Закон Мура требует революционного увеличения производительности компьютеров. И вчера и, по видимому сегодня, складывается такая ситуация: электронные микросхемы (микрочипы) ещё можно сделать более мелкими и функциональными с помощью появляющихся нанотехнологий, но как же увеличить производительность всей машины без увеличения разрядности и быстродействия её шины данных? Вот передо мной один из самых современных системных блоков (2005 год, Пентиум 4). Открываем его.
Нагромождение плат с печатным монтажом, близким по плотности к конструктивному пределу для печатных плат. 32 разрядная шина, несмотря на заявленную частоту процессора 2,93 ГГц едва справляется с двумя сотнями МГц! Какие тут могут быть разговоры о распознавании речи, объектов и мыслей? Допечатать бы эту статью, пока детище Билла не запросит отчёт! Существует два пути выхода из ситуации: делать печать материнской платы более многослойной и мелкой, и второй путь - оптический, оптоволокно вместо металлических шин. Первый способ - передача по проводам, очевидно, устарел. Очень трудно создать шину данных в несколько сот разрядов с высокой тактовой частотой, кроме того, 95% отказов техники происходит в результате некачественных паек, по вине различных шлейфов и отслаивании выводных контактных ножек внутри микросхем. Что же по оптическим компьютерам разрешают сегодня печатать в прессе? Так, например, деньги налогоплательщиков тратятся на разработку биокомпьютеров на основе кишечной палочки! А пока попробуем все вместе избавиться от компьютерной "палочки" ( демо версия русских хакеров на миллионы дней! ) В других лабораториях столкнулись с проблемой передачи по оптоволокну больших объёмов информации, а именно хотят в каждой микросхеме ставить лазер, модулировать его световой поток данными и, соответственно, в этой микросхеме будет расположен фотоприёмник, после которого сигнал ВЧ, приходящий с других микросхем, демодулируется посредством большого количества преобразователей с гетеродинами (очевидно по одному на каждый разряд шины). Проблема состоит в перекрёстных помехах при передаче по сотням шин широкополосной информации.
КОМПЬЮТЕР-2048
Как же должен выглядеть изнутри компьютер середины 21 века? Вот каким его увидел Ваш покорный слуга. Итак, открываем наглухо запечатанный системный блок. Невероятно, но ВНУТРИ НЕТ НИКАКИХ ПРОВОДНИКОВ, даже оптоволоконных (соединение между микросхемами - 100% ный Bluetooth )! Провода, может быть питающие металлические и волоконные интерфейсные, подключены только снаружи. Внутри системного блока налеплены в один ряд в виде сферы кристаллы-чипы. Некоторые из них больше, некоторые меньше по размеру, от каких то с тыльной стороны наружу к внешним устройствам, как я уже говорил, тянется оптоволокно. Один кристалл необычен и возвышается над другими в сторону центра сферы. В нём расположены лазеры и рассеивающая оптика. Дело в том, что у электронных микрочипов нет выводных ножек и питание микросхем в таком компьютере осуществляется посредством радиоволн в длинном инфракрасном диапазоне. ( Тепловые волны, близкие к резонансным частотам тепловых колебаний радиаторов кристаллов-чипов.) Лазеры питания поддерживают постоянную мощность (относительную температуру этих монохроматических излучений внутри сферы). Избыток тепла, если нужно, устраняется посредством кондиционирования воздуха внутри корпуса вне сферы. Корпус изнутри и ячеистый держатель-сфера выполнены из материалов (или покрыты тонким слоем материалов), почти полностью поглощающих все рабочие частоты за исключением тепловых оптической шины питания. Попадание внутрь системного блока внешнего света исключено. Если открыть этот блок, то из ячеистой сферы можно достать и оперативно заменить любой кристалл-чип. Шина данных в 2048 разрядов с тактовой частотой в сотни ГГц и другие рабочие шины реализованы на передаче оптических ультрафиолетовых, видимых и коротких инфракрасных волн (линейчатый спектр в несколько тысяч линий - волн разной длины). Теперь рассмотрим строение кристалла-чипа и как это чудо возможно.
Кристалл-чип функционально состоит из двух соединённых и отюстированных друг относительно друга частей - оптической системы наведения (например, системы оптики, выполненной из кварцевого стекла) и электронного микрочипа. Все оптические приходящие снаружи лучи попадают сначала на собирающую линзу, которая выполнена так, что является корпусом почти всей конструкции. В фокусе этой линзы расположена рассеивающая линза специальной формы, так что после этой линзы образуется узкий (шириной 2,5 мкм и длиной 20 мкм) световой поток. Этот поток попадает на призму, расщепляющую его спектр на отдельные линии, которые при правильной юстировке попадают в нужные мишени-фотодиоды, занимающие примерно три четверти площади оптической полоски каждого разряда шины. Одна четвёртая часть отдана пушкам-светодиодам для обратной передачи данных. Мишени и пушки выполнены из полупроводниковых составов, обладающих соответствующей шириной запрещённой зоны dW. К сожалению, любой светодиод не даёт нужный уровень монохроматичности, и на выходе призмы при разрядности шины 2048 от светодиодов получится хорошая спектральная "каша". Чтобы этого не случилось и для получения заданного стандартного линейчатого спектра шины между призмой и рассеивающей линзой установлен непрозрачный поглощающий экран с щелью размером 2,5 на 20 мкм. Собственно к этому экрану и крепится призма и внутренняя линза. Таким образом, от любого светодиода нужная спектральная линия проделывает обратный путь (в силу обратимости призмы) и эта линия точно уходит в щель, затем проходит обратно всю оптическую систему и равномерно рассеивается в пространство системного блока. Почему я взял за основу величину 2,5 мкм? При длине площадки буфера данных в 1 см и разрядности шины 2048 получим ширину площадки каждой линии в 2,5 мкм и примерно столько же ширину защитного интервала. Очевидно, уменьшать дальше ширину щели нельзя (ИК лучи не пойдут через неё). В процессоре, например, все геометрические размеры могут быть увеличены, но частоты линейчатого спектра данных всегда стандартны. Ещё 1 см длины площадки со стороны самого длиноволнового инфракрасного разряда полностью отдан приёмному буферу питания микрочипа, который реализован на фотоэлементах, либо на специальных тепловых приёмных антеннах, принимающих лазерные линии, а заодно и большую часть теплового излучения радиаторов. На схеме не указано, но защитный экран с щелью должен быть прозрачен для шины питания (длиноволновое ИК излучение с лазера питания) и непрозрачен для более верхних рабочих частот. Вот собственно и всё железо.
Достоинства метода: БОЛЬШЕ НЕТ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА! ЕСТЬ ТОЛЬКО ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ ИМС И ОПТИКА. Революционный прорыв в производительности ЭВМ позволит решать фантастические задачи (2048 разрядов с рабочей частотой сотни ГГц уже при сегодняшнем уровне полупроводниковой техники), дальнейшее увеличение надёжности и ремонтнопригодности компьютеров, а также упрощение технологии сборки и настройки этих машин. Недостатки: меньшая прочность, вибро и радиационная стойкость машин, необходимость применения гибридных схем и юстировки оптики каждой микросхемы, необходимость поддержания определённого температурного диапазона внутри корпуса, КПД передачи данных составляет сотые доли процента (энергия теряется на двойное преобразование электрических импульсов в свет и обратно, на потери, связанные с широким спектром излучения светодиодов и с тем, что лишь малая доля светового потока попадает нужному чипу-адресату). В результате, возможно, потребуются дополнительные буферные усилители для каждой шины внутри ИМС. Стоит игра свеч или мощные компьютеры никому не нужны?
