Oggi quasi tutti hanno un telefono, un lettore, un computer, un tablet o qualcos'altro che, in un modo o nell'altro, contiene circuiti integrati o chip. Siamo abituati da tempo a queste cose e spesso non pensiamo nemmeno a quanto lavoro e ingegneria sono stati investiti nella creazione di uno di questi chip, il primo campione di prova, in modo che il trasportatore e i sistemi robotici lo moltiplicassero poi in decine, centinaia di migliaia e perfino milioni di copie. In questo articolo parlerò del difficile percorso che ha attraversato l'industria produttrice di microprocessori, di come è riuscita a sopravvivere e di quali fasi principali attraversa la normale sabbia di quarzo per trasformarsi un giorno nel cuore di silicio del tuo iPad, scheda video o cellulare. telefono.

Per quegli scolari che vogliono acquisire una comprensione più profonda delle meraviglie della tecnologia moderna, ci sono le Olimpiadi.

Una breve storia dell'economia in economia

Non conoscere la storia significa essere sempre bambini.
Cicerone

Il 20 ° secolo rimarrà nella coscienza dell'umanità uno dei secoli eccezionali. Questo è il secolo dell’introduzione diffusa dell’elettricità, delle grandi scoperte, delle guerre sanguinose, delle rivoluzioni industriali senza precedenti e, naturalmente, del secolo che ha preparato l’umanità alla transizione verso la società dell’informazione, con tutti i suoi pro e contro. La base di questa società è un dispositivo molto semplice: un transistor, che consente di amplificare, generare e convertire segnali elettrici.

Nel 1928, Julius Edgar Lilienfeld in Germania registrò un brevetto sul principio di funzionamento di un transistor ad effetto di campo, e già nel 1934, il fisico tedesco Oskar Heil brevettò un transistor ad effetto di campo, ma il transistor MOS (semiconduttore a ossido di metallo) era prodotto solo nel 1960. Durante la Seconda Guerra Mondiale vi era l'urgente necessità di utilizzare macchine calcolatrici veloci in grado di crittografare e decifrare gli ordini inviati alle truppe e, soprattutto, decifrare e selezionare le chiavi delle direttive nemiche (un esempio lampante è l'arma britannica "Colosso"). E negli anni del dopoguerra, il lavoro su vari elementi di macchine elettroniche continuò e nel 1947 William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain dei Bell Labs crearono per la prima volta un transistor bipolare funzionante, per il quale nel 1956 ricevettero il Premio Nobel per la fisica “per la ricerca sui semiconduttori e la scoperta dell'effetto transistor”. Naturalmente, i transistor ad effetto di campo funzionano secondo principi fisici molto più semplici (la tensione applicata al gate consente o meno il passaggio della corrente), ma realizzare un transistor ad effetto di campo di questo tipo è molto più difficile di uno bipolare (ci sono voluti anni per realizzarlo). sviluppare la teoria del funzionamento di un tale dispositivo), che ha determinato il primato di quest'ultimo nelle prestazioni materiali.

Una copia del primo transistor funzionante al mondo

L'ulteriore invenzione dei circuiti integrati (1958 da parte di Jack Kilby e Robert Noyce) ha effettivamente predeterminato lo sviluppo dell'industria microelettronica. Alcuni anni dopo, Gordon Moore, preparando il suo prossimo discorso come capo della R&D (ricerca e sviluppo) presso Fairchild Semiconductor, notò un fatto empirico interessante: il numero di transistor in un chip di microprocessore raddoppia ogni due anni. Nel luglio 1968, Moore e Robert Noyce lasciarono la società che avevano creato, Fairchild Semiconductors, e fondarono la Intel Corporation, che è diventata uno dei titani della moderna industria dei microprocessori.

La legge di Moore, o meglio regola empirica, alla quale oggi occorre apportare delle modifiche

A rigor di termini, la legge di Moore non è una legge, è solo un'osservazione empirica che facciamo periodicamente dovere apportare modifiche e integrazioni che descrivano la situazione attuale del settore.

