Сегодня практически у каждого есть телефон, плеер, компьютер, планшет или что-то ещё, что, так или иначе, содержит в себе интегральные микросхемы или чипы. Мы давно привыкли к этим вещам и часто даже не задумываемся над тем, сколько труда и инженерной мысли было вложено в создание одного такого чипа, первого тестового образца, чтобы затем конвейер и роботизированные системы размножили его в десятки, сотни тысяч и даже миллионы копий. В данной статье я расскажу о том, какой нелёгкий путь прошла индустрия производства микропроцессоров, как ей удалось выжить и какие основные этапы проходит обычный кварцевый песок , чтобы однажды превратиться в кремниевое сердце вашего ipad, видеокарты или мобильного телефона.

Для тех школьников, которые хотят глубже научиться разбираться с чудесами современной техники, идет олимпиада .

Краткая история экономики в экономике

Не знать истории — значит всегда быть ребенком.
Цицерон

20 век в сознании человечества останется одним из выдающихся столетий. Это век повсеместного внедрения электричества, грандиозных открытий, кровопролитных войн, беспрецедентных переворотов в промышленности и, конечно же, век, подготовившей человечество к переходу в информационное общество, со всеми его плюсами и минусами. Основой этого общества является очень простое устройство - транзистор, который позволяет усиливать, генерировать и преобразовывать электрические сигналы.

В 1928 году Юлий Эдгар Лилиенфельд в Германии зарегистрировал патент на принцип работы полевого транзистора, а уже в 1934 годунемецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор , однако MOS (металл-оксид-полупроводник) транзистор был изготовлен лишь в 1960 году. Во время Второй Мировой Войны возникла острая потребность в использовании быстрых счётных машин, которые могли бы шифровать и дешифровать приказы, отправляемые в войска, а также, что гораздо важнее, дешифровать и подбирать ключи к директивам противника (ярким примером может служить британский «Колосс» ). А в послевоенные годы работы над различными элементами электронных машин продолжились, и 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, за что в 1956 годуполучили Нобелевскую премию по физики «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» . Конечно, полевые транзисторы работают на гораздо более простых физических принципах (напряжение, подаваемое на затвор, либо позволяет течь току, либо нет), однако изготовить такой полевой транзистор куда сложнее, чем биполярный (потребовались годы на разработку теории работы такого устройства), что и обусловило первенство последних в материальном исполнении.

Копия первого в мире работающего транзистора

Дальнейшее изобретение интегральных схем (1958 год Джек Килби и Роберт Нойс) фактически предопределило развитие индустрии микроэлектроники. Через несколько лет, Гордон Мур, подготавливая своё очередное выступление в качестве главы департамента R&D (исследований и разработок) компании Fairchild Semiconductor, заметил интересный эмпирический факт: количество транзисторов в кристалле микропроцессора удваивается каждые два года . В июле 1968 года Мур с Робертом Нойсом покинули, созданную ими компанию Fairchild Semiconductors, и основали корпорацию Intel, которая стала одним из титанов современной микропроцессорной промышленности.

Закон, а точнее эмпирическое правило, Мура, в которое сегодня приходится вносить коррективы

Строго говоря, закон Мура не является законом, это всего лишь эмпирическое наблюдение, в которое мы периодически должны вносить изменения и дополнения, которые будут описывать современное положение отрасли.

В течение очень короткого промежутка времени, за какие-то 20-30 лет, микропроцессоры и индустрия их производства (очистка кварцевого песка, выращивание монокристаллического кремния, создание процессоров в чистых комнатах и т.д.) стали своего рода экономикой в экономике. Помимо общеизвестного закона Мура, существует ещё одно наблюдение: стоимость фабрик для производства микрочипов растёт экспоненциально при усложнении производимых микросхем. Возьмём простой пример: фабрика Intel, изготавливающая чипы по техпроцессу 45 нм (т.е. размер одного транзистора составляет 45 нм) стоит примерно 4 млрд. $. Аналогичная фабрика, но работающая по техпроцессу 32 нм будет стоить уже 5,5 млрд. $ . При этом одна фабрика должна окупиться в среднем за 3-4 года. Для сравнения рыночная стоимость самой компании Intel в 2008 году была 128 млрд. $ .

