статья Бернарда Коула "Is it time to move beyond zeroes and ones"
URL: http://www.embedded.com/showArticle.jhtml;jsessionid=GCSOE4PC1YQDGQSNDBCCKHSCJUMEYJVN?articleID=13100886
Перевод А.П. Коноплевой
Донецкий
национальный технический университет
Компании-производители
полупроводников будут совещаться в рамках International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRC) о развитии технологического процесса для будущего развития объединенных компьютерных систем.
Я надеюсь, они помнят свое
прошлое и пересмотрят некоторые идеи и
концепции, которые когда-торассматривались, а потом были выброшены в мусорную корзину на пути к
гигагерцевым тактовым частотам, мульти-миллионному транзисторуSoCs.
Это не были
плохие идеи, а просто идеи, которые не были приспособлены к условиям рынка того
времени. Но время и рыночная динамика изменились. Одной из таких отброшенных идей был
переход от бинарной логики к схемам, базирующимся на многозначной логике, в
которых интенсивность потока информации
и продуктивность схемы теоретически могли бы значительно повыситься без
дальнейших дорогих усовершенствований, лежащих в основе производственных
технологий.
Одна из альтернатив -
вероятность использование дополнительных
технологий для беспроводных коммуникаций, включая кремний-германий и арсенид галлия и фосфид индия, как возможность для беспроводных устройств достичь
тактовой частоты, превышающей 100 гГц.
Эти изменения важны для будущего
беспроводных технологий, если это даст
возможность увеличить пропускную способность беспроводных сетей до
уровня проводного Интернета или даже превышения такового.
Я нахожу упоминание о
кремний-германии наиболее интересным и привлекательным, учитывая его
совместимость с многозначной логикой. Транзисторы, основанные на SiGe,GaAs,GaAsP,InP и других экзотические сплавах, являются гетеропереходными устройствами, которые в
действительности способны производить множество порогвых уровней напряжения.
Теоретически, SiGe может быть использован при разработке устройств, которые отходят от обычной 0/1, вкл/выкл базирующейся бинарной логики. Такие структуры могут надежно генерировать множественные
уровни сигнала, которые легко различаются. Они могут использоваться при
построении 3х, 4х и более базирующихся логических функциях, эффективно
повышая интенсивность потока информации
без дальнейшего сжатия транзисторных
структур. Эта возможность является тем нечто, что должно по меньшей мере быть
учтено, т. к. мы движемся в конечном счете к микронным масштабам, где мы уже
встали перед проблемой цены производственного оборудования.
Путь назад, когда промышленность
двигалась к 2-4-микроновой геометрии, большинство из ведущих компаний по
производству полупроводников начали исследовать основанные на троичной и
четверичной логике схемы, т. к. они ощущали, что потребность производственного
оборудования к переходу к меньшей
геометрии будет слишком дорогим.
Те, которые использовали главным
образом 16-битные микроконтроллеры и микропроцессоры особенно заинтересовались
после некоторых быстрых подсчетов. Например, по моим подсчетам 16-битный
микрокомпьютер с бортовым запоминающим устройством имеет прямой доступ не
более, чем к 216 бит памяти
(около 65 Кбит), в то время, как такой же микрокомпьютер с памятью,
базирующейся на троичной логике, будет иметь прямой доступ к1643 Мбит памяти.
Но были камни преткновения на пути.
Главным образом потому, что использовались гомогенезовые кремниевые структуры,
такие как кремний, они должны были учитывать все тонкости в схемах, чтобы
выразить многозначную логику, используя
бинарные структуры. Но выход был найден, и Intel,Fairchild, National Semiconductor,Signetics(сейчас Philips), и Motorola, все они имели продукты на
рынке, основанные на троичной и четверичной логике.
Где-то в это же время промышленность
искала пути повышения скорости посредством альтернативные кремниевых
транзисторов для повышения тактовой частоты. Так как они рассматривали
различные комбинации арсенид галлия и другие смеси, им стало ясно, что именно гетеропереходная природа давала
не-кремниевым транзисторам такую скорость. Потом началась работа по созданию
некоторых дружественных кремниевым гетеропереходных структур, которые могли
бы достичь соответствующих
характеристик.
