Новые принципы соединений микросхем и сложных приборов

Новые принципы соединений микросхем и сложных приборов

Оптоволоконное интеллектуальное многоконтактное соединение (ИМКС)

Проблема соединений является одной из сложнейших проблем электроники 21-го века. Она держит в тисках жестких ограничений две крупнейшие области электроники. На макроуровне она ограничивает развитие суперкомпьютеров, а на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем (СБИС, УБИС, ПЛИС и т.п.). В технической литературе (как в отечественной, так и в зарубежной) в последние 10 - 15 лет неоднократно встречается термин «тирания межсоединений». Рассмотрим эту проблему детальнее

1. «Тирания межсоединений» на макроуровне ограничивает развитие суперкомпьютеров

Лидером рейтинга суперкомпьютеров по состоянию на ноябрь 2005 г. является система Blue Gene/L (Синий Ген), построенная корпорацией IBM (США). Этот суперкомпьютер в настоящее время использует 32768 процессоров, а его быстродействие составляет 70,72 триллиона операций с плавающей запятой в секунду (терафлоп). В перспективе, мощности вычислительного комплекса IBM Blue Gene/L будут существенно увеличены за счет установки еще примерно 100 тысяч дополнительных процессоров. Тогда суперкомпьютер будет состоять из 130 тысяч процессоров и займет территорию равную половине теннисного корта. Американское космическое агентство NASA эксплуатирует суперкомпьютер "Колумбия", который представляет собой кластер из 20 суперкомпьютеров Altix компании SGI. Каждый узел кластера содержит 512 процессоров Intel Itanium 2. Всего в кластер объединено 10240 процессоров. Система показала производительность 43 терафлопа, что всего лишь на 20% больше, чем у прежнего рекордсмена Earth Simulator. Как и два предыдущих, этот японский суперкомпьютер настоящий монстр. Он занимает здание размером 50х65х17 м и содержит 640 процессорных узлов, соединенных между собой через высокоскоростной переключатель. Суммарная длина кабелей, соединяющих процессорные узлы с переключателем, составляет 2400 км. Производительность суперкомпьютера, объединяющего 5120 процессоров, составляет 40 терафлоп. Его создание было самым приоритетным национальным проектом Японии.

Архитектура самых современных суперкомпьютеров объединяет многие известные принципы построения высокопроизводительных систем. В целом они являются массивно-параллельными компьютерами с распределенной памятью. Вместе с тем, каждый процессорный узел построен на принципах SMP-архитектуры, причем основа каждого процессора - векторно-конвейерная обработка.

Сравнение архитектур суперкомпьютеров рейтинга «Топ-500» показывает, что превалирует тенденция к кардинальному увеличению числа процессоров в кластере. В Earth Simulator было 5120 процессоров, в "Колумбии" - 10240, а в Blue Gene/L уже 130 тысяч процессоров. Количество процессоров у лидера 2005 года в 13 раз больше, чем у лидера 2002 года! К сожалению этот фантастически трудный и дорогостоящий шаг позволил увеличить производительность всего лишь в 2 раза! Налицо экстенсивная тенденция развития суперкомпьютеров, свидетельствующая о серьезных проблемах, сдерживающих развитие параллельных вычислений и суперкомпьютеров. Во многом причиной является «тирания межсоединений», когда соединить множество микропроцессоров в единую систему становится все труднее и труднее.

Для повышения производительности ЭВМ необходимо перейти от принципов фон-Неймана к параллельной обработке информации. Тем не менее, параллельные компьютеры пока не получили распространения по следующим причинам:

1. Тирания межсоединений на макроуровне. Каждый процессор в параллельной системе связан с большим количеством других. Количество связей занимает намного больший объем, чем сами процессоры.

2. Трехмерность структуры связей между процессорами. Существуют различные типы связности процессоров в параллельной системе. Обычно требуются трехмерные связи. Технологически такие связи пока невыполнимы.

