Перспективы развития ПК

 

     Микропроцессоры имеют кэш L1 64 Кбайт (32 для данных, 32 для команд) в каждом ядре и общий  на два ядра кэш L2, что существенно  уменьшает задержки при работе обоих  ядер с одним и тем же набором  данных. Технология Intel Advanced Smart Cache позволяет при необходимости делить кэш L2 между ядрами в соответствии с их загрузкой.

     Кроме технологий Intel Net Burst и Centrino нужно отметить также следующие технологии, поддерживаемые микропроцессорами линейки Core:

• Intel Smart Memory Access - эффективный механизм предварительной выборки 
  данных, позволяющий ускорить работу МП;
• Intel Virtualization Technology (VT) - технологию виртуализации. VT представляет собой набор аппаратных ресурсов процессора, которые совместно с соответствующим программным обеспечением поддерживают виртуализацию (организацию виртуальных машин). Виртуализация позволяет: снизить стоимость ИТ-ресурсов, повысить производительность системы, увеличить адаптивность ресурсов к меняющимся запросам;
• Intel Execute Disable Bit - технологию защиты программ от некоторых вирусов;
• Intel Enhanced Memory 64 Technology (EM64) - технологию, поддерживающую

с использованием 64-битных регистров МПП адресацию  более 4 Гбайт оперативной памяти. 

     Микропроцессоры Penryn 

     В 2007 году компания Intel представила семейство микропроцессоров 9-го поколения Core, изготовленных по технологии 0,045 мкм. Эти процессоры, имеющие кодовое название Penryn, имеют высокую производительность и низкое энергопотребление. В состав семейства Penryn входят двух- и четырехъядерные микропроцессоры для настольных ПК и серверов [30]. Двухъядерные процессоры содержат более 820 млн транзисторов, имеют площадь 107 мм². Для их маркировки в качестве 4-й цифры индекса используется 8 и 9 (серии 8000 и 9000).

     У МП Penryn используются новые технологии:

• Deep Power Down, снижающая энергопотребление путем уменьшения токов утечки транзисторов в моменты их простоя,
• усовершенствованная Dynamic Acceleration Technology, повышающая производительность однопоточных приложений путем отключения простаивающих ядер и повышения тактовой частоты работающего ядра
• усовершенствованная Intel Virtualization Technology, уменьшающая время переключения виртуальных машин.

     МП  семейства Penryn поддерживают расширенный  набор команд intel Streaming SIMD Extension 4 (SSE4), а также кэш-память L2 большего объема: двухъядерные до 6 Мбайт, а четырехядерные до 12 Мбайт. 

     Перспективы развития оперативной  памяти 

     FeRAM и MRAM 

     В конце 2002 года появилось сообщение  о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти FeRAM (Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с SDRAM. Микросхемы FeRAM потребляют меньше энергии, быстрее, чем флэш-память, выполняют операции чтения (записи), обладают большим сроком жизни, но они примерно в 20-50 раз дороже, чем DRAM, а также имеют более низкую плотность размещения электронных элементов. Компании IBM и Infineon Tehnologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). MRAM также является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM в будущем сможет заменить существующие разновидности DRAM. Компьютер с MRAM будет  загружаться практически мгновенно[14. с.371].

     Развитие  технологии хранения информации наглядно свидетельствует о движении технического прогресса по спирали: на следующем витке спирали используются старые принципы реализованные на более прогрессивной технологии. Действительно, первые ОЗУ строились на базе электромагнитных линий задержки (динамические ОЗУ), затем на базе магнитных тороидальных сердечников и пленок (МОЗУ), далее снова на динамических элементах (CMOS-транзисторах, DIMM), и грядет MRAM (опять МОЗУ). 

     Память  РСМ 

     Низкая  стоимость и высокая емкость  - основные параметры памяти для настольных компьютеров и серверов. Для мобильных устройств, работающих от батарей, важны также низкое энергопотребление и энергонезависимость памяти, сохранение данных после отключения энергии. В связи со значительным ростом рынка мобильных устройств эти требования к памяти становятся очень важными.

