Обоснование актуальности и значимости разработки оптоэлектронной компонентной базы ИМКС

«Тирания межсоединений» на макроуровне ограничивает развитие суперкомпьютеров

«Тирания соединений» на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем

ИМКС - прорывное направление развития электроники

Принцип действия интеллектуального многоконтактного соединения

Схема интеллектуального многоконтактного соединения

Сравнение скоростей передачи информации

Назначение, состав и характеристики интерфейса на основе ИМКС

Новые возможности в области создания сверхмощных вычислительных и биокибернетических устройств

Потенциальные потребители. Объем рынка сбыта

Скачать описание изобретения к патенту 2 270 493

Обоснование актуальности и значимости разработки оптоэлектронной компонентной базы ИМКС

ИМКС - это принципиально новый способ многоконтактных соединений в электронике. ИМКС  изобретены в России и имеют Российский приоритет! (см. заключение Президента Академии инженерных наук академика Ю.В. Гуляева)

Проблема соединений является одной из сложнейших проблем электроники 21-го века. Она держит в тисках жестких ограничений две крупнейшие области электроники. На макроуровне она ограничивает развитие суперкомпьютеров, а на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем (СБИС, УБИС, ПЛИС и т.п.). В технической литературе (как в отечественной, так и в зарубежной) в последние 10 - 15 лет неоднократно встречается термин «тирания межсоединений». Рассмотрим эту проблему детальнее.

«Тирания межсоединений» на макроуровне ограничивает развитие суперкомпьютеров

Лидером рейтинга суперкомпьютеров по состоянию на ноябрь 2005 г. является система Blue Gene/L (Синий Ген), построенная корпорацией IBM (США). Этот суперкомпьютер в настоящее время использует более 130 тысяч процессоров, а его быстродействие составляет 280 триллионов операций с плавающей запятой в секунду (терафлоп). Суперкомпьютер занимает территорию равную половине теннисного корта.

Американское космическое агентство NASA эксплуатирует суперкомпьютер "Колумбия" (4-е место), который представляет собой кластер из 20 суперкомпьютеров Altix компании SGI. Каждый узел кластера содержит 512 процессоров Intel Itanium 2. Всего в кластер объединено 10160 процессоров. Система показала производительность 51,8 терафлопа, что всего лишь на 20% больше, чем у прежнего рекордсмена Earth Simulator, который сейчас занимает 7-е место. Как и два предыдущих, этот японский суперкомпьютер настоящий монстр. Он занимает здание размером 50х65х17 м и содержит 640 процессорных узлов. Суммарная длина кабелей, соединяющих процессорные узлы, составляет 2400 км. Производительность суперкомпьютера, объединяющего 5120 процессоров, составляет 40,9 терафлоп. Его создание было самым приоритетным национальным проектом Японии.

Архитектура самых современных суперкомпьютеров объединяет многие известные принципы построения высокопроизводительных систем. В целом они являются массивно-параллельными компьютерами с распределенной памятью. Вместе с тем, каждый процессорный узел построен на принципах SMP-архитектуры, причем основа каждого процессора - векторно-конвейерная обработка.

Сравнение архитектур суперкомпьютеров рейтинга «Топ-500» показывает, что превалирует тенденция к кардинальному увеличению числа процессоров в кластере. В Earth Simulator было 5120 процессоров, в "Колумбии" - 10160, а в Blue Gene/L уже 130 тысяч процессоров. Количество процессоров у лидера 2005 года в 26 раз больше, чем у лидера 2002 года! К сожалению этот фантастически трудный и дорогостоящий шаг позволил увеличить производительность всего лишь в 8 раз! Налицо экстенсивная тенденция развития суперкомпьютеров, свидетельствующая о серьезных проблемах, сдерживающих развитие параллельных вычислений и суперкомпьютеров. Во многом причиной является «тирания межсоединений», когда соединить множество микропроцессоров в единую систему становится все труднее и труднее.

Для повышения производительности ЭВМ необходимо перейти от принципов фон-Неймана к параллельной обработке информации. Тем не менее, параллельные компьютеры пока не получили распространения по следующим причинам:

1. Тирания межсоединений на макроуровне. Каждый процессор в параллельной системе связан с большим количеством других. Количество связей занимает намного больший объем, чем сами процессоры.
2. Трехмерность структуры связей между процессорами. Существуют различные типы связности процессоров в параллельной системе. Обычно требуются трехмерные связи. Технологически такие связи пока невыполнимы.