Но исследователи IBM, Motorola TI и некоторых других университетов также заметили, что гетеропереходные устройства, кремниевые или нет, имели
другую интересную особенность – они были, по сути,много-пороговыми, способными к изменению и
генерированию уровней сигнала.
Предварительно, обходя невозможность
достоверного генерирования и определения множественности порогов в бинарной
кремниевой схеме, было необходимо было придумать кремниево-насыщенные
логические структуры, куоторые могли бы выражать многозначную логику. Но
разработка была проблематичной из-за положения промышленности в то время,
которая умела различать только 2 логических уровня и требовала много работы для
различия трех или четырех.
Теперь у нас есть не только SiGe транзисторные структуры, которые хорошо совместимы с
многозначной логикой, но и промышленность стала подходящей для генерирования и
умения различить множественные уровни напряжения.
Но есть третья проблема, не
собственно в кремнии, но в желании инженеров отступить от бинарной логики,
которая стала их "вторым я".То,
что Intel и другие компании ушли от этой проблемы в прошлом, держало инженера
вдали от троичной и четверичной логики. В то время это было довольно дорого
находиться в кремниевом пространстве. Теперь этот экстра кремний не стоил бы
так дорого.
Но захотят ли инженеры уйти от привычного
мира бинарной логики, даже если многозначность логики хорошо скрыта? Несмотря
на тот факт, что теоретические работы по многозначной логике доказывают ее
целесообразность, мы можем встать перед ситуацией, аналогичной апокрифической
истории миссионера, которую я слышал, в классе антропологии.
Суть ее в том, что после года усилий
научить туземцев глубоко в джунглях, как считать, используя десятичную систему
счисления, попытки миссионеров потерпели полный крах. Его ученики либо умирали,
так и не усвоив ее, либо вообще не желали этому обучаться. Когда он спросил
антрополога в селении о причинах, тот ответил, что у этого конкретного племени
была система счисления, которая состояла из значений: нуль, один и много. У
членов племени в их повседневной жизни не было причин думать о числовой системе, которая предлагала
им больше вариантов.Они не сознавали
всей сложности нынешней жизни, которая требует более совершенной системы чисел.
В отличие от этих мифических аборигенов, я
думаю, что экономика полупроводникового производства требует от нас ухода от
нулей и единиц. Мы уже говорили, что некоторые старые идеи выкинуты в корзину
истории. Может быть стоит пересмотреть свое отношение к многозначной логике?
Бинарная логика – это как движение по Манхэттэну, есть возможность вести
только прямо и делать поворот вправо. Троичная логика дает возможность ехать
прямо и поворачивать влево и вправо. Вы имеете возможность не только добраться
потенциально быстрее, чем по односторонней
полосе, но и можете достичь мест, которых никогда бы не смогли достичь раньше.
Мы должны будем работать с 729 коммутативными функциями в
троичной логике, противоположной 8 в двоичной логике. Что в некотором смысле не
всегда выгодно.Одно из
препятствий на пути троичной и
многозначной логики – практически арифметические примеры используются для
демонстрации преимуществ. Что конечно же имеет огромное значение, так как
многие инженеры не захотят работать с арифметическими схемами.
Синхронные методы являются просто путем к разбиению
реального мира асинхронных проблем на меньшие и легче перевариваемые кусочки. Проектирование асинхронных
логических схем, вероятно, требует особенного склада ума, которым обладают лишь
немногие. Проектирование синхронных
логических схем никогда не будет полностью оптимизированным. Проектирование
асинхронных логических схем никогда не будет легким для большинства инженеров,
все это позволяет мне предсказать, что в будущем будут смешанные схемы-гибриды,
особенно в большом проектировании.
Полностью асинхронное проектирование будет более возможно при маломасштабных
проектах, которые с другой стороны не полностью удовлетворяют запросам такого
проектирования, которые до сих пор должны работать в цифровом мире, в которм
преобладает синхронное проектирование.