     Существует  несколько проектов универсальной  памяти. Так, по мнению разработчиков IBM и Intel, быстрая энергонезависимая память с изменением фаз (Phase Change Memory, PCM) может стать универсальной. Транзистор в отдельной РСМ-ячейке использует энергию для нагревания или охлаждения материала, меняя его состояние между аморфным (с высоким сопротивлением) и кристаллическим (с низким сопротивлением) и приписывает ячейке 0 или 1. РСМ-память работает гораздо быстрее, чем флэш-память, но медленнее, чем SRAM. Чтобы конкурировать с DRAM, она должна поддерживать неограниченное количество циклов записи. Исследования памяти РСМ показывают, что ее возможности могут соответствовать ограничению флэш-памяти в 100 тыс. циклов записи². 

     Память  РМС 

     Память  на базе программируемых металлизированных  ячеек (Program Metal Cels РМС) компании Axon Technologies представляет собой энергонезависимую  альтернативу DRAM, использующую меньше энергии и обеспечивающую большую емкость. Небольшое количество металла самоорганизуется в волокна по мере добавления электронов к ионам металла. Изменение сопротивления отражает состояние ячейки памяти. Твердый электролит наполняется ионами серебра в виде ионопроводящих кристаллов. При подаче малого напряжения электроны, перетекая от отрицательного полюса к положительному, превращают ионы в электропроводящую серебряную нанопроволоку. В результате сопротивление всего устройства уменьшается на несколько порядков. Битовое состояние (0 или 1) определяется путем измерения уровня сопротивления[18. с.302]. 

     Молекулярная  память 

     Технология  изготовления молекулярной памяти разработана  компанией ZettaCorе. Основа технологии —  химический процесс создания ячеек  памяти DRAM с молекулярным конденсатором. Ячейки функционируют за счет добавления или удаления электронов, что связано с изменением электрического напряжения, по которому определяется состояние ячейки (0 или 1). Молекулярная технология позволяет сформировать ячейки памяти, каждая из которых поддерживает четыре состояния и может хранить 2 бита. Она требует на 70% меньше энергии, чем обычная ячейка памяти DRAM, так как конденсатор может сохранять 100-кратный запас энергии и требует меньшей частоты обновления памяти, увеличивается емкость в два или четыре раза без увеличения себестоимости. Обещано, что технология будет запущена в массовое производство в 2008 году. 

     Нанопамять NRAM 

     Компания Nantero сообщила о создании нового экспериментального образца электронной памяти на базе углеродных нанотрубок в качестве механической памяти, работающей на принципах изменения положения углеродных волокон, замыкающих или размыкающих соединения между двумя электродами. На кремниевой пластине стандартного размера удалось разместить 10 млрд ячеек памяти NRAM, каждая из которых состоит из нескольких нанотрубок.

     Эта память сочетает в себе лучшие качества запоминающих устройств — дешевизну (DRAM) и энергонезависимость (флэш-память), а также будет обладать высокой  стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей. Само запоминающее устройство состоит из двух кремниевых подложек, на которых особым образом размещены массивы нанотрубок. Напомним, что толщина углеродной нанотрубки составляет примерно 1/10 000 диаметра человеческого волоса, а толщина ее стенки сравнима с размерами атома.

     Технология  компании Nantero использует два таких  свойства: эластичность (гибкость) нанотрубок и притягивание атомов углерода друг к другу под воздействием сил  Ван-дер-Ваальса.

     Нанотрубки  закрепляются на кремниевой подложке, а под ними на расстоянии примерно 120 нм располагается углеродный субстрат. Малое расстояние между соседними подложками вместе с ничтожными размерами нанотрубок позволяют достичь скоростей записи (чтения) порядка наносекунды.