Компании, обладающие технологиями производства микрочипов по соответствующим техпроцессам

Как создать микрочип. Теория

Большинство теорий — лишь перевод старых мыслей на новую терминологию.
Григорий Ландау

Как мы уже поняли, транзисторы бывают двух основных видов: полевые и биполярные. На сегодняшний день биполярные транзисторы уступили своё место полевым транзисторам. Так как устроен полевой транзистор?!

Полевой транзистор состоит из 3 основных элементов: стока (drain ), истока (source ) и затвора (gate ). Металлический затвор отделён от токопроводящего канала между истоком и стоком с помощью, так называемого, high-k материала (или материала с высокой диэлектрической проницаемостью). Данный материал позволяет, во-первых, надёжно изолировать затвор от канала, по которому течёт ток, а, во-вторых, уменьшить геометрические размеры отдельного элемента микрочипа. В качестве такого материала на сегодняшний день используют оксид или силицид гафния, а также соединения на их основе.

Принцип работы полевого транзистора заключается в создании некоторой разности потенциалов между затвором и кремниевым монокристаллом, в зависимости от знака подаваемого напряжения ток между стоком и истоком либо течёт, либо нет, т.е. электроны с истока под действием электрического поля затвора отклоняются и не достигают стока. Именно это и является основой того, что мы привыкли именовать микроэлектроникой.

Слева - принципиальная схема устройства полевого транзистора, справа - микрофотография среза полевого транзистора, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Следующий вопрос, который каждый читатель захочет задать: как создать слои, толщиной 3 нм, «наклеить» стоки, истоки и затворы, чтобы, в конечном счёте, получить микропроцессор? Эта процедура состоит из нескольких этапов. Первый этап заключается в особой подготовке кварцевого песка - его восстановлении коксом в дуговых печах, где тысячи ампер электрического тока разогревают окружающее пространство до температуры около 1800°C, в результате чего образуется, так называемый, технический кремний:

3SiCl 4 + 2H 2 + Si = 4SiHCl 3

Пройдя ещё несколько стадий, мы получаем высокочистый кремний, очищенный от посторонних примесей и содержащий всего 1 чужеродный атом на миллиарды атомов кремния:

2SiHCl 3 = SiH 2 Cl 2 + SiCl 4

2SiH 2 Cl 2 = SiH 3 Cl + SiHCl 3

2SiH 3 Cl = SiH 4 + SiH 2 Cl 2

SiH 4 = Si + 2H 2

После такой очистки кремний плавят в специальных печах, а затем выращивают огромный монокристалл по методу Чохральского , вытягивая его из расплава со скоростью несколько миллиметров в минуту. Получившуюся колонну весом более 100 кг распиливают на тысячи тонких (толщиной всего 1 мм) пластин - «вафлей». Далее каждую такую вафлю полируют до зеркального блеска, и лишь потом приступают к формированию десятков и сотен чипов на подложке с помощью процесса литографии.

Слева - принципиальная схема литографического процесса, справа - длина волны используемого лазера и характерный размер транзистора.

Непосредственно перед началом литографического процесса на вафле формируют тонкий слой оксида, и посредством магнетронного распыления при высокой температуре наносят ещё более тонкий слой high k материала. Далее на подложку при вращении капают небольшое количество фоточувствительного полимера, который формирует очередной тонкий слой на поверхности. Такой полимер способен менять свои свойства под действием ультрафиолетового излучения. Затем «вафлю» помещают под специальную систему линз, за которой находится фотомаска и источник лазерного УФ-излучения. Теперь роботизированная система проходит сотни раз по подложке и оставляет на ней «отпечатки». После окончания данного процесса вафля помещается в растворитель, под действием которого засвеченные области полимера растворяются и удаляются с пластины. Таким образом, на подложке формируется трёхмерный рельеф, «впадины» в таком рельефе заполняют определёнными веществами, а литографический процесс (т.е. экспонирование пластины под лазерным пучком) повторяется ещё несколько десятков раз. Всего чтобы «напечатать» чип требуется несколько сотен различных технологических стадий, большинство из которых проводят в суперчистых комнатах.

Итак, слой за слоем на одной из сторон «вафли» возникает превосходная трехмерная композиция из медных проводников и транзисторов, которая через небольшой период времени будет вырезана из «вафли» и станет сердцем компьютера.