2. «Тирания соединений» на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем

Проблема межсоединений на микроуровне резко обострилась при переходе к размерам транзисторов порядка 0,25 мкм. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и занимает значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС). Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку. Однако надежность таких схем резко падает из-за возникновения случайных контактов через микротрещины, образующиеся в тонких слоях диэлектрика. Межсоединения причиняют массу неудобств. Ведущие зарубежные фирмы признают, что знаний в области проектирования межсоединений явно недостаточно. Необходима разработка новых принципов соединений. Семь фирм-изготовителей полупроводниковых приборов и разработчиков средств автоматизированного проектирования - AMD, Cirrus Logic, Frequency Technology, Mitsubishi, Motorola, NEC и Silicon Graphics - предпринимают усилия по разработке и внедрению новых стандартов, основной целью которых является преодоление проблемы межсоединений в разработке высокопроизводительных микросхем с топологическими нормами ниже 0,25 мкм. [1]

Проблема межсоединений ограничивает скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы могут работать с частотой не менее 10 ГГц. » [2]. Заметим, что при предельной плотности контактов порядка 4-х контактов на 1 мм² и такой частоте, максимальная удельная скорость обмена информацией с помощью электрических соединений не превысит 12 Гбит/мм².

После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции, и ожидается инерционное развитие рынков приборов схемотехнической микроэлектроники еще в течение 5-10 лет. К этому времени быстродействие интегральных схем (ИС) будет уже недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации по нескольким причинам.

Дальнейший рост производительности и функциональных возможностей микропроцессоров, мультипроцессорных ЭВМ и, в первую очередь, нейросистем и нейрокомпьютеров сдерживается влиянием межсоединений как внутри кристалла плотноупакованных УБИС, так и между кристаллами (особенно при реализации “природных” принципов связи “каждого ФН с каждым произвольным ФН”).

Основным выходом из сложившейся кризисной ситуации масштабирования УБИС с большой функциональной сложностью, характерной для НС и НК, является в перспективе переход к чисто оптическим связям между чипами (а в отдаленной перспективе и внутри чипа). Обработка больших массивов информации в разрабатываемых оптомикроэлектронных системах на УБИС с оптическими связями осложняет создание сверхбыстродействующих микроминиатюрных оптоэлектронных (излучающих и принимающих излучения) компонентов, совместимых с субмикронными КМОП-, БИКМОП-технологиями УБИС» [2].

Интересно проанализировать тенденции изменения параметров микропроцессоров за последние 10 лет. Эти данные показаны в таблице 1. В относительном виде эти данные показаны на рис.1.

Современные тенденции изменения параметров микропроцессоров

Таблица 1.

Параметры	1995	1998	2001	2004	2007	2010
Число транзисторов млн. на 1 см²	4	7	13	25	50	90
Удельная емкость Кэш-СОЗУ, Мбит/см²	2	6	20	50	100	300
Площадь кристалла, мм²	250	300	360	430	520	620
Количество выводов УБИС	512	512	512	512	800	1024
Количество выводов на 1 млн. транзисторов	128	73	39	20	16	11
Количество выводов на 1 Мбит памяти	1,0240	0,2844	0,0711	0,0238	0,0154	0,0055

* Основные данные для таблицы 1 взяты из [2].

Анализ таблицы 1 и рис. 1 показывает, что интенсивность вычислительных процессов в микропроцессорах и их насыщенность транзисторами за 10 лет увеличились в 6-25 раз, а количество выводов на миллион транзисторов или на Мбит памяти во столько же раз уменьшилось, так как не удается разработать надежные многоконтактные соединения. Такое положение дел явилось следствием все той же «тирании межсоединений». Количество выводов в микросхемах увеличилось с 512 до 1024, т.е. всего лишь вдвое.

Из микросхем становится все труднее и труднее выводить информацию! Это прямое следствие «тирании межсоединений».

Рис.1. Зависимость параметров микропроцессоров от времени разработки

«Предельные показатели достижений микроэлектроники не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего разрешения. Среди них - создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой знаний и т.п.

Идут интенсивные поиски методов, разрабатываются устройства, предназначенные для обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. Анализ схем цифровой обработки изображений показывает, например, что рост их быстродействия приближается к насыщению. При этом ряд упомянутых задач принципиально не может быть решен в рамках современных методов обработки больших информационных массивов, в частности, фон-Неймановской схемы построения вычислительных систем.

