Будущее роста производительности: что нас ждет в ближайшие несколько лет

Ранее уже говорилось о том, с какими проблемами столкнулось дальнейшее уменьшение техпроцесса, что рост производительности замедлился, и ни многоядерность (multicore) ни manycore решения не являются долгосрочным спасением от возникших проблем. Но полупроводниковая индустрия не стоит на месте, а пытается решить эти проблемы, как в краткосрочной перспективе (~5 лет), так и в долгосрочной. В этот раз рассказ пойдет о ближайших планах.

Краткосрочные планы ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) по развитию фокусируются вокруг подхода, получившего название «More-than-Moore». Его цель – применить к аналоговым схемам те же принципы, которые на протяжении десятилетий позволяли уменьшать размеры цифровых устройств. А затем интегрировать аналоговые устройства в составе SoC (System on Chip) или SiP (System in Package). Это делается, чтобы повысить энергоэффективность и возможности системы в целом, увеличить сложность устройств (а значит, ответить на вопрос куда девать доступные транзисторы 🙂 ) и обозначить планы развития для связанных с этим процессом технологий. Ожидается, что гетерогенная интеграция будет основным фактором развития во многих областях, начиная от передачи данных и заканчивая развлечениями.

Вместо того, чтобы концентрироваться на одном лишь CPU, как компоненте, повышающем возможности системы и дающем ей новые области для применения, More-than-Moore подчеркивает важность интеграции и эффективности каждого компонента. Если More-Moore (традиционный подход к созданию более мощного процессора, пользуясь достижениями техпроцесса) относится к возможностям выполнять вычисления, то More-than-Moore связан с возможностями взаимодействия с окружением и пользователями.

Оригинальный More-than-Moore подход ничего не говорит о преобразовании аналоговых схем в цифровые. Но представленная Intel в рамках ISSCC 2012 статья демонстрирует иное: Существующие беспроводные модули для мобильных устройств выполняют цифровую передачу данных, но при этом используют множество аналоговых составляющих. Аналоговые транзисторы сложнее поддаются миниатюризации, и поэтому имеет смысл создание чисто цифрового радиопередатчика. Также утверждается, что можно эффективно защитить CPU и радио от взаимного влияния, которое раньше препятствовало интеграции этих устройств.

NTV-процессор, на котором работает Windows и Linux от небольшой солнечной батареи.

Одна из наиболее примечательных тенденций современных полупроводниковых исследований – то, как поиск энергоэффективных решений полностью заменил гонку за тактовой частотой. Теперь успех измеряется в том, как долго устройство находится в состоянии минимального энергопотребления и как быстро переходит из него в рабочий режим.

Исследования Intel в области цифрового радио и NTV(Near Threshold Voltage) электроники, трёхмерной интеграции и т.д. – примеры того, как сместился фокус разработок. Впрочем, это относится не только к мобильным устройствам. Суперкомпьютер K (в действительности – «Kei» – 京 – «10 квадриллионов» в переводе с японского), созданный Fujitsu и Riken был также спроектирован с учетом энергоэффективности как одного из основных факторов. В частности, напряжение питания каждого отдельного процессора выбирается согласно текущим требованиям, что позволяет сэкономить 1МВт мощности и ~$1млн в год.

Опять-таки, возможно, такой подход Fujitsu никогда не будет напрямую применяться в PC или мобильных устройствах, но он показывает, насколько производители ищут порой самые экзотические способы снизить энергопотребление.

Подобные разработки и инициативы отчасти видны уже сейчас и будут доминировать ближайшие несколько лет. Согласно прогнозам DARPA Exascale Challenge, производительность суперкомпьютеров к 2015 году должна была бы преодолеть отметку в 1 экзафлоп при энергопотреблении до 20MW. Но вместо этого из за ряда причин развитие замедлилось. И текущие показатели производительности отстают на 3 порядка.

О долгосрочных планах связанных с ростом производительности, в основном, связанных с поиском альтернатив кремнию, в следующий раз.