Когда слой за слоем сформированы отдельные элементы транзистора, наступает очередь «вырастить» контакты

До не давнего времени литографический процесс был прост, так как длина волны излучения была меньше или сопоставима с размерами отдельных «печатаемых» элементов на подложке. На рубеже 21 века ведущий компании-производители микропроцессоров перешагнули через так называемый дифракционный предел, т.е. с помощью лазера с длинной волны 248 нм стали производить чипы, отдельные элементы которых имели всего-навсего 190, 130, 90 нм, что было бы немыслимо при использовании классической оптики. Соответственно, были разработаны и внедрены инновационные подходы к конструированию масок (например, так называемые, маски со сдвигом фазы), стали использовать вычислительную мощь компьютеров для проектирования микрочипов и учёта волновой природы света. Например, мы хотим напечатать элемент в виде двух сочленённых букв Т и просим компьютер нам помочь. То, что нарисует компьютер, будет слегка отличаться от того, что мы задумали. Но структура маски будет отличаться ещё больше, а напечатанная структура на подложке едва будет напоминать задуманную. Но что поделать, мы работаем на грани человеческих возможностей и уже несколько раз обманули природу и волновые свойства света.

Слева - отличие обычной маски от маски, использующей фазовый сдвиг, справа - яркий пример геометрического несоответствия между желаемым и реально получаемым рисунком на подложке

«Там внизу много места». Практика

Нельзя иметь верного понятия о том, что не испытано.
Вольтер Франсуа Мари Аруэ

Года 3-4 назад судьба распорядилась так, что в руки мне попал ноутбук Asus G2S. Счастье моё длилось ровно до прошлой зимы, когда ни с того, ни с сего на экране стали появляться артефакты (различные искажения изображения), особенно при запуске игрушек или «мощных» приложений, активно работающих с видеочипом. В результате оказалось, что проблема именно в нём. Nvidia для практически всей геймерской линейки G2 поставляла видеочипы с браком (отслоение контактов между самим кристаллом и подложкой), который обнаруживался лишь через пару лет интенсивной работы. Решение было однозначным - замена видеочипа. Но что делать со старым?! Ответ на этот вопрос пришёл на редкость быстро… Через день старенький видеочип лежал под алмазным кругом микротома (прибора для тонкой резки материалов и образцов).

О пользе полировки

К моему глубокому сожалению микротом разрезал чип довольно грубо, хотя и без заменых сколов и трещин на самом кремниевом чипе. Поэтому далее пришлось долго и упорно шлифовать и полировать поверхность среза, чтобы она приняла нужный вид. Польза от полировки видна невооружённым взглядом, точнее вооружённым, но только оптическим микроскопом:

Слева фотографии до полировки, справа - после. Верхний ряд фотографий - увеличение 50x, нижний - 100x

После полировки (фотографии справа) уже на увеличении 50x видны медные контакты, соединяющие отдельные структуры чипа. До полировки, они, конечно же, тоже проглядывают сквозь пыль и крошку, образовавшуюся после резки, но разглядеть отдельные контакты вряд ли удастся.

Электронная микроскопия

Оптическая микроскопия даёт 100-200 крат увеличения, однако это не идёт ни в какое сравнение с 100 000 или даже 1 000 000 крат увеличения, которое может выдать электронный микроскоп (теоретически для ПЭМ разрешение составляет десятые и даже сотые доли ангстрема, однако в силу некоторых реалий жизни такое разрешение не достигается). К тому же, чип изготовлен по техпроцессу 90 нм, и увидеть с помощью оптики отдельные элементы интегральной схемы довольно проблематично, опять-таки мешает дифракционный предел. А вот электроны вкупе с определёнными типами детектирования (например, SE2 - вторичные электроны) позволяют визуализировать разницу в химическом составе материала и, таким образом, заглянуть в самое кремниевое сердце нашего пациента, а именно узреть сток/исток, но об этом чуть ниже.

Печатная плата

Итак, приступим. Первое, что мы видим - печатная плата, на которой смонтирован сам кремниевый кристалл. К материнской плате ноутбука он крепится с помощью BGA пайки. BGA - Ball Grid Array - массив оловянных шариков диаметром около 500 мкм, размещённых определённым образом, которые выполняют ту же роль, что и ножки у процессора, т.е. обеспечивают связь электронных компонентов материнской платы и микрочипа. Конечно, никто вручную не расставляет эти шарики на плате из текстолита, это делает специальная машина, которая перекатывает шарики по «маске» с дырочками, соответствующего размера.