«Тирания соединений» на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем

Проблема межсоединений на микроуровне резко обострилась при переходе к размерам транзисторов порядка 0,25 мкм. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и занимает значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС). Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку. Однако надежность таких схем резко падает из-за возникновения случайных контактов через микротрещины, образующиеся в тонких слоях диэлектрика. Межсоединения причиняют массу неудобств. Ведущие зарубежные фирмы признают, что знаний в области проектирования межсоединений явно недостаточно. Необходима разработка новых принципов соединений. Семь фирм-изготовителей полупроводниковых приборов и разработчиков средств автоматизированного проектирования - AMD, Cirrus Logic, Frequency Technology, Mitsubishi, Motorola, NEC и Silicon Graphics - предпринимают усилия по разработке и внедрению новых стандартов, основной целью которых является преодоление проблемы межсоединений в разработке высокопроизводительных микросхем с топологическими нормами ниже 0,25 мкм.

Проблема межсоединений ограничивает скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы могут работать с частотой не менее 10 ГГц. Заметим, что при предельной плотности электрических контактов порядка 4-х контактов на 1 мм² и предельной частоте 10Ггц, максимальная удельная скорость обмена информацией с помощью электрических соединений не превысит 400 Гбит/мм²/с.

Таблица 2

Оценка предельной скорости передачи информации по электрическим контактам

После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции, и ожидается инерционное развитие рынков приборов схемотехнической микроэлектроники еще в течение 5-10 лет. К этому времени быстродействие интегральных схем (ИС) будет уже недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации по нескольким причинам.

Дальнейший рост производительности и функциональных возможностей микропроцессоров, мультипроцессорных ЭВМ и, в первую очередь, нейросистем и нейрокомпьютеров сдерживается влиянием межсоединений как внутри кристалла плотноупакованных УБИС, так и между кристаллами (особенно при реализации “природных” принципов связи “каждого ФН с каждым произвольным ФН”).

Основным выходом из сложившейся кризисной ситуации масштабирования УБИС с большой функциональной сложностью, характерной для НС и НК, является в перспективе переход к чисто оптическим связям между чипами (а в отдаленной перспективе и внутри чипа). Обработка больших массивов информации в разрабатываемых оптомикроэлектронных системах на УБИС с оптическими связями осложняет создание сверхбыстродействующих микроминиатюрных оптоэлектронных (излучающих и принимающих излучения) компонентов, совместимых с субмикронными КМОП-, БИКМОП-технологиями УБИС» [2].

Интересно проанализировать тенденции изменения параметров микропроцессоров за последние 10 лет. Эти данные показаны в таблице 3. В относительном виде эти данные показаны на рис.1.

Таблица 3

Современные тенденции изменения параметров микропроцессоров

Анализ таблицы 3 и рис. 1 показывает, что интенсивность вычислительных процессов в микропроцессорах и их насыщенность транзисторами за 10 лет увеличились в 6-25 раз, а количество выводов на миллион транзисторов или на Мбит памяти во столько же раз уменьшилось, так как не удается разработать надежные многоконтактные соединения. Такое положение дел явилось следствием все той же «тирании межсоединений». Количество выводов в микросхемах увеличилось с 512 до 1024, т.е. всего лишь вдвое.

Рисунок 1

Интенсивность вычислительных процессов в микропроцессорах и их насыщенность транзисторами за 10 лет увеличились в 25 раз, а количество выводов увеличилось всего лишь вдвое.

Из микросхем становится все труднее и труднее выводить информацию! Это прямое следствие «тирании межсоединений».

ИМКС - прорывное направление развития электроники

1. ИМКС позволяет создавать мультисоединения самой высокой плотности, в пределе совпадающей с плотностью транзисторов в микросхемах.
2. ИМКС – единственная возможность надежно соединять одним разъемом от десятков тысяч до  миллионов  каналов связи.
3. ИМКС обладает свойством полиморфности, т.е. -  способностью изменять порядок подключения каналов в процессе работы.
4. Регенеративность ИМКС, т.е.  способность самостоятельно восстанавливать свою работоспособность  при повреждениях делает ИМКС самым надежным типом электронных мультисоединений.
5. Простота соединений с помощью ИМКС дает возможность автоматизации и роботизации процессов мультисоединений.

