Евгений Штольц - Машинное обучение на практике – от модели PyTorch до Kubeflow в облаке для BigData

И видно, что до 2017 года тенденция сохранялась. Понятно, что, конкурентом крупнейшего производителя в первую очередь является он сам и вывод последних разработок менеджментом в гарантированном горизонте их работы в должности. Но и никто не отменял, что отлаживать нужно технологические процессы и архитектуры. С другой стороны, эстафету гонки в Boost за максимальную частоту продолжается тенденция роста максимальной частоты. Boost – это повышение частоты процессора до максимума в текущих условиях. Максимум определяется стабильностью процессора (отсутствием ошибок), которая зависит от стабильности электропитания, качества охлаждения, окружающей температуры и качества процессора, величина которая плавает в определённых пределах. Процессор определяет, не наступили пограничные ли параметры, а если нет – то повышает свою частоту. Технология используется как в процессорах от Intel (Intel Turbo Boost Technology 2.0), так и в процессора от AMD (Precession Boost 2 Curve).

Ускорить вычисления можно разными способами и самый простой в начале оказался за счёт ускорения выполнения отдельных операций. Сами операции состоят из простейших оперций – И, ИЛИ и НЕ, которые реализуются транзисторами. Эти транзиторы переключаются управляющим сигналом, переходя к слудующему сигналу, тем самым простейшие опрерации сдвигаются ("проталкиваются") управляющим сигналом. Этот упрвляющий сигнал позволяет синхронизировать все операции в процессоре и поэтому его частотм назвается опорной частотой центрального процессора. Для других систем, скорость которых не зависит от процессора могут применяться отдельные кварцевые генераторы опорной частоты, например, для шины PCI-Express и мостов. В современных процессорах контрукцией их заложено выполнение нескольлких операций за один тактовый такт. И действительно, задав в два раза большую частоту мы можем произвести в два раза больше операций. Так в 1971 процессор Intel 4004 работал на чистоте 500—740 кГц, а в 1993 процессор Intel Pentium на частотах 60—300 МГц, что больше в 120 раз на минимуме и 400 на максимуме. Проблемой является то, что токи с большими частотами имеют высокое тепловыделение. Так Intel 8008 с частотой 2—4 МГц получил стальную крышку, а размеры стальной крышки росли с ростом подложки, а на Intel Pentium II с частотами 233—450 появился алюминиевый радиатор, на Intel Pentium III с частотами 0.4—1.4 ГГц уже появился кулер (вентилятор) над радиатором, а с Pentium 4 более 3 ГГц уже шли массивные радиаторы 83х68 мм с большим вентилятором 60х60 мм и зачастую с медно-алюминиевыми рёбрами и основанием, при частотах выше 4 ГГц требовалось водяное охлаждение с внешним радиатором. Безусловно, не только при увеличении частоты из-за выделения теплоты требуется уменьшения технологического процесса, но и других физических процессов. Но это всё на десктопных рабочих станциях, а для переносных – единственным решениям оставалось уменьшать частоты до примерно 2.5 ГГц. Посмотрим на тех. процессы: сравнивать имеет смысл только в рамках одной компании, ориентируясь на абсолютные единицы в начале таблицы, а ближе к концу – на относительные:

год, модель: технол. процесс 1971, 4004: 10 мкм 1972, 4040: 10 мкм 1972, 8008: 10 мкм 1976, 8085: 3 мкм 1978, 8086: 3 мкм 1979, 8088: 3 мкм 1982, 80188: 3 мкм 1985, 80386: 1.5 мкм 1991, 80486: 1.0 мкм 1993, Pentium: 0.8 мкм 1997, Pentium II: 0.35 мкм 1999, Pentium III: 0.13 мкм 2000, Pentium 4: 0.18 мкм 2006, Core 2: 0.065 мкм 2008, Core i7: 0.045 мкм 2017, Core i9: 0.014 мкм 2021, Core i9-11: 0.010 мкм

Для Apple:

2017, Apple A11: 0.010 мкм 2018, Apple A12: 0.007 мкм 2020, Apple A15: 0.005 мкм 2022, Apple A16: 0.003 мкм (планы Apple) 2027, 0.002 мкм (тестовый образец от IBM) 2029, 0.0014 мкм (предсказания)

Первыми устройствами были лампы, увеличение числа которых в устройстве ограничивалось их размером и их энергопотреблением. Сделать лампу очень маленькой довольно сложно, так нужно сделать её герметичной и закачать в неё инертный газ. Производители пытались упростить производство делая сборки из лам, когда выплавлялась не одна лампа разом, а несколько – по сути одна лампа, разделённая перегородками. Другими попытками было помещение в одну лампу несколько триодов. Но так или иначе, из-за размера, дороговизны изготовления и потребления электроэнергии их начали заменять транзисторами начиная 1950 в виде отдельных транзисторов, как в то время называли "кристаллических триодов". Долгое время барьером применения в серийного производство для транзисторов было возможность переключить своё состояние за счёт накопления потенциала из-за внешнего радиоактивного фона альфа-частицами – для избежания этого в используются корректоры в процессорах и памяти (error-correcting code memory). В мелко серийном производстве ламповые усилители звука давали определённые искажения, которые были более привычны музыкантам эпохи ламповых усилитей – сейчас подобные искажения эмулируются алгоритмически. Транзисторы 1950 годов представляли из себя отдельные электронные устройства в отдельном корпусе с выводами для впайки на лату, сходных с теми, что сейчас используются в блоках питания. Размеры транзисторов уменьшались и начали выпускать микросборки, представляющий плату в корпусе интегральной схемы, в которую вручную помещались под лупами с помощью пинцетов бескорпусные микроминиатюрные транзисторы и другие элементы поверхностного монтажа, такие как резисторы и транзисторы. Позже, часть этих элементов, таких как транзисторы и конденсаторы эмулировалось самими дорожками в силу сниженной величины токов и напряжений, в которых они работали. Для чего проводилось сужение дорожек лазером для увеличения сопротивления и созданием широкой дрожки по верх другой методом вакуумного напыления (толстопленочной технологии) с последующем заливкой корпуса. В 1960 годах