Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Классификация микропроцессора).pdf
Добавлен: 13.06.2023
Просмотров: 401
Скачиваний: 4
Нанотрубки из карбона — удивительный материал, способный значительно увеличить вычислительную мощность техники и позволяющий создать аккумуляторы большей мощности, чем нынешние, при этом сохранив существующие размеры. Но на пути внедрения данной технологии все еще стоит ряд трудностей.
Карбоновые нанотрубки представляют из себя цилиндры из углеродного волокна диаметром от 1 до 2 нанометров. Впервые они были изготовлены еще в 1991 году. Структурной единицей стенки нанотрубки является атом углерода. Атомы соединены друг с другом под углом таким образом, что образуют как бы спираль. Это придает стенке большую прочность и увеличивает сверхроводниковые свойства волокна. (10) Согласно теоретическим расчетам, предел прочности на разрыв для каждой нанотрубки составляет 100 ГПа. (9)
Потенциал применения карбоновых нанотрубок действительно огромен. К примеру, если заменить на любой из существующих моделей процессора кремниевые транзисторы на карбоновые аналоги, можно добиться тысячекратного прироста производительности. Более того, такие процессоры потребляют в несколько раз меньше энергии. Естественно, технологичные элементы на основе нанотрубок могут использоваться и в других элементах электронных устройств. В одном только современном смартфоне их больше десятка. (10)
Самый маленький полупроводниковый транзистор
Мы уже затрагивали тему сложностей, встающих на пути производителей процессоров, стремящихся время от времени уменьшать размеры транзисторов для производства более современных и более мощных чипов. Когда с проблемой не могут справиться инженеры, в дело вступают ученые.
Исследовательская команда под руководством Али Джавей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США создала транзистор с функционирующим затвором (гейтом) размером 1 нанометр. По словам ученых, это самый маленький работающий транзистор из когда-либо созданных. Для сравнения: толщина обычного человеческого волоса составляет около 50 000 нанометров.
Важность производства более компактных транзисторов заключается в том, что чем меньше транзистор, тем больше их может поместиться на одном компьютерном чипе. Желание делать транзисторы меньше продиктованы так называемым законом Мура – теории, согласно которой каждые 24 месяца число транзисторов на интегральной схеме должно удваиваться.
«До этого момента теоретическим лимитом размера затвора (гейта), сохраняющим его функциональные свойства, считался размер 5 нанометров. Объясняется это тем, что при меньшем размере туннелирование электронов будет происходить напрямую от истока сразу к стоку. То есть затвор просто не будет успевать выполнять свою основную задачу», — говорит Джавей.
К слову, о материалах. Размер в 1 нанометр не позволяет использовать те материалы и методы, которые обычно применяются для производства этих компонентов. Поэтому ученые использовали полые цилиндрические углеродные нанотрубки. (11)
Наноматериалы которые смогут лечь в основу
усовершенствованных микропроцессоров
Учеными из Департамента энергетики Национальной лаборатории Ок-Ридж изучаются возможности наноматериалов, которые смогут лечь в основу усовершенствованных микропроцессоров, превосходящих современные кремниевые чипы. Исследование «Электронных материалов повышенного типа» показывает, что всего один кристалл комплексного оксида на микро- и наноуровне способен выполнять функции многокомпонентной электрической платы.
Подобные возможности проявляются благодаря необычным свойствам некоторых комплексных оксидов, называемых разделением фаз. По этой причине различные участки маленького фрагмента материала отличаются значительно различающимися электронными и магнитными свойствами.
Это означает, что каждый отдельный характеризующийся наноразмером участок комплексного оксидного материала способен вести себя подобно самоорганизующимся элементам микросхемы, что может позволить поддерживать новые многофункциональные типы компьютерных архитектур.
Исследователь Зак Вард (Zac Ward) отмечает, что всего в одном кусочке такого материала сосуществуют различные электронные и магнитные свойства. Интересно, что в процессе проведения исследования учеными были найдены такие фазы, которые могут позволить кусочкам материала выполнять роль элементов микросхемы. Это делает потенциально возможным использование данных элементов для создания «перезаписывающихся» микросхем.