Уникальные свойства ИМКС позволяют создать электронные устройства нового поколения, которые не могут быть реализованы с помощью современной элементной базы даже самого высокого уровня.

Принцип действия интеллектуального многоконтактного соединения (ИМКС) (патент РФ №2270493)

Решение проблемы «тираний» возможно с помощью технологии интеллектуальных соединений (ИМКС), разработанной НТЦ «Интрофизика». Основная идея этой технологии заключается в том, что соединения современной электроники должны стать «умными».

• Объединяют в специальные матрицы выводы прибора источника информации,  вводы прибора получателя информации и концы пучков проводников сигнала.
• Здесь и далее речь идет об оптоволоконном интерфейсе, где матрицей выводов (передатчиков) является матрица микролазеров, матрицей вводов (приемников) – матрица фотоэлементов, а пучком проводников сигнала является пучок оптических волокон.
• При формировании матриц не соблюдают строгий порядок пространственного расположения их элементов, и формируют их хаотически или «как получится».
• Матрицы передатчиков и приемников соединяют с соответствующими матрицами пучка проводников, не обязательно точно соблюдая их одинаковое взаимное расположение и добиваясь лишь совпадения областей расположения элементов матриц.
• После соединения и при повреждении соединения, производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи.
• Затем с помощью коммутаторов каналов подключают каждый распознанный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей или программой соединений.

ИМКС способны самостоятельно восстанавливать свою работоспособность при нарушениях контактов, частичном разрыве пучка проводников, деформации соединяющихся матриц и их взаимном смещении. Это позволяет кардинально увеличить надежность многоконтактных соединений.

Схема интеллектуального многоконтактного соединения (ИМКС) (патент РФ №2270493)

Для осуществления многоконтактного соединения сложных микросхем или многоконтактных приборов (1 и 8) рис. 2, 3 и 4 и объединяют в специальные матрицы передатчики (выводы) 3 прибора-источника информации, приемники (вводы) 7 прибора-потребителя информации и концы пучков (6 и 4) проводников сигнала 15. При формировании матриц (3,4,6,7) не соблюдают строгий порядок пространственного расположения их элементов, и формируют их хаотически или «как получится». Матрицы 3 и 7 передатчиков 14 и приемников 16 соединяют с соответствующими матрицами 4 и 6 пучка проводников 5, не обязательно точно соблюдая их одинаковое взаимное расположение и добиваясь лишь совпадения областей расположения элементов матриц. Такая конструкция соединений не требует высокой точности изготовления и монтажа, что существенно снижает их стоимость и расширяет возможности массового применения. После соединения и при повреждении соединения, производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи. Затем с помощью коммутаторов каналов 9 подключают каждый распознанный и идентифицированный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей или программой соединений. Распознавание каналов проводят последовательно или параллельно. Распознавание каналов и управление коммутатором осуществляют с помощью интеллектуальной микропроцессорной системы управления (10,11,12).

 

Схема соединения (ИМКС)

1 - микросхема или прибор источник сигналов; 2 - коммутатор матрицы передатчиков; 3 - матрица передатчиков (светодиоды, лазеры); 4 - матрица входящих концов пучка проводников; 5 – пучок оптических волокон; 6 - матрица выходящих концов пучка проводников; 7 - матрица приемников (фотодиоды); 8 - микросхема или прибор приемник сигналов; 9 - коммутатор  каналов  связи; 10 - микропроцессор, управляющий коммутаторами; 11 - блок памяти; 12 - система формирования тестовых сигналов каналов; 13 - шины связи.