In un periodo di tempo molto breve, in circa 20-30 anni, i microprocessori e l'industria per la loro produzione (raffinazione della sabbia di quarzo, coltivazione del silicio monocristallino, creazione di processori in camere bianche, ecc.) sono diventati una sorta di economia nell'economia. Oltre alla nota legge di Moore, c'è un'altra osservazione: il costo delle fabbriche per la produzione di microchip cresce in modo esponenziale man mano che la complessità dei microcircuiti prodotti diventa più complessa. Facciamo un semplice esempio: una fabbrica Intel che produce chip utilizzando la tecnologia di processo a 45 nm (ovvero, la dimensione di un transistor è di 45 nm) costa circa 4 miliardi di dollari. Una fabbrica simile, ma che opera con una tecnologia di processo a 32 nm, costerà 5,5 miliardi di dollari. Allo stesso tempo, una fabbrica dovrebbe ripagarsi in media in 3-4 anni. Per fare un confronto, il valore di mercato della stessa Intel nel 2008 era di 128 miliardi di dollari.

Aziende con tecnologie di produzione di microchip che utilizzano processi tecnici pertinenti

Come creare un microchip. Teoria

La maggior parte delle teorie sono solo una traduzione di vecchi pensieri in una nuova terminologia.
Grigorij Landau

Come abbiamo già capito, i transistor sono di due tipi principali: ad effetto di campo e bipolari. Oggi i transistor bipolari hanno lasciato il posto ai transistor ad effetto di campo. Allora come funziona un transistor ad effetto di campo?!

Il transistor ad effetto di campo è costituito da 3 elementi principali: drain ( drenare), fonte ( fonte) e otturatore ( cancello). Il gate metallico è separato dal canale che trasporta corrente tra source e drain utilizzando un cosiddetto materiale high-k (o materiale con elevata costante dielettrica). Questo materiale consente, in primo luogo, di isolare in modo affidabile il gate dal canale attraverso il quale scorre la corrente e, in secondo luogo, di ridurre le dimensioni geometriche di un singolo elemento del microchip. Oggi come tali materiali vengono utilizzati l'ossido di afnio o il siliciuro, nonché i composti basati su di essi.

Il principio di funzionamento di un transistor ad effetto di campo è quello di creare una certa differenza di potenziale tra il gate e il monocristallo di silicio, a seconda del segno della tensione applicata, la corrente tra lo drain e la source scorre o meno, ad es. gli elettroni provenienti dalla sorgente vengono deviati dal campo elettrico del gate e non raggiungono lo drain. Questa è proprio la base di quella che siamo abituati a chiamare microelettronica.

A sinistra c'è un diagramma schematico di un transistor ad effetto di campo, a destra c'è una micrografia di una sezione di un transistor ad effetto di campo ottenuta utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione.

La prossima domanda che ogni lettore vorrà porre è: come creare strati spessi 3 nm, “incollare” drain, source e gate, per ottenere infine un microprocessore? Questa procedura è composta da diverse fasi. La prima fase consiste nella preparazione speciale della sabbia di quarzo - la sua riduzione con coke in forni ad arco, dove migliaia di ampere di corrente elettrica riscaldano l'ambiente circostante fino ad una temperatura di circa 1800°C, con conseguente formazione del cosiddetto silicio tecnico:

3SiCl4 + 2H2 + Si = 4SiHCl3

Dopo aver attraversato alcune altre fasi, otteniamo silicio di elevata purezza, purificato da impurità estranee e contenente solo 1 atomo estraneo per miliardi di atomi di silicio:

2SiHCl3 = SiH2Cl2 + SiCl4

2SiH2Cl2 = SiH3Cl + SiHCl3

2SiH3Cl = SiH4 + SiH2Cl2

SiH4 = Si + 2H2

Dopo tale purificazione, il silicio viene fuso in forni speciali, quindi un enorme cristallo singolo viene cresciuto utilizzando il metodo Czochralski, estraendolo dalla massa fusa ad una velocità di diversi millimetri al minuto. La colonna risultante, del peso di oltre 100 kg, viene segata in migliaia di piastre sottili (solo 1 mm di spessore) - "wafer". Successivamente, ciascuno di questi wafer viene lucidato fino a ottenere una finitura a specchio e solo allora iniziano a formare decine e centinaia di frammenti sul substrato utilizzando il processo di litografia.

A sinistra c'è un diagramma schematico del processo litografico, a destra c'è la lunghezza d'onda del laser utilizzato e la dimensione caratteristica del transistor.