BGA пайка

Сама плата выполнена из текстолита и имеет 8 слоёв из меди, которые связаны определённым образом друг с другом. На такую подложку монтируется кристалл с помощью некоторого аналога BGA, давайте назовём его «mini»-BGA. Это те же шарики из олова, которые соединяют маленький кусочек кремния с печатной платой, только диаметр этих шариков гораздо меньше, меньше 100 мкм, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

Сравнение BGA и mini-BGA пайки (на каждой микрофотографии снизу обычный BGA, сверху - “mini”BGA)

Для повышения прочности печатной платы, её армируют стекловолокном. Эти волокна хорошо видны на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Текстолит - настоящий композитный материал, состоящий из матрицы и армирующего волокна

Пространство между кристаллом и печатной платой заполнено множеством «шариков», которые, по всей видимости, служат для теплоотвода и препятствуют смещению кристалла со своего «правильного» положения.

Множество шарообразных частиц заполняют пространство между чипом и печатной платой

Элемент обвязки. SMD-компоненты

Вся прелесть использования микротома в том, что в отличие от прочих режущих инструментов, он позволил аккуратно разрезать один из элементов обвязки, который, судя по слоистой структуре, является SMD (Surface-mount device, т.е. устройство, которое монтируется непосредствено на поверхность печатной платы) твердотельным конденсатором. Как оптическая, так и электронная микроскопия показали одинаково полосатый результат.

Отдельные логические элементы современной компьютерной техник

Еле заметная разница в контрасте на выше приведённой микрофотографии - это и есть те самые стоки/истоки, которые помогают нам с Вами работать за компьютером, играть в компьютерные игры, смотреть фильмы, слушать музыку и т.д. Размер структур составляет, по моим подсчётам, около 114 нм, учитывая ~10% в шкале и расчётах, а также особенности литографии, эта цифра очень хорошо согласуется с заявленным техпроцессом. Теперь мы можем спать спокойно, зная, что такие гиганты, как Intel, Nvidia, AMD действительно производят микрочипы, в которых отдельные элементы могут быть и 90, и 60, и 45, и даже 32 нм.

Внутреннее устройство микрочипа Nvidia 8600M GT

Заключение

Многое из увиденного внутри видеочипа меня поразило. Твердотельный конденсатор в разрезе - это просто потрясающе. Конечно, публикации от Intel, фото, найденные в Интернете с помощью поисковиков, красивые картинки и анимация - отличная вещь, позволяющая быстро получить требуемую информацию и знание. Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора часами, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт.

Компьютерная техника, так или иначе, развивается на протяжении последних 60-70 лет. За это время она преодолела тяжёлый путь от военных компьютеров размером с дом до ipad, от перфокарт до windows 7. Эта индустрия сама создала для себя рынок и целую эпоху - информационную эру. На сегодняшний день индустрия информационных технологий (не только производства компьютерных комплектующих) - один из самых быстроразвивающихся сегментов мировой экономики.

Нет никаких сомнений, что информационный век, в который мы уже вступили, подтолкнёт развитие компьютерной техники, ускорит темпы инноваций и внедрения всё более совершенных технологий. В скором будущем нас ждёт переход от кремния к углероду, как основы вычислительной техники, от электронов к фотонам, как переносчика информации. Всё это позволит в несколько раз снизить вес устройств, многократно увеличить производительность, разработать новые встраиваемые системы и полностью погрузить человека в цифровой мир с его достоинствами и недостатками.

Принцип работы ключей с чипом

Добро пожаловать на сайт мастерской VOXKEY.

Мы специализируемся на професcиональном изготовлении автомобильных ключей зажигания и решаем различные задачи связанные с диагностикой автомобилей в Орле.

Обратившись к нам, Вы можете рассчитывать на всестороннюю консультацию и оперативное решение по любому вопросу связанному с нашей деятельностью.

Перечень наших услуг Вы можете увидеть по .

А пока попытаемся разобраться в формулировках.

Что такое чип-ключ для автомобиля, как это работает и зачем это все нужно?

В этой статье мы немного расскажем о принципах работы системы иммобилайзера, дадим немного полезных советов и постараемся ответить на самые часто задаваемые вопросы.

