экономически неоправданно. Если разработчики будут писать ПО в расчете только на один набор инструкций MMX, программы будут выполняться и на других машинах, но не так эффективно. В худшем случае такие приложения при работе с "неправильным" процессором станут притормаживать.
У разработчиков есть и альтернатива: они могут проигнорировать все наборы инструкций и использовать в своих программах обращение к подпрограммам Microsoft DirectX. Это, конечно, не идеальное решение - продираться сквозь надстройки операционной системы для доступа к аппаратуре медленнее, чем обращаться к ней напрямую. Кроме того, неясно, успеют ли поставщики ЦП достаточно быстро подготовиться к выходу этой весной драйверов DirectX 6.0. Но до тех пор, "пока Microsoft не обозначит своей роли в поддержке 3D-инструкций, каждый поставщик будет пребывать в неуверенности", - говорит Карл Сторк, главный менеджер Microsoft по стратегическим вопросам, касающимся аппаратуры для Windows.
По крайней мере одного производителя расхождения в подходе к реализации 3D-инструкций могут порадовать. "Мне представляется, что Intel на руку разногласия в архитектурах процессоров, так как при этом становятся слабее позиции конкурентов", - говорит редактор журнала Microprocessor Report Майкл Слейтер. Если фирмы не придут к соглашению, не стоит рассчитывать на скорое появление большого числа оптимизированных 3D-программ. Разработчики, включая Microsoft, могут просто не захотеть ввязываться в борьбу. "Весьма маловероятно, что мы будем поддерживать то, что представляет лишь незначительную часть индустрии", - заявил Сторк.
Так чего же можно ожидать в ближайшем будущем? В интервью журналу PC World представитель фирмы Centaur Джамал Хайдер сообщил, что "создание общего набора 3D-инструкций неминуемо". По его словам, компании AMD, Cyrix и Centaur ведут совместные работы над выработкой общего подхода к этой проблеме, а Centaur и AMD уже близки к совместному кросс-лицензированию своих 3D-инструкций. Эту информацию подтвердил еще один известный в этой области источник.
Подводя итоги, заметим, что при такой путанице благоразумнее всего будет относиться к обещаниям производителей с изрядной долей скепсиса и, принимая решение о покупке, основываться лишь на изделиях, доступных сегодня. Не нужно обращаться к закону Мура, чтобы предсказать появление в будущем более быстрых и дешевых процессоров. Следует лишь помнить, что это подтолкнет поставщиков программ и аппаратуры к созданию продуктов, использующих все их преимущества.
В конце концов, вы сами должны решить, нужны ли вам на самом деле все эти процессорные улучшения. Для профессионалов в области графики и заядлых компьютерных игроков это жизненная необходимость, но рядовые пользователи вряд ли заметят на практике отличие 400 МГц от 233 МГц. Чтобы принять правильное решение о том, насколько мощный ПК вам следует купить, не нужны никакие законы, достаточно просто здравого смысла.
Встречайте: новые процессоры
Медь - будущее центральных и других микропроцессоров, но большинство готовящихся к выпуску процессоров будет иметь сегодняшнюю архитектуру с частичными улучшениями. Далее приведены приблизительные сроки реализации возможных проектов ведущих производителей.
- 1 квартал
- AMD: 300-МГц K6, K6 для мобильных ПК
- Cyrix: поддержка MMX для MediaGX, поддержка AGP для 6x86MX
- Intel: Pentium II-333 ("Deschutes", уже доступен)
- 2 квартал
- AMD: K6 3D со специальным набором 3D-инструкций, поддержка AGP
- Centaur: 266-МГц C6+ со специальным набором 3D-инструкций
- Intel: Pentium II для мобильных ПК, 350-МГц Pentium II, 100-МГц системная шина
- Digital: 21264 Alpha (будущее процессоров Alpha зависит от планов Intel, которая приобрела права на их производство)
- 3 квартал
- AMD: 350-МГц K6+ 3D
- Centaur: 300-МГц C6+, 100-МГц шина
- Cyrix: MXi со встроенным графическим 3D-сопроцессором
- IBM: "медные" процессоры с частотой до 400 МГц
- Intel: 400-МГц Pentium II, Slot 2 для серверов/рабочих станций
- 4 квартал
- Intel: Pentium II с частотой 400 МГц и выше со специальным набором 3D-инструкций
- 1999-2000 г.г.
- AMD: 500-МГц K7, Slot A (сродни Intel Slot 1)
- Cyrix: новое, более скоростное ядро кристалла
- Intel: последователь Pentium II с частотой около 600 МГц ("Willamette"), 800-МГц процессор ("Merced") для серверов/рабочих станций, "медные" микросхемы
Почему медь означает более быстрые процессоры
IBM сделала прыжок первой, однако практически все основные производители процессоров со временем заменят в своих микросхемах алюминиевые проводники медными, так как благодаря этому можно будет уменьшить размер кристаллов и, следовательно, увеличить их быстродействие.
Алюминий заменяется медью
Благодаря использованию меди можно будет создавать более быстрые и компактные микросхемы, так как медь имеет меньшее электрическое сопротивление, чем алюминий. Сложность в том, что медь загрязняет кремниевую подложку.
Изолирование цепей
IBM решила проблему загрязнения путем изолирования (1) медных проводников (2) от кремниевой подложки (3) и последующей герметизации (4) меди.
...и сокращает проводники
При уменьшении размеров процессоры потребляют меньше мощности, быстрее работают и становятся дешевле в изготовлении. В "медных" микросхемах можно применять 0,20-мкм проводники (уровень развития технологии 1998 г.), а в конце концов этот показатель (учитывая "алюминиевый" предел) снизится до 0,13 мкм и менее.