Immediatamente prima dell'inizio del processo litografico, sul wafer viene formato un sottile strato di ossido e uno strato ancora più sottile di materiale ad alto k viene depositato utilizzando lo sputtering del magnetron ad alte temperature. Successivamente, una piccola quantità di polimero fotosensibile viene gocciolata sul substrato durante la rotazione, formando un altro strato sottile sulla superficie. Un tale polimero è in grado di modificare le sue proprietà sotto l'influenza della radiazione ultravioletta. Il “wafer” viene poi posto sotto uno speciale sistema di lenti, dietro il quale si trovano una fotomaschera e una sorgente laser UV. Ora il sistema robotico passa sul substrato centinaia di volte e lascia delle “impronte” su di esso. Una volta completato questo processo, il wafer viene posto in un solvente, sotto l'influenza del quale le aree illuminate del polimero vengono sciolte e rimosse dalla piastra. Pertanto, sul substrato si forma un rilievo tridimensionale, le "cavità" in tale rilievo vengono riempite con determinate sostanze e il processo litografico (cioè l'esposizione della lastra sotto un raggio laser) viene ripetuto diverse decine di volte. In totale, per “stampare” un chip sono necessarie diverse centinaia di fasi tecnologiche, la maggior parte delle quali vengono eseguite in camere super pulite.

Così, strato dopo strato, su un lato del wafer emerge una superba composizione tridimensionale di conduttori e transistor in rame, che dopo un breve periodo di tempo verrà ritagliata dal wafer e diventerà il cuore del computer.

Quando i singoli elementi del transistor vengono formati strato dopo strato, è il momento di “far crescere” i contatti

Fino a poco tempo fa il processo litografico era semplice, poiché la lunghezza d’onda della radiazione era inferiore o paragonabile alla dimensione dei singoli elementi “stampati” sul substrato. All’inizio del 21° secolo, le principali aziende produttrici di microprocessori hanno superato il cosiddetto limite di diffrazione, vale a dire Utilizzando un laser con una lunghezza d'onda di 248 nm, iniziarono a produrre chip i cui singoli elementi avevano solo 190, 130, 90 nm, cosa che sarebbe stata impensabile con l'ottica classica. Di conseguenza, sono stati sviluppati e implementati approcci innovativi alla progettazione delle maschere (ad esempio, le cosiddette maschere a sfasamento) e la potenza di calcolo dei computer ha cominciato a essere utilizzata per progettare microchip e tenere conto della natura ondulatoria della luce. Ad esempio, vogliamo stampare un elemento sotto forma di due lettere T unite e chiediamo al computer di aiutarci. Ciò che il computer disegna sarà leggermente diverso da ciò che intendevamo. Ma la struttura della maschera sarà ancora più diversa e la struttura stampata sul substrato somiglierà a malapena a quella prevista. Ma cosa possiamo fare, stiamo lavorando al limite delle capacità umane e abbiamo già ingannato più volte la natura e le proprietà ondulatorie della luce.

A sinistra è riportata la differenza tra una maschera convenzionale e una maschera che utilizza uno sfasamento; a destra è un chiaro esempio di discrepanza geometrica tra il modello desiderato e quello effettivamente ottenuto sul substrato

"C'è un sacco di spazio laggiù." Pratica

Non è possibile avere un’idea vera di qualcosa che non è stato vissuto.
Voltaire Francois Marie Arouet

Circa 3-4 anni fa, il destino ha decretato che un laptop Asus G2S cadesse nelle mie mani. La mia felicità è durata esattamente fino allo scorso inverno, quando, all'improvviso, sullo schermo hanno cominciato ad apparire artefatti (varie distorsioni dell'immagine), soprattutto quando si avviano giocattoli o applicazioni “potenti” che funzionano attivamente con il chip video. Di conseguenza, si è scoperto che questo era il problema. Per quasi tutta la linea gaming G2, Nvidia ha fornito chip video con difetti (distacco dei contatti tra il cristallo stesso e il substrato), scoperti solo dopo un paio d'anni di intenso lavoro. La soluzione era chiara: sostituire il chip video. Ma cosa fare con quello vecchio?! La risposta a questa domanda è arrivata molto rapidamente... Il giorno dopo, il vecchio chip video si trovava sotto la ruota diamantata di un microtomo (un dispositivo per il taglio fine di materiali e campioni).

