Инновации на уровне кристалла
В общих чертах создание процессора выглядит следующим образом. Из расплавленного кремния формируется кристалл цилиндрической формы. Его разрезают на тонкие пластины, на которые методом фотолитографии наносят интегральные схемы. Затем кремниевая подложка распиливается на индивидуальные компоненты, из которых собирается готовый чип.
Последнее время в ИТ-индустрии набирает популярность другой подход. Речь идет о так называемых waferscale-процессорах. В этом случае кремниевая пластина не распиливается, а становится одним большим «чипом». Такой подход повышает производительность готовой микросхемы: компоненты располагаются ближе друг к другу, поэтому сокращается задержка при обмене данными между ними.
Развитием waferscale-технологии сегодня занимаются несколько американских вузов, например Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе. В начале этого года инженеры представили прототипы устройств с 24 и 40 графическими процессорами, объединенными на одной кремниевой пластине. Их производительность превысила возможности аналогичных классических устройств в пять раз.
Пока о массовом внедрении технологии говорить рано. Разработчикам еще предстоит решить ряд трудностей, связанных с отведением тепла: вычислительные модули и регуляторы напряжения расположены слишком близко друг к другу, что затрудняет охлаждение. Но в будущем waferscale-процессоры могут найти применение в ресурсоемких задачах, например при анализе больших данных или обучении нейросетей.
Еще одно направление в ИТ-индустрии, связанное с кристаллами, — это разработка системы мониторинга, интегрированной в чип. Ее планируют устанавливать на гетерогенные процессоры в дата-центрах, состоящие из нескольких вычислительных блоков — ASIC, GPU, FPGA, CPU.
Дело в том, что программные средства мониторинга снижают производительность вычислительных модулей — в некоторых случаях она может падать на 10–15%. Если установить инструмент для мониторинга прямо на чип (вытравить его на этапе создания микросхемы), то появляется возможность анализировать состояние серверов в реальном времени без ущерба производительности.
Разработкой такого решения занимается компания UltraSoC. Они предлагают тридцать модулей, которые можно компоновать в зависимости от задач, выполняемых процессором. Инженеры говорят, что их система поможет IaaS-провайдерам мониторить масштабную облачную инфраструктуру. Уже есть вендоры, готовые опробовать решение UltraSoC в боевых условиях.
Изменения в транзисторах
В последние годы закон Мура начал терять свою актуальность: плотность транзисторов на кристалле более не удваивается каждые два года. Разработка новых техпроцессов также стала занимать заметно больше времени. Чтобы решить проблему, инженеры из RMIT — Мельбурнского королевского технологического университета — создали металл-воздушный транзистор.
Работа устройства основана на тех же принципах, что были заложены вакуумными транзисторами. Металл-воздушное устройство имеет два металлических электрода, выполняющих задачи стока и истока. Они обмениваются друг с другом электронами за счет явления автоэлектронной эмиссии. Сток и исток находятся на расстоянии в 35 нм, что позволяет устройству работать в воздушной среде — заряженные частицы просто не успевают сталкиваться с молекулами газов, способными нарушить работу системы.
Разработчики из RMIT ожидают, что технология позволит создавать трехмерные сети из транзисторов. В результате появится возможность разместить большее их число на одном кристалле. Также специалисты говорят, что рабочая частота новых полупроводниковых устройств составит сотни гигагерц. Максимум для «классического» кремниевого транзистора на сегодняшний день равен 40 гигагерцам. Пока рано говорить, когда технология найдет применение в серверных парках дата-центров. Однако к ее разработке уже подключились крупные организации вроде NASA и DARPA. По оценкам экспертов, решения на базе металл-воздушных транзисторов начнут появляться на рынке в ближайшие десять лет.
Старые добрые ядра
В ИТ-сфере появляются новые технологии, призванные увеличить производительность процессоров. Но «старые» от них тоже не отстают и развиваются. В частности, продолжает увеличиваться количество ядер на чипах.
Не так давно в Intel анонсировали новый 56-ядерный процессор. Он поставляется с рядом встроенных ускорителей для работы с системами искусственного интеллекта, машинным обучением и 5G-сетями, а также для решения задач в облаке. По словам представителей ИТ-гиганта, новая архитектура на порядок снижает время перезагрузки вычислительных систем. В результате у компаний появляется возможность управлять большим количеством виртуальных машин (ВМ) в облаке. По предварительным оценкам, 56-ядерный процессор на треть снизит затраты на обслуживание одной ВМ.
Есть на рынке и более «мощные» решения. В конце прошлого года AMD представили 64-ядерное устройство на базе 7-нм техпроцесса. Чипы должны поступить в продажу уже в этом году. Они будут поддерживать 128 линий PCI Express 4.0, что увеличит пропускную способность в два раза (по сравнению с архитектурой предыдущего поколения).
Свой 64-ядерный процессор представили и в Huawei. Устройства работают на частоте 2,6 ГГц и поддерживают интерфейс PCIe 4.0. Чипами уже оснастили серверы TaiShan, предназначенные для анализа Big Data и работы с облачными приложениями.
Производители аппаратного обеспечения добавляют процессорам больше ядер и снабжают их поддержкой последних протоколов трансляции данных. Это открывает новые возможности для облачных вендоров, которым важно обеспечивать высокую производительность виртуальных машин. В будущем, если технологии вроде waferscale и UltraSoC все же выйдут на рынок, владельцы ЦОД и IaaS-провайдеры смогут выбирать решения, подходящие под конкретный тип нагрузок и задачи.