     Электрический заряд небольшой величины, поступающий на подложку, притягивает к последней группу нанотрубок, расположенных над ней. Далее притянутые нано-трубки удерживаются в таком состоянии под действием сил Ван-дер-Ваальса, которые действуют независимо от наличия электропитания до появления следующего электрического заряда. Благодаря такому устройству свисающие нанотрубки могут играть роль битов памяти: «поднятое» состояние - «0», «опущенное (притянутое)» - «1». Так как в каждом отдельном переходе между указанными состояниями участвует несколько десятков нанотрубок, создается избыточность, предохраняющая систему от случайных потерь информации. В «замкнутом» и «разомкнутом» состояниях система из нанотрубок имеет различное электрическое сопротивление, за счет чего возможно считывание информации. Плотность записи информации в ячейки NRAM сравнима с плотностью записи информации в микросхемах оперативной памяти. В перспективе, плотность записи данных может достичь триллиона бит на квадратный сантиметр, что в 1000 раз больше, чем у современной оперативной памяти.

     NRAM может оказаться решением, востребованным  компьютерным рынком. 

     Перспективные технологии записи информации на HDD 

     Рассмотрим  наиболее перспективные технологии записи информации. 

     Туннельная  магниторезистивная запись 

     В 2005 году компания Samsung анонсировала две новые линейки жестких дисков Spin-Point, использующие технологию записи, основанную на туннельном магниторези-стивном эффекте (Tunneling Magneto Resistance - TMR). Применение TMR-головок позволяет существенно увеличить плотность записи информации - до 100 Гбайт на квадратный дюйм и больше. 

     Технология  перпендикулярной записи 

     Maxtor Corporation представила технологию изготовления  пластин жестких дисков с перпендикулярной  записью информации (perpendicular medium recording -   PMR).

     В отличие от LRM (продольной) она позволяет  записывать на одну пластину до 250 Гбайт. Компания Samsung представила винчестер  на 3 пластинах емкостью 1 Тбайт с  интерфейсом SATA и трансфером 3,0 Гбайт/с[12]. 

     Использование нанометровых магнитных головок 

     В 2007 году компания Hitachi разработала технологию создания миниатюрных нанометровых 0,03 мкм (в 2000 раз тоньше человеческого волоса) магнитных головок, что позволит увеличить емкость винчестеров до 4 Тбайт. 

     Перспективные технологии хранения информации на CD и DVD  

     Наиболее  перспективными технологиями, уже представленными в настоящее время являются технологии Blu-ray Disks (BD) и High Definition (HD) disks.  

     Blu-ray-диск  - BD 

     Технология Blu-ray использует голубой лазер с  длиной волны более короткой (405 нм), чем у традиционного красного лазера (780 нм), что позволяет более плотно записывать информацию.

     Формат BD разработан ассоциацией BDA (Blu-ray Disk Association), в которую входят компании Sony, Samsung, Philips, Pioneer и др.

     Компания Ricoh разработала технологию, позволяющую размещать на 8-слойном Blu-ray-Disc (BD) до 200 Гбайт (вмещает 18 часов High Definition видео).

     Существующий  двухслойный BD имеет емкость 50 Гбайт.

     Компания Imation - член ассоциации производителей дисков по технологии Blu-ray и организации по разработке стандартов DVD (DVD Forum) в 2006 году запустила в производство диски форматов BD, BD-R (записываемые) и BD-Re-R (перезаписываемые) указанной емкости[6. с.244]. 

     HDDVD 

     Диски с высокой плотностью (HD) записи используют также голубой лазер и являются конкурентами BD, поскольку позволяют хранить тоже весьма большие объемы данных: 15 Гбайт - однослойные и 30 Гбайт - двухслойные (в 2007 году представлены диски емкостью 25 и 50 Гбайт).

     Формат HD-DVD разработали компании NEC и Toshiba; компания Imation в 2006 запустила в производство диски HD-DVD-R и HD-DVD-ReR названной выше емкости.

     BD и HD-DVD имеют стандартный диаметр  120 мм и толщину 1,2 мм (HD-DVD чуть  толще из-за более толстого  защитного слоя, что обеспечивает  их лучшую защиту от механических повреждений).

     В табл. 1.4. показаны основные характеристики некоторых моделей оптических дисков.