Начнем с принципа работы системы иммобилайзера.

Если совсем просто, то иммобилайзер - это электронная система, которая работает совместно с блоком управления двигателя и дает ему разрешение на запуск двигателя, либо запрещает его.

Таким образом, двигатель заведется только если в замке зажигания будет "правильный" ключ.

Как происходит идентификация ключа? Для этого в самом ключе содержиться электронный компонент - транспондер (чип). Он содержит в себе электронный код, считывая который, система иммобилайзера и понимает, "свой" это ключ или нет.

Многие автовладельцы даже не подозревают о наличии чипа в своем ключе зажигания от машины.

В этом можно быть уверенным только если ключ представляет собой железку. Если ключ с пластиковой головкой, то наличие чипа в нем весьма вероятно! Учитывая еще и то, что в автомобилях системы иммобилайзера построеные на таком принципе начали появляться с 1995 года.

Чипы бывают нескольких разновидностей.

Карбоновый чип, отличается весьма маленьким размером, но тем не менее, содержит в себе целый ряд электронных компонентов которые герметично залиты "карбоном".

Стеклянный чип, в форме миниатюрной стеклянной колбы. В настоящее время встречаются крайне редно. Содержит в себе тот же набор компонентов что и карбоновый чип, но за счет более крупной антенны приемо-передатчика гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Для установки в системы автозапуска мы рекомендуем именно такие чипы. При своей стоимости, немного превышающей цену карбонового чипа - работают гораздо стабильней.

Следующая разновидность - это батареечные или без батареечные эмуляторый чипов. Встречаются повсеместно в ключах зажигания с радиоканалом (кнопками), представляет собой плату с микросхемой и записанной в нее программой, которая при работе эмулирует чип.

Одно из самых распространненых заблуждений заключается в том, что владельцы считают что без батарейки такой ключ не будет заводить машину. Это совершенно не соответствует действительности! Батарея в ключе необходима только для работы кнопок на нем, и дистанционного открытия/закрытия дверей. Чип независим от питания и прекрасно работает без батарейки.

Система работает на крайне небольшом расстоянии. Поэтому перехватить данные обмена практически невозможно.

У современных автомобилей, практически у всех ключ зажигания не обычный, это так называемый чип – ключ. Что это такое , как поменять в нем . Недавно ком не на блог пришло очень интересное письмо, пересказывать не буду, но человек спрашивает – как работает чип ключ? Вопрос мне показался интересным и я решил написать на эту тему статью …

Действительно снаружи на ключе нет никаких плат, ни контактных групп и так далее, чтобы прикладывать его к какому – либо считывателю на автомобиле. Есть сам ключ, который вставляется замочную скважину, но это не контактная группа! Так какой же принцип работы?

Если вдаваться в технические подробности …

Замок зажигания автомобиля имеет определенную рамку, которая связана напрямую с блоком иммобилайзера. При включении зажигания блок подает импульс в эту рамку и переходит в режим считывания, то есть начинает слушать отклик от чип – ключа. В свою очередь (от импульса), чип – ключ заряжается и начинает передавать вшитый в него код, передает на эту рамку иммобилайзера. Рамка иммобилайзера принимает код, и если все нормально дает возможность запустить двигатель.

Если просто …

Представить работу очень легко. Наверное у всех (или у многих) есть домофоны на подъездах. Мы подходим подносим специальный брелок, домофон его считывает и открывает дверь. Это утрированный пример чип-ключа и иммобилайзера автомобиля.

Нужно отметить, что без этого чип-ключа автомобиль не запуститься иммобилайзер не позволит! Он блокирует различные функции автомобиля:

— у некоторых автомобилей иммобилайзер стоит в самом замке зажигания и блокирует различные функции именно в замке.

— у других иммобилайзер встроен в приборную доску и размыкает те или иные цепи автомобиля (например цепь бензонасоса)

— у третьих блок иимобилайзера находится в подкапотном пространстве, и при помощи усилителей может блокировать и замок и цепи одновременно.

Как видите устройство и принцип работы чип-ключа вроде простое, но эффективное. Однако сейчас многие сигнализации с автозапуском отключают штатный иммобилайзер (в частности при помощи дополнительного ключа который помещается в панель автомобиля), делать этого лично я не рекомендую. Потому как автомобиль становится более легкой добычей для угонщиков.