Поскольку фазы относятся и к магнитному, и к электрическому полям, материал может контролироваться различными способами, что открывает возможность создания новых типов компьютерных чипов.
Это совершенно новый подход, меняющий представление об электронике, позволяющий не просто включать и отключать электрическое поле для определения битов, отмечает Вард. О результатах исследования не приходится говорить в терминах чистой производительности. Они представляются путем создания совершенно отличающихся от представленных сегодня многофункциональных архитектур, применение к которым различной внешней стимуляции может осуществляться всего на одном материале.
Не исключено, что в настоящее время лимит возможностей кремниевых чипов в компьютерной индустрии исчерпан или близок к тому. Проведенный Национальной лабораторией Ок-Ридж эксперимент показывает, что материалы со способностью к разделению фаз могут стать началом нового подхода — «один чип подходит для всего». В отличие от чипа, способного играть всего одну роль, многофункциональный чип способен работать с несколькими средствами ввода и вывода, применение которых зависит от потребностей конкретной задачи.
Обычно на компьютерной плате для получения доступа к различным внешним стимулам необходимо соединить вместе несколько различных компонентов. Главным отличием того подхода, который стал результатом проведенного исследования, является то, что учеными были найдены определенные комплексные материалы, которые уже как бы обладают необходимыми в микросхеме компонентами. Это способно сократить размеры электроники и ее потребности в энергии.
Исследователями были показаны свойства материала, названного LPCMO, но Вард дополнительно отмечает, что другие материалы с разделением фаз обладают отличающимися свойствами.
Проведенное исследование потенциально открывает возможность повышения производительности разрабатываемого для разных задач аппаратного обеспечения. Материалы со столь удивительными свойствами могут использоваться для создания архитектур, которые, возможно, когда-нибудь в будущем лягут в основу суперкомпьютеров, настольных ПК и смартфонов. (12)
Фотонный процессор
Представители Колорадского университета заявили, что смогли создать первый процессор, передающий данные с помощью света, а не электричества.
Строение процессора не полностью фотонное, но его 850 оптических элементов ввода/вывода наделяют его головокружительной пропускной способностью в сравнении с чипами, полагающимися на одно электричество — мы говорим о 300 гигабайтах в секунду на квадратный миллиметр, что в 10-50 раз выше привычных нам значений.
Процессор обладает небольшим размером (всего 3 на 6 миллиметров) и двумя ядрами. Тем не менее потенциально новинка может навсегда перевернуть рынок вычислительной мощности без необходимости изобретать велосипед заново. К примеру, на его основе можно создать серверные машины, способные пропускать огромные объёмы данных. Также у новой технологии есть широкие возможности оптимизации, так что нам ещё только предстоит увидеть её настоящие возможности. (13)
Экологически безопасные процессоры из древесины
Человечество стало ещё на один шаг ближе к полностью биоразлагаемым гаджетам. Ведь учёным из Университета Висконсина удалось разработать микропроцессор, который практически полностью создан из древесины. Потенциально это изобретение может положительно сказаться на экологии, учитывая, сколько десятков тысяч тонн электроники оказывается выброшенной на помойки ежегодно. Кто знает, может быть, в будущем компьютеры будут и вовсе целиком состоять из биоразлагаемых материалов.
Исследователи опубликовали результаты свои достижения в издании Nature Communications. При создании чипа из древесины Университету Висконсина помогали сотрудники Лаборатории департамента сельскохозяйственной продукции США. Большая часть микропроцессоров состоит из «поддерживающего слоя», на котором и расположен сам чип. Этот самый неразлагаемый слой и был заменён на материал, который получил название целлюлозный нанофибрилл (CNF).
CNF представляет собой гибкий материал, основанный на древесных волокнах, который является полностью биоразлагаемым, что делает процессор куда менее опасным для экологии.
«Наш микропроцессор настолько экологичен, что вы можете просто оставить его на опушке леса, а грибы полностью переработают его в пригодные для использования удобрения», — рассказывает журналистам профессор Женкьянг Ма.