Можно ли удержать тенденцию экспоненциального роста степени интеграции и, соответственно, экспоненциальное снижение стоимости обработки информации? Вот основной вопрос перспективного развития схемотехнической микроэлектроники.

Разработчики ИС активно ищут способы преодоления "тирании межсоединений", пути обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объеме, и интегральная схема становится трехмерной. …Переход в трехмерную электронику отнюдь не решит проблемы межсоединений, напротив, резко усложнит конструкции межуровневых соединений. Надежность таких схем вызывает сомнение, а доказательств обратного пока нет. Переход в трехмерную электронику сулит увеличение степени интеграции лишь вдвое, а не экспоненциальный рост в соответствии с законом Мура.

С момента возникновения микроэлектроники в 1959 г., рост степени интеграции шел по показательному закону, а это и есть закон Мура. Этот закон продолжает выполняться около 40 лет, он распространяется не только на технические параметры ИС, но и на экономику. По этому же закону росли и доходы американских фирм, и вложения в электронику, - ежегодные вложения через год-два удваивались.

Могут ли "спасти" схемотехническую электронику метод интеграции на пластине или создание "суперкристаллов"? Проблема межсоединений в этих случаях тоже принципиально не решается, а, значит, и достижение успеха сомнительно. По этой же причине сомнительны перспективы использования в схемотехнической электронике различных эффективных и сверхминиатюрных транзисторных структур.

Можно ли уйти от проблемы "тирании межсоединений"? Видимо, да. Но для этого нужно уйти от традиционного принципа обработки информации, отказаться от схемотехнической ячейки как основного преобразователя и хранителя информации» [3]. Из приведенного отрывка статьи [3] видно на какие серьезнейшие жертвы готовы идти разработчики ради освобождения от «тирании межсоединений».

3.Технология интеллектуальных соединений – эффективный способ преодоления «тирании межсоединений»

Решение проблемы «тираний» возможно с помощью технологии интеллектуальных соединений (ТИС), разработанной НТЦ «Интрофизика» [4]. Основная идея этой технологии заключается в том, что соединения современной электроники должны стать «умными».

Для осуществления многоконтактного соединения сложных микросхем или многоконтактных приборов (1 и 8) рис. 2, 3 и 4 и объединяют в специальные матрицы передатчики (выводы) 3 прибора-источника информации, приемники (вводы) 7 прибора-потребителя информации и концы пучков (6 и 4) проводников сигнала 15. При формировании матриц (3,4,6,7) не соблюдают строгий порядок пространственного расположения их элементов, и формируют их хаотически или «как получится». Матрицы 3 и 7 передатчиков 14 и приемников 16 соединяют с соответствующими матрицами 4 и 6 пучка проводников 5, не обязательно точно соблюдая их одинаковое взаимное расположение и добиваясь лишь совпадения областей расположения элементов матриц. Такая конструкция соединений не требует высокой точности изготовления и монтажа, что существенно снижает их стоимость и расширяет возможности массового применения. После соединения и при повреждении соединения, производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи. Затем с помощью коммутаторов каналов 9 подключают каждый распознанный и идентифицированный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей или программой соединений. Распознавание каналов проводят последовательно или параллельно. Распознавание каналов и управление коммутатором осуществляют с помощью интеллектуальной микропроцессорной системы управления (10,11,12).

Рис. 2. Схема интеллектуального многоконтактного соединения (ИМКС)

Рис.3 Схема передающих соединений Рис. 4 Схема принимающих соединений

При повреждении соединения интеллектуальная система управления осуществляет самодиагностику и регенерацию соединения. Интеллектуальные многоконтактные соединения (ИМКС) могут самостоятельно восстанавливать свою работоспособность при нарушениях контактов, частичном разрыве пучка проводников, деформации соединяющихся матриц и их взаимном смещении. Это свойство позволяет значительно увеличить надежность многоконтактных соединений. ИМКС можно использовать для создания разъемных устройств и соединения микросхем содержащих десятки и сотни тысяч каналов связи. При этом будет обеспечена их устойчивость к температурным, силовым и иным деформациям и повреждениям. Работоспособность ИМКС практически не зависит от погрешностей изготовления. Они могут быть использованы в высокоинтеллектуальных приборах, разветвленных нейроструктурах и насыщенных логическими ключами микросхемах (СБИС, УБИС, ПЛИС и.т.п.). Там, где требуется быстро и просто соединять десятки и сотни тысяч каналов связи, а также в устройствах, к которым предъявляются высокие требования надежности при сохранении низкой стоимости.