Рис.3 Схема передающих соединений

Рис. 4 Схема принимающих соединений

При повреждении соединения интеллектуальная система управления осуществляет самодиагностику и регенерацию соединения. Интеллектуальные многоконтактные соединения (ИМКС) могут самостоятельно восстанавливать свою работоспособность при нарушениях контактов, частичном разрыве пучка проводников, деформации соединяющихся матриц и их взаимном смещении. Это свойство позволяет значительно увеличить надежность многоконтактных соединений. ИМКС можно использовать для создания разъемных устройств и соединения микросхем содержащих десятки и сотни тысяч каналов связи. При этом будет обеспечена их устойчивость к температурным, силовым и иным деформациям и повреждениям. Работоспособность ИМКС практически не зависит от погрешностей изготовления. Они могут быть использованы в высокоинтеллектуальных приборах, разветвленных нейроструктурах и насыщенных логическими ключами микросхемах (СБИС, УБИС, ПЛИС и.т.п.). Там, где требуется быстро и просто соединять десятки и сотни тысяч каналов связи, а также в устройствах, к которым предъявляются высокие требования надежности при сохранении низкой стоимости.

Сравнение скоростей передачи информации

Сравнение скоростей передачи информации с помощью ИМКС (Табл.4) и с помощью обычных электрических контактов (табл.2) показывает, что применение ИМКС позволяет увеличить удельную скорость передачи информации в тысячи и даже в десятки тысяч раз. (см. табл.4).

Таблица 4

Оценка предельной скорости передачи информации с помощью ИМКС

Таблица 5

Сравнение удельных скоростей передачи информации с помощью ИМКС и с помощью электрических контактов

Использование ИМКС позволяет уменьшить количество процессоров в суперкластерах примерно во столько же раз, во сколько увеличивается интенсивность обмена информацией с кристаллом, т.е. от 2,7 тыс. раз до 25 тыс. раз.

На практике это означает то, что суперкомпьютер на ИМКС, обладающий производительностью лидера 2005 года BlueGene / L , можно будет создать не на 130 тысячах процессорах, а всего лишь на 46-ти (при использовании ИМКС на 30-ти микронных оптоволокнах) или даже на 5-ти (на пяти микропроцессорах!), при использовании 10-ти микронных оптических волокон в качестве каналов связи.

Разработка и внедрение ИМКС надолго, если не навсегда, разрешит проблему «тирании межсоединений» на микро и макро уровнях как для традиционной электроники 4-го и 5-го поколений, так и для функциональной электроники, нейрокомпьютеров и квантовых компьютеров будущего.

Таким образом, проблема создания ИМКС является весьма актуальной и требует проведения серьезных научно-исследовательских работ в этом направлении.

Назначение, состав и характеристики интерфейса на основе ИМКС

Назначение  интерфейса –  замена интерфейса типа IDE в перспективных  многопроцессорных и многоядерных персональных ЭВМ.

Состав интерфейса: 1. Микросхема  передатчик сигнала; 2. Микросхема  приемник сигнала; 3. Оптошина.

Основные характеристики интефейса: 1. Принцип связи – ИМКС; 2. Количество оптоволоконных каналов – 64; 3. Протокол  –  аналог протокола IDE; 4. Максимальная пропускная способность -  1 – 10 Гбит/с (в 10 – 100 раз выше, чем у стандартного  интерфейса IDE); 5. Диаметр оптошины –  2-5 мм.

Преимущества интерфейса: 1. Увеличение производительности интерфейса в 10 раз;
2. Уменьшение габаритных размеров; 3. Возможность самостоятельного восстановления работоспособности при механических повреждениях; 4. Возможность изменения порядка подключения каналов в процессе работы; 5. Высокая помехозащищенность; 6. Малый вес.

Научный результат – новые возможности в области создания сверхмощных вычислительных и биокибернетических устройств следующего поколения

В научном плане создание элементной базы ИМКС открывает исключительно широкие возможности в области создания сверхмощных вычислительных и биокибернетических устройств следующего поколения.

Разработка оптоэлектронной компонентной базы интеллектуальных многоконтактных соединений (ИМКС) является по своей сущности универсальной разработкой, которая может быть использована в ряде критических технологий. Некоторые применения ИМКС в критических технологиях показаны на схеме рис. 8.