А сейчас небольшая видео версия статьи

Справедливые, не завышенные и не заниженные. На сайте Сервиса должны быть цены. Обязательно! без "звездочек", понятно и подробно, где это технически возможно - максимально точные, итоговые.

При наличии запчастей до 85% процентов сложных ремонтов можно завершить за 1-2 дня. На модульный ремонт нужно намного меньше времени. На сайте указана примерная продолжительность любого ремонта.

Гарантия и ответственность

Гарантию должны давать на любой ремонт. На сайте и в документах все описано. Гарантия это уверенность в своих силах и уважение к вам. Гарантия в 3-6 месяцев - это хорошо и достаточно. Она нужна для проверки качества и скрытых дефектов, которые нельзя обнаружить сразу. Видите честные и реальные сроки (не 3 года), вы можете быть уверены, что вам помогут.

Половина успеха в ремонте Apple - это качество и надежность запчастей, поэтому хороший сервис работает с поставщиками на прямую, всегда есть несколько надежных каналов и свой склад с проверенными запчастями актуальных моделей, чтобы вам не пришлось тратить лишнее время.

Бесплатная диагностика

Это очень важно и уже стало правилом хорошего тона для сервисного центра. Диагностика - самая сложная и важная часть ремонта, но вы не должны платить за нее ни копейки, даже если вы не ремонтируете устройство по ее итогам.

Ремонт в сервисе и доставка

Хороший сервис ценит ваше время, поэтому предлагает бесплатную доставку. И по этой же причине ремонт выполняется только в мастерской сервисного центра: правильно и по технологии можно сделать только на подготовленном месте.

Удобный график

Если Сервис работает для вас, а не для себя, то он открыт всегда! абсолютно. График должен быть удобным, чтобы успеть до и после работы. Хороший сервис работает и в выходные, и в праздники. Мы ждем вас и работаем над вашими устройствами каждый день: 9:00 - 21:00

Репутация профессионалов складывается из нескольких пунктов

Возраст и опыт компании

Надежный и опытный сервис знают давно.
Если компания на рынке уже много лет, и она успела зарекомендовать себя как эксперта, к ней обращаются, о ней пишут, ее рекомендуют. Мы знаем о чем говорим, так как 98% поступающих устройств в СЦ восстанавливется.
Нам доверяют и передают сложные случаи другие сервисные центры.

Сколько мастеров по направлениям

Если вас всегда ждет несколько инженеров по каждому виду техники, можете быть уверены:
1. очереди не будет (или она будет минимальной) - вашим устройством займутся сразу.
2. вы отдаете в ремонт Macbook эксперту именно в области ремонтов Mac. Он знает все секреты этих устройств

Техническая грамотность

Если вы задаете вопрос, специалист должен на него ответить максимально точно.
Чтобы вы представляли, что именно вам нужно.
Проблему постараются решить. В большинстве случаев по описанию можно понять, что случилось и как устранить неисправность.

О самом мощном японском суперкомпьютере для исследований в области ядерной физики. Сейчас в Японии создают эксафлопсный суперкомпьютер Post-K - японцы станут одними из первых, кто запустит в работу машину с такой вычислительной мощностью.

Ввод в эксплуатацию намечен на 2021 год.

На прошлой неделе компания Fujitsu рассказала о технических характеристиках чипа A64FX, который ляжет в основу новой «машины». Расскажем подробнее о чипе и его возможностях.

Технические характеристики A64FX

Ожидается, что вычислительные возможности Post-K почти в десять раз превысят показатели самого мощного из существующих суперкомпьютеров IBM Summit (по данным за июнь 2018).

Подобной производительностью суперкомпьютер обязан чипу A64FX на архитектуре Arm. Этот чип состоит из 48 ядер для проведения вычислительных операций и четырех ядер для управления ими. Все они равномерно разделены на четыре группы - Core Memory Groups (CMG).

Каждая группа имеет 8 МБ L2-кеша. Он связан с контроллером памяти и интерфейсом NoC («сеть на кристалле »). NoC соединяет между собой различные CMG c контроллерами PCIe и Tofu. Последний отвечает за связь процессора с остальной системой. У контроллера Tofu имеется десять портов с пропускной способностью в 12,5 ГБ/с.