Informazioni sui vantaggi della lucidatura

Con mio profondo rammarico, il microtomo ha tagliato il chip in modo piuttosto grossolano, senza tuttavia sostituire i chip e le crepe sul chip di silicio stesso. Pertanto abbiamo dovuto poi smerigliare e lucidare a lungo e con insistenza la superficie tagliata affinché assumesse l'aspetto desiderato. I benefici della lucidatura sono visibili ad occhio nudo, anzi ad occhio armato, ma solo con un microscopio ottico:

A sinistra le foto prima della lucidatura, a destra quelle dopo. Riga superiore di foto: ingrandimento 50x, inferiore - 100x

Dopo la lucidatura (foto a destra) i contatti in rame che collegano le singole strutture dei chip sono già visibili con un ingrandimento di 50x. Prima della lucidatura, ovviamente, sono visibili anche attraverso la polvere e le briciole formate dopo il taglio, ma è improbabile che i singoli contatti siano visibili.

Microscopio elettronico

La microscopia ottica fornisce un ingrandimento di 100-200 volte, ma questo non può essere paragonato alle 100.000 o addirittura 1.000.000 di ingrandimenti che un microscopio elettronico può produrre (teoricamente, per TEM, la risoluzione è di decimi e anche centesimi di angstrom, ma a causa di alcuni Nella vita reale, tale risoluzione non viene raggiunta). Inoltre, il chip è prodotto utilizzando la tecnologia di processo a 90 nm ed è piuttosto problematico vedere i singoli elementi di un circuito integrato utilizzando l'ottica; anche in questo caso interferisce il limite di diffrazione. Ma gli elettroni, abbinati a certi tipi di rilevamento (ad esempio, SE2 - elettroni secondari) ci permettono di visualizzare la differenza nella composizione chimica del materiale e, quindi, di guardare nel cuore stesso del silicio del nostro paziente, cioè di vedere il drain/source, ma ne parleremo più avanti.

Scheda a circuito stampato

Quindi iniziamo. La prima cosa che vediamo è il circuito stampato su cui è montato il cristallo di silicio stesso. È collegato alla scheda madre del laptop tramite saldatura BGA. BGA - Ball Grid Array - una serie di palline di stagno con un diametro di circa 500 micron, posizionate in un certo modo, che svolgono lo stesso ruolo delle gambe del processore, ovvero fornire la comunicazione tra i componenti elettronici della scheda madre e il microchip. Naturalmente nessuno posiziona manualmente queste palline su una scheda PCB; questo viene fatto da una macchina speciale che fa rotolare le palline su una “maschera” con fori della dimensione appropriata.

Saldatura BGA

La scheda stessa è realizzata in textolite e presenta 8 strati di rame, collegati tra loro in un certo modo. Un cristallo è montato su tale substrato utilizzando un analogo di un BGA, chiamiamolo “mini”-BGA. Queste sono le stesse palline di stagno che collegano un piccolo pezzo di silicio a un circuito stampato, solo che il diametro di queste palline è molto più piccolo, inferiore a 100 micron, paragonabile allo spessore di un capello umano.

Confronto tra saldatura BGA e mini-BGA (in ogni microfoto c'è un BGA normale nella parte inferiore, un BGA "mini" nella parte superiore)

Per aumentare la resistenza del circuito stampato, è rinforzato con fibra di vetro. Queste fibre sono chiaramente visibili nelle micrografie ottenute utilizzando un microscopio elettronico a scansione.

Textolite è un vero e proprio materiale composito costituito da una matrice e da una fibra di rinforzo

Lo spazio tra il cristallo e il circuito stampato è pieno di numerose “sfere”, che, a quanto pare, fungono da dissipatore di calore e impediscono al cristallo di spostarsi dalla sua posizione “corretta”.

Molte particelle sferiche riempiono lo spazio tra il chip e il circuito stampato

Elemento di reggiatura. Componenti SMD

Il bello dell'utilizzo di un microtomo è che, a differenza di altri strumenti da taglio, permette di tagliare con precisione uno degli elementi di reggiatura, che, a giudicare dalla struttura a strati, è un SMD (Surface-mount device, cioè un dispositivo che viene montato direttamente sul circuito stampato superficiale) con un condensatore a stato solido. Sia la microscopia ottica che quella elettronica hanno mostrato risultati altrettanto striati.

Elementi logici separati della moderna tecnologia informatica

La differenza appena percettibile nel contrasto nella microfoto sopra riguarda gli stessi scarichi/fonti che aiutano me e te a lavorare al computer, a giocare ai videogiochi, a guardare film, ad ascoltare musica, ecc. La dimensione delle strutture, secondo i miei calcoli, è di circa 114 nm, tenendo conto di circa il 10% nella scala e nei calcoli, nonché le caratteristiche della litografia, questa cifra concorda molto bene con il processo tecnico dichiarato. Ora possiamo dormire sonni tranquilli, sapendo che giganti come Intel, Nvidia e AMD producono effettivamente microchip in cui i singoli elementi possono essere di 90, 60, 45 o anche 32 nm.

