Современная электроника №4/2019

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2019 Перспективы развития информационно-вычислительных и радиофотонных систем на базе 3D М ФЭ ПМ Часть 1 В статье представлены предложения по развитию трёхмерных фотон- электронных информационно-вычислительных и радиофотонных систем на базе 3D матричных фотон-электронных процессорных модулей (3D М ФЭ ПМ). В первой части представлен обзор технологий построения архитектур вычислительных систем для выбора и создания 3D М ФЭ ПМ с сетевой архитектурой. Валерий Сведе-Швец (ooooes@mail.ru) , Владислав Сведе-Швец, Станислав Сведе-Швец (Москва) Микроэлектронная технология последнего поколения увеличила инте- грацию систем-на-кристалле, частично перенесла электрические связи, ранее располагавшиеся на печатной пла- те, и, как следствие, повысила произ- водительность различных устройств, однако не решила проблему соедине- ний – связь по-прежнему остаётся элек- трической. Сегодня, чтобы обеспечить внешние соединения с интегральной системой-на-кристалле, необходимо реализовать электрические связи на уровне корпуса, которые насчитывают уже более 1000 электрических выводов. Рост их числа обусловлен увеличением количества линий сигнальных интер- фейсов на кристалле, а также необходи- мостьюмногократных связей по пита- нию и земле. При этом тактовая частота внутри кристалла превышает значе- ние тактовой частоты вне кристалла в 4–10 раз. Проблема электрических свя- зей снова перенесена на многослойную печатную плату, она остаётся централь- ной и в современных программируе- мых логических интегральных схемах (ПЛИС), и в микропроцессорах с мно- гоядерной архитектурой. Микропроцессор содержит миллио- ны транзисторов, соединённых между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. В результате микропроцессор выполняет множе- ство функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего ком- пьютера. Главные параметрыфункци- онирования микропроцессора – часто- та работы кристалла, определяющая количество операций за единицу вре- мени, частота работы системной шины, объём внутренней кэш-памяти SRAM. Частота работы кристалла определя- ется частотой переключений транзи- сторов. Возможность транзистора пере- ключаться быстрее определяется тех- нологией производства кремниевых пластин, из которых изготавливаются чипы. При использовании техпроцес- са формируются слои кремния. Каждый слой имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трёхмерную электронную схему про- цессора – например, при 90 нм тех- процессе было сформировано 7 сло- ёв кремния. В настоящее время разработанная IBM совместно с GF и Samsung техно- логия 5 нм практически получила тео- ретически достижимый минимум для кремния. При этом возможно дальней- шее наращивание ядер, хотя особого смысла для обычных вычислений в этом нет. Предельное количество ядер на 5,6707 нм – 36 у Intel, 40 у AMD. Даль- нейшее увеличение просто невозмож- но, т.к. требует мощных схем питания и системы водяного охлаждения. На этом микропроцессорное развитие вычис- лительной техники останавливается и начинается поиск новых архитектур- ных решений. Технология кремний-на-сапфире (КНС) рассматривается как одна из пер- спективных для изготовления высоко- частотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью элементов. Структуры, изготовленные по этой технологии, более долговечны, име- ют высокую стойкость к радиации и потребляют меньше энергии по срав- нению со структурами, изготовленны- ми на массивном кремнии. По техноло- гии КНС сейчас изготавливают только МОП- и КМОП-микросхемы. С точки зрения использования в ИС преимущества КМОП-технологии на основе КНС таковы: ● уменьшение паразитных ёмкостей по причине использования изолирую- щей подложки, что обеспечивает уве- личение быстродействия и уменьше- ние искажений; ● улучшение характеристик линей- ности, возможность использования меньших напряжений; ● высокий уровень развязки и умень- шение уровня помех благодаря изо- лирующим свойствам подложки; ● возможность ввода фотонных сигна- лов через подложку. В случае ВЧ цифроаналоговых при- менений приборы на основе КНС обе- спечивают бо ′ льшую величину макси- мальной частоты F max . Оценки пока- зывают, что технология КМОП КНС с разрешением 0,5 мкм способна обе- спечить достижение F max =50 ГГц, что превышает аналогичный параметр для приборов, изготавливаемых по КМОП-технологии на объёмном крем- нии с разрешением 0,13 мкм. Техноло- гия КНС остаётся весьма перспектив- ной для массового выпуска надёжной и недорогой продукции благодаря про- стоте использования изолирующего материала подложки и ввода/вывода фотонных сигналов через подложку, но она не имеет такого высокого раз- решения, как на массивном кремнии. Сегодня архитектура микропроцес- соров стала единообразной и система становится критичнее. Процессор – это транзистор совре- менности, который имеет 3 ограниче- ния: 1. Энергетическая стена. Старая исти- на: энергия не стоит ничего, тран-