Схема чипа выглядит следующим образом:

Суммарный объём памяти HBM2 у процессора составляет 32 гигабайта, а её пропускная способность равняется 1024 ГБ/с. В компании Fujitsu говорят, что производительность процессора на операциях с плавающей точкой достигает 2,7 терафлопс для 64-битных операций, 5,4 терафлопс - для 32-битных и 10,8 терафлопс - для 16-битных.

За созданием Post-K следят редакторы ресурса Top500, которые составляют список самых мощных вычислительных систем. По их оценке, для достижения производительности в один эксафлопс в суперкомпьютере используют более 370 тыс. процессоров A64FX.

В устройстве впервые применят технологию векторного расширения под названием Scalable Vector Extension (SVE). Она отличается от других SIMD-архитектур тем, что не ограничивает длину векторных регистров, а задает для них допустимый диапазон. SVE поддерживает векторы длиной от 128 до 2048 бит. Так любую программу можно запустить на других процессорах, поддерживающих SVE, без необходимости перекомпиляции.

При помощи SVE (так как это SIMD-функция) процессор может одновременно проводить вычисления с несколькими массивами данных. Вот пример одной из таких инструкций для функции NEON, которая использовалась для векторных вычислений в других архитектурах процессоров Arm:

Vadd.i32 q1, q2, q3
Она складывает четыре 32-битных целых числа из 128-битного регистра q2 с соответствующими числами в 128-битном регистре q3 и пишет результирующий массив в q1. Эквивалент этой операции на языке C выглядит так:

For(i = 0; i < 4; i++) a[i] = b[i] + c[i];
Дополнительно SVE поддерживает функцию автовекторизации. Автоматический векторизатор анализирует циклы в коде и, если возможно, сам использует векторные регистры для их выполнения. Это повышает производительность кода.

Например, функция на C:

Void vectorize_this(unsigned int *a, unsigned int *b, unsigned int *c) { unsigned int i; for(i = 0; i < SIZE; i++) { a[i] = b[i] + c[i]; } }
Она будет скомпилирована следующим образом (для 32-битного процессора Arm):

104cc: ldr.w r3, ! 104d0: ldr.w r1, ! 104d4: cmp r4, r5 104d6: add r3, r1 104d8: str.w r3, ! 104dc: bne.n 104cc
Если же задействовать автовекторизацию, то выглядеть это будет так:

10780: vld1.64 {d18-d19}, 10784: adds r6, #1 10786: cmp r6, r7 10788: add.w r5, r5, #16 1078c: vld1.32 {d16-d17}, 10790: vadd.i32 q8, q8, q9 10794: add.w r4, r4, #16 10798: vst1.32 {d16-d17}, 1079c: add.w r3, r3, #16 107a0: bcc.n 10780
Здесь происходит загрузка SIMD-регистров q8 и q9 с данными из массивов, на которые указывают r5 и r4. После чего инструкция vadd складывает по четыре 32-битных целых значения за раз. Это увеличивает объем кода, но так обрабатывается гораздо больше данных за каждую итерацию цикла.

Кто еще создает эксафлопсные суперкомпьютеры

Созданием эксафлопсных суперкомпьютеров занимаются не только в Японии. Например, работы также ведутся в Китае и США.

В Китае создают Тяньхэ-3 (Tianhe-3). Его прототип уже тестируется в Национальном суперкомпьютерном центр в Тяньцзине. Финальную версию компьютера планируется закончить в 2020 году.

/ фото O01326 / Суперкомпьютер Тяньхэ-2 - предшественник Тяньхэ-3

В основе Тяньхэ-3 лежат китайские процессоры Phytium. Устройство содержит 64 ядра, имеет производительность в 512 гигафлопс и пропускную способность памяти в 204,8 ГБ/с.

Работающий прототип создан и для машины из серии Sunway . Он тестируется в Национальном суперкомпьютерном центре в Цзинане. По словам разработчиков, на компьютере сейчас функционирует около 35 приложений - это биомедицинские симуляторы, приложения для обработки больших данных, и программы для изучения климатических изменений. Ожидается, что работа над компьютером будет завершена в первой половине 2021.

Что касается Соединённых штатов, то американцы планируют создать свой эксафлопсный компьютер к 2021 году. Проект называется Aurora A21, и над ним работают Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США , а также компании Intel и Cray.

В этом году исследователи уже