Interni con microchip Nvidia 8600M GT

Conclusione

Molto di ciò che ho visto all'interno del chip video mi ha stupito. Il condensatore a stato solido mancante è semplicemente fantastico. Naturalmente, le pubblicazioni di Intel, le foto trovate su Internet utilizzando i motori di ricerca, le bellissime immagini e animazioni sono un'ottima cosa che ti consente di ottenere rapidamente le informazioni e le conoscenze richieste. Tuttavia, quando si taglia personalmente un chip, lo si studia per ore senza alzare lo sguardo dallo schermo del monitor e si vede che il processo tecnico è effettivamente a 90 nm, che qualcuno è stato in grado di creare, si calcola l'intero disegno fin nei minimi dettagli, quindi in quel momento provi gioia e orgoglio per l'umanità, che ha creato un prodotto così perfetto.

La tecnologia informatica, in un modo o nell'altro, si è sviluppata negli ultimi 60-70 anni. Durante questo periodo, ha superato un percorso difficile dai computer militari delle dimensioni di una casa all'iPad, dalle schede perforate a Windows 7. Questo stesso settore ha creato un mercato per sé e per un'intera era: l'era dell'informazione. Oggi, l’industria della tecnologia dell’informazione (non solo la produzione di componenti per computer) è uno dei segmenti in più rapida crescita dell’economia mondiale.

Non c'è dubbio che l'era dell'informazione, nella quale siamo già entrati, spingerà lo sviluppo della tecnologia informatica, accelererà il ritmo dell'innovazione e l'introduzione di tecnologie sempre più avanzate. Nel prossimo futuro assisteremo al passaggio dal silicio al carbonio, come base della tecnologia informatica, dagli elettroni ai fotoni, come portatore di informazioni. Tutto ciò consentirà di ridurre più volte il peso dei dispositivi, aumentare più volte la produttività, sviluppare nuovi sistemi embedded e immergere completamente una persona nel mondo digitale con i suoi vantaggi e svantaggi.

Il principio di funzionamento delle chiavi con chip

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Intanto cerchiamo di capire il testo.

Cos'è la chiave chip per un'auto, come funziona e perché è necessaria?

In questo articolo parleremo un po' dei principi di funzionamento del sistema immobilizzatore, forniremo alcuni consigli utili e cercheremo di rispondere alle domande più frequenti.

Cominciamo con il principio di funzionamento del sistema immobilizzatore.

Molto semplicemente, un immobilizzatore è un sistema elettronico che funziona insieme alla centralina del motore e le dà il permesso di avviare il motore o lo vieta.

Pertanto, il motore si avvierà solo se la chiave “corretta” è inserita nel blocchetto di accensione.

Come viene individuata la chiave? Per fare ciò, la chiave stessa contiene un componente elettronico: un transponder (chip). Contiene un codice elettronico, leggendo il quale il sistema immobilizzatore capisce se si tratta della “sua” chiave oppure no.

Molti proprietari di auto non si accorgono nemmeno della presenza di un chip nella chiave di accensione della loro auto.

Puoi esserne sicuro solo se la chiave è un pezzo di metallo. Se la chiave ha la testa in plastica, è molto probabile che sia presente un chip! Considerando anche il fatto che i sistemi immobilizzatore basati su questo principio hanno cominciato ad apparire nelle automobili a partire dal 1995.

Le patatine sono disponibili in diverse varietà.

Il chip di carbonio è di dimensioni molto ridotte, ma contiene comunque una serie di componenti elettronici sigillati ermeticamente con il carbonio.

Frammento di vetro, a forma di fiaschetta di vetro in miniatura. Attualmente sono estremamente rari. Contiene lo stesso set di componenti del chip in carbonio, ma grazie all'antenna più grande del ricetrasmettitore funziona molto meglio in condizioni di bassa temperatura. Consigliamo questi chip per l'installazione nei sistemi ad avvio automatico. Al loro costo, leggermente superiore al prezzo di un chip di carbonio, funzionano in modo molto più stabile.