Одной из проблем древесины как материала является её физическое расширение под воздействием влаги. Этот момент команда исследователей сумела преодолеть благодаря особой эпоксидной глазури, которой покрывается подложка чипа. В результате у команды получился абсолютно «зелёный чип», который недорог в производстве и куда менее токсичен для окружающей среды, нежели аналоги, применяемые в современной электронике.
Может быть, однажды мы с вами увидим полностью деревянные гаджеты для тех, кто особенно бережёт экологию и чистоту природы. (14)
Создан первый перепрограммируемый квантовый компьютер
Учёным из Университета Мэриленда удалось создать первый в мире программируемый и перепрограммируемый квантовый компьютер. Учёные много лет шли к этой цели, ведь квантовые компьютеры могут решить множество проблем, с которыми не справляются компьютеры традиционные, информация внутри которых передаётся при помощи электрического напряжения. Теоретически квантовый компьютер способен одновременно производить столько вычислений, число которых даже сложно себе представить. Но начинать учёным всегда приходится с малого.
Квантовые компьютеры удавалось создать и ранее, но достижение исследователей из Мэриленда заключается в том, что теперь компьютер можно перепрограммировать, не внося при этом изменений в его физическую архитектуру. Результаты своих исследований учёные опубликовали в престижном журнале Nature. Руководил разработкой компьютера доктор Шантану Дебнат. Устройство представляет собой набор из пяти взаимосвязанных кубитов (квантовых бит информации) на базе ионов иттербия. Иттербий является одним из наиболее изученных элементов, подходящих для использования в такого рода проектах.
Каждый кубит совмещает в себе роли ячейки памяти и вычислительного модуля. Он может одновременно хранить в себе логический ноль и единицу, благодаря законам квантовой физики. Объединить кубиты между собой удалось при помощи лазеров и магнитных полей. Учёные расположили пять кубитов в форме пентаграммы, а затем начали управлять ими с помощью обычного компьютера, создавая между ними новые связи и разрушая старые.
Было написано специальное программное обеспечение, которое трансформирует любые математические алгоритмы в понятные квантовому компьютеру инструкции. В ходе экспериментов на созданном квантовом компьютере были запущены алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также алгоритм квантовых преобразований Фурье. Учёные особенно гордятся тем, что их компьютер отличается крайне высокой надёжностью по сравнению с предыдущими попытками создать подобную вычислительную машину. Кубиты выдают ошибку лишь в 2% случаев, что является большим достижением. (15)
Intel представила первый 10-ядерный процессор для ПК
В то время как «война мегагерц» завершилась, наступила новая эра, когда крупнейшие производители процессоров соревнуются, в чьём детище больше ядер. Компания Intel, например, в рамках выставки Computex анонсировала свой новый процессор Core i7-6950X Extreme Edition, который может похвастать аж десятью ядрами. Конечно, Intel ещё в 2011 году выпустила 10-ядерный серверный процессор Xeon, но для домашних компьютеров подобное решение представлено компанией впервые.
Новый процессор работает на частоте 3 ГГц с автоматическим разгоном под нагрузкой до 3,5 ГГц по технологии Turbo Boost 3.0, а его 25 мегабайт кеш-памяти действительно впечатляют. По заверениям официальных представителей Intel, в обработке 3D-графики новый процессор в два раза быстрее, нежели четырёхъядерный i7-6700K, а также на 35% быстрее, чем Core i7-5960X. Когда же речь заходит об обработке 4К-видео, новый чип демонстрирует прирост производительности до 65%.
Новая линейка будет также включать 8-ядерный процессор i7-6900K, 6-ядерные i7-6850K и i7-6800K. Новая линейка представлена на рисунке 4. Все процессоры новой линейки полностью разблокированы для оверклокеров, так что последние смогут дополнительно разогнать их под свои нужды. Новые i7 также поддерживают оперативную память DDR4-2400. Если цена на новые модели процессоров Intel вас смущает, можно подождать симметричного ответа компании AMD, самые мощные процессоры которой на сегодняшний день могут похвастать лишь восемью ядрами. (16)