Рис.8. Некоторые применения ИМКС в критических технологиях

Достижение поставленной цели положит начало созданию более совершенных номенклатурных линеек оптоэлектронных микросхем и оптошин следующего поколения, на базе которых будут разработаны сверхмощные интерфейсы с пропускной способностью порядка 10 14 -10 16 бит/с и разъемы на 10-200 тысяч каналов для создания:

• параллельных гиперкомпьютеров производительностью более 500 ТФ;
• разработки миниатюрных, дешевых и экономичных суперкластеров производительностью 100-500 ТФ;
• создания биокибернетических устройств принципиально новых классов на основе многоканальных (от 200 тыс. каналов) систем прямого доступа к локальному множеству нейронов в различных областях мозга.

Хорошо развитая элементная база ИМКС позволит создать электронные устройства нового поколения (см. рис.9), в том числе:

• параллельные гиперкомпьютеры производительностью более 500 ТФ;
• миниатюрные, дешевые и экономичные суперкомпьютеры производительностью 100-500 ТФ;
• сверхмощные интерфейсы на 2000 терабит/с (10 12 бит/с) и разъемы на 10-200 тыс. каналов;
• трансформеры – компьютеры, способные самостоятельно изменять свою архитектуру на уровне схемных решений в процессе работы;
• авторегенеры - вычислительные системы, способные самостоятельно восстанавливать свою работоспособность при механических повреждениях.

Рис.9 Перспективные применения ИМКС 2-го поколения

Однако самым интересным и перспективным направлением, которое станет возможным с появлением ИМКС на 10-200 тыс. каналов, по всей вероятности, станет создание биокибернетических устройства управления на основе систем нейроИМКС для прямого ввода-вывода информации в мозг.

Несмотря на сложность задачи уже сейчас можно определить круг входных технологий. Это создание биосовместимых нейромикродатчиков, биосовместимых пакетов волоконных волноводов, высокоточная компьютерная томография, роботы микроманипуляторы для нейроопераций на мозге.

Основная задача нейрокибернетики на основе ИМКС это создание многоконтактных биокибернетических интерфейсов.

Решение этой задачи позволит выйти на следующие коммерческие технологии:

• вывод информации из областей мозга и крупных нервных узлов;
• прямой ввод аудио, видео и цифровой информации в мозг;
• новые инструменты исследования и лечения мозга;
• лечение поражений крупных нервов и спинного мозга;
• эффективное нейропротезирование, в т.ч. зрения и слуха.

Конечной суперзадачей этих разработок должно стать создание нейросовместимых средств управления технологическим оборудованием и транспортом. Применение ИМКС в биокибернетике показано на рисунке 10.

Рис. 10. Применение ИМКС в биокибернетике

IBM – мировой лидер в создании суперкомпьютеров – идет тем же путем

"Мы совершили грандиозный прорыв по направлению к созданию сверхкрошечных и намного более эффективных процессоров, - с нескрываемой гордостью заявил глава проекта, доктор технических наук Уилл Грин. Такого не делал еще никто. Так же, как оптоволокно фактически совершило революцию в телеком-индустрии и положило начало новой эре Интернета, предоставив людям возможность обмениваться огромным объемом информации по всему миру, инновационная технология IBM вносит точно такие же возможности в компьютерные чипы. Оптические кабели способны пропускать информации в сотни раз больше, чем их более старые медные аналоги". (по данным http://www.utro.ru/articles/2007/12/06/700097.shtml).

Потенциальные потребители. Объем рынка сбыта

Основные потребители ИМКС – производители персональных ЭВМ и  средств телекоммуникации. Разрабатываемый интерфейс должен стать средством, позволяющим удобно подключать жесткие диски в многопроцессорных и многоядерных PC, имеющим рынок сбыта на уровне 400 миллионов комплектов в год, по числу ежегодно производимых персональных компьютеров в мире. При цене интерфейса на уровне 5,0 долларов за комплект объем рынка сбыта  ориентировочно составит до 2 млрд. долларов в год.

Отношение стоимости комплекта интерфейсных кабелей к стоимости оборудования в персональных компьютерах составляет порядка 3–5%, а  в системах коммуникационного оборудования и телефонии достигает до 10 %. Емкость мирового рынка ИМКС можно оценить   на уровне 3,5–6 %  от объема мирового рынка электронных компонентов, т.е. 13–20 млрд. долларов в год.

Объем мирового рынка электронных компонентов в 2005 году составил 388 миллиардов долларов (The Electronics Industry Yearbook 2005)