La varietà successiva sono i chip emulatori alimentati a batteria o senza batteria. Presente ovunque nelle chiavi di accensione con canale radio (pulsanti), è una scheda con un microcircuito e un programma registrato al suo interno, che emula il chip durante il funzionamento.

Uno dei malintesi più comuni è che i proprietari credano che senza batteria, una chiave del genere non avvierà l'auto. Questo è completamente falso! La batteria nella chiave è necessaria solo per azionare i pulsanti sulla stessa e per aprire/chiudere le porte a distanza. Il chip è indipendente dall'alimentazione e funziona perfettamente senza batteria.

Il sistema funziona su una distanza estremamente breve. Pertanto, è quasi impossibile intercettare i dati di scambio.

Nelle auto moderne, quasi tutte hanno una chiave di accensione insolita, si tratta della cosiddetta chiave con chip. Cos'è, come cambiarlo. Recentemente qualcuno ha ricevuto una lettera molto interessante sul blog, non la racconterò, ma la persona si chiede: come funziona una chiave con chip? La domanda mi sembrava interessante e ho deciso di scrivere un articolo su questo argomento...

All'esterno della chiave, infatti, non sono presenti schede, gruppi di contatti, ecc. per agganciarla ad un eventuale lettore dell'auto. C'è una chiave stessa che viene inserita nel buco della serratura, ma questo non è un gruppo di contatto! Allora qual è il principio di funzionamento?

Se entriamo nei dettagli tecnici...

L'interruttore di accensione dell'auto ha un telaio specifico collegato direttamente all'unità immobilizzatore. Quando l'accensione è inserita, l'unità invia un impulso a questo frame e entra in modalità lettura, ovvero inizia ad ascoltare la risposta dalla chiave chip. A sua volta (dall'impulso), la chiave a chip si carica e inizia a trasmettere il codice cucito al suo interno, trasmettendolo a questo telaio dell'immobilizzatore. Il telaio dell'immobilizzatore accetta il codice e, se tutto è normale, consente di avviare il motore.

Se solo...

È molto semplice presentare il tuo lavoro. Probabilmente tutti (o molti) hanno i citofoni ai loro ingressi. Ci avviciniamo e presentiamo un portachiavi speciale, il citofono lo legge e apre la porta. Questo è un esempio esagerato di chiave con chip e immobilizzatore per auto.

Va notato che senza questa chiave chip l'immobilizzatore non consentirà l'avviamento dell'auto! Blocca varie funzioni dell'auto:

— in alcune auto l'immobilizzatore si trova nel blocchetto di accensione stesso e blocca varie funzioni nella serratura.

- per altri, l'immobilizzatore è integrato nel cruscotto e apre alcuni circuiti dell'auto (ad esempio il circuito della pompa del carburante)

— per altri, l'unità immobilizzatore si trova nel vano motore e, con l'aiuto di amplificatori, può bloccare contemporaneamente sia la serratura che le catene.

Come puoi vedere, il dispositivo e il principio di funzionamento della chiave con chip sembrano semplici, ma efficaci. Tuttavia, ora molti sistemi di allarme con avvio automatico disabilitano l'immobilizzatore standard (in particolare, utilizzando una chiave aggiuntiva posizionata nel pannello dell'auto), personalmente sconsiglio di farlo. Perché l'auto diventa una preda più facile per i ladri d'auto.

E ora una breve versione video dell'articolo

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Informazioni sul più potente supercomputer giapponese per la ricerca nel campo della fisica nucleare. Ora in Giappone stanno creando un supercomputer exascale Post-K: i giapponesi saranno tra i primi a lanciare una macchina con tale potenza di calcolo.

La messa in servizio è prevista per il 2021.

La scorsa settimana Fujitsu ha parlato delle caratteristiche tecniche del chip A64FX, che costituirà la base della nuova “macchina”. Vi diciamo di più sul chip e sulle sue capacità.

Specifiche dell'A64FX

Si prevede che Post-K avrà quasi dieci volte la potenza di calcolo del supercomputer più potente del mondo, IBM Summit (a giugno 2018).

Il supercomputer deve queste prestazioni al chip A64FX basato sull'architettura Arm. Questo chip è composto da 48 core per le operazioni di calcolo e quattro core per la loro gestione. Tutti sono equamente divisi in quattro gruppi: Core Memory Groups (CMG).