На макроуровне новая технология соединений позволяет соединять одним разъемом устройства, содержащие десятки и даже сотни тысяч выводов. Так оптический кабель размером 5х5 мм, содержащий оптические волокна диаметром 17 микрон, позволяет создать интерфейс, содержащий до 20 тыс. каналов связи. (Всего в кабеле содержится 90 тыс. волокон). По каждому волокну можно передавать информацию со скоростью от 10 до 100 Гбит/с, и это теоретически не предел. Такой миниатюрный кабельный разъем сможет передавать информацию со скоростью до 2000 терабит/с (10¹² бит/с). Этого достаточно для передачи информации, получаемой от тридцати самых мощных на сегодняшний день суперкомпьютеров типа Blue Gene/L. Гипотетически, чтобы передать такой поток информации с помощью электрических соединений, даже работающих на частоте 1Ггц, понадобится, по меньшей мере, 400 тыс. проводов диаметром 0,5 мм. Такой кабель будет иметь диаметр 700 мм. Он будет в 140 раз толще кабеля ИМКС!

Большой теоретический запас производительности ИМКС открывает следующие возможности в области развития сверхмощной вычислительной техники:

1.Создание принципиально новых интерфейсов и архитектур суперкомпьютерных кластеров. Такие интерфейсы будут способны объединить не только сотни тысяч, а уже миллионы параллельно работающих процессоров. Это позволит довести производительность кластеров до величин порядка нескольких эксафлоп (10¹⁸ флоп = 1 млн. терафлоп).

2. Разработка компьютерных устройств, способных самостоятельно изменять свою архитектуру на уровне схемных решений в процессе работы. Это необходимо в частности для создания быстро обучающихся нейрокомпьютеров следующего поколения.

3. Разработка систем способных самостоятельно восстанавливать свою работоспособность при механических повреждениях. Это важно в военных и космических приложениях.

4. Создание биокибернетических интерфейсов, позволяющих соединяться с сотнями тысяч, а в будущем возможно даже с миллионами, нервных волокон, составляющих нервы и спинной мозг живых существ.

5. Разработка новых архитектур систем ввода-вывода для сверхсложных и высокопроизводительных микросхем (СБИС, УБИС, ПЛИС и.т.п.).

На микроуровне новая технология соединений позволяет размещать выводы на любой поверхности микросхем в любом порядке. Это решает проблему «тирании межсоединений», так как позволяет, во-первых, делать выводы чрезвычайно миниатюрными, порядка толщины оптического волокна, т.е. от 10 до 30 мкм, что позволяет разместить на площади в 1 см² до одного миллиона оптических выводов, а во вторых выводить через оптические выводы информацию со скоростью порядка 10Гбит/с и более (в принципе возможна скорость передачи до 100 Гбит/с с каждого канала), что даже теоретически недостижимо при передаче информации электрическим путем. При необходимости с кристалла площадью 620 мм² можно будет вывести сверху и снизу до 1,7 млн. выводов диаметром 30 мкм и пропускать по ним поток информации общей производительностью до 100 гигабит в секунду, т.е. порядка 43,8 Пбит/с. (петабит – 10¹⁵ бит/с). Это будет соответствовать удельной скорости ввода/вывода порядка 70,7 терабит/мм². Такая скорость обмена информацией с кристаллом недостижима никакими другими способами. Она превышает максимально возможную скорость обмена с кристаллом с помощью электрических соединений более чем в 7 тысяч раз.

Разработка и внедрение ИМКС надолго, если не навсегда, закроет проблему «тирании межсоединений» на микро и макро уровнях как для традиционной электроники 4-го и 5-го поколений, так и для функциональной электроники, нейрокомпьютеров и квантовых компьютеров будущего.

Таким образом, проблема создания ИМКС является весьма актуальной и требует проведения серьезных научно-исследовательских работ в этом направлении.