Ogni gruppo dispone di 8 MB di cache L2. È interfacciato con il controller di memoria e l'interfaccia NoC ("network on chip"). Il NoC collega vari CMG con controller PCIe e Tofu. Quest'ultimo è responsabile della comunicazione del processore con il resto del sistema. Il controller Tofu ha dieci porte con un throughput di 12,5 GB/s.

Il circuito del chip è simile al seguente:

La quantità totale di memoria HBM2 nel processore è di 32 gigabyte e la sua larghezza di banda è di 1024 GB/s. Fujitsu afferma che le prestazioni in virgola mobile del processore raggiungono 2,7 teraflop per operazioni a 64 bit, 5,4 teraflop per operazioni a 32 bit e 10,8 teraflop per operazioni a 16 bit.

La creazione di Post-K è monitorata dagli editori della risorsa Top500, che compilano un elenco dei sistemi informatici più potenti. Secondo le loro stime, nel supercomputer vengono utilizzati più di 370mila processori A64FX per raggiungere le prestazioni di un exaflop.

Il dispositivo sarà il primo a utilizzare la tecnologia di estensione vettoriale chiamata Scalable Vector Extension (SVE). Si differenzia dalle altre architetture SIMD in quanto non limita la lunghezza dei registri vettoriali, ma ne imposta un intervallo accettabile. SVE supporta vettori di lunghezza compresa tra 128 e 2048 bit. In questo modo qualsiasi programma può essere eseguito su altri processori che supportano SVE, senza necessità di ricompilazione.

Con SVE (poiché è una funzione SIMD), il processore può eseguire simultaneamente calcoli su più set di dati. Ecco un esempio di una di queste istruzioni per la funzione NEON, che è stata utilizzata per calcoli vettoriali in altre architetture di processori Arm:

Vadd.i32 q1, q2, q3
Aggiunge i quattro numeri interi a 32 bit del registro q2 a 128 bit con i numeri corrispondenti nel registro q3 a 128 bit e scrive l'array risultante in q1. L'equivalente C di questa operazione è simile al seguente:

Per(i = 0; i< 4; i++) a[i] = b[i] + c[i];
Inoltre, SVE supporta la funzione di autovettorizzazione. Il vettorizzatore automatico analizza i loop nel codice e, se possibile, utilizza i registri vettoriali per eseguirli da solo. Ciò migliora le prestazioni del codice.

Ad esempio, una funzione in 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]; } }
Verrà compilato come segue (per un processore Arm a 32 bit):

104cc: ldr.w r3, ! 104d0: ldr.w r1, ! 104d4: cmp r4, r5 104d6: aggiungi r3, r1 104d8: str.w r3, ! 104dc: bne.n 104cc
Se usi l'autovettorizzazione, sarà simile a questo:

10780: vld1.64 (d18-d19), 10784: aggiunge 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
Qui i registri SIMD q8 e q9 vengono caricati con i dati degli array puntati da r5 e r4. L'istruzione vadd aggiunge quindi quattro valori interi a 32 bit alla volta. Ciò aumenta la quantità di codice, ma elabora molti più dati a ogni iterazione del ciclo.

Chi altro sta costruendo supercomputer exascale?

La creazione di supercomputer exascale non si limita al Giappone. Si sta lavorando, ad esempio, anche in Cina e negli Stati Uniti.

In Cina stanno creando Tianhe-3. Il suo prototipo è già in fase di test presso il National Supercomputing Center di Tianjin. La versione finale del computer dovrebbe essere completata nel 2020.

/ foto O01326 / Supercomputer Tianhe-2 - predecessore di Tianhe-3

Tianhe-3 è basato sui processori cinesi Phytium. Il dispositivo contiene 64 core, ha una prestazione di 512 gigaflop e una larghezza di banda della memoria di 204,8 GB/s.

È stato realizzato anche un prototipo funzionante per un'auto della serie Sunway. È in fase di test presso il National Supercomputing Center di Jinan. Secondo gli sviluppatori, sul computer sono attualmente in esecuzione circa 35 applicazioni: si tratta di simulatori biomedici, applicazioni per l'elaborazione di big data e programmi per lo studio dei cambiamenti climatici. Si prevede che i lavori sul computer saranno completati nella prima metà del 2021.

Per quanto riguarda gli Stati Uniti, gli americani prevedono di creare il proprio computer exascale entro il 2021. Il progetto si chiama Aurora A21 e al quale stanno lavorando l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, nonché Intel e Cray.

Quest'anno i ricercatori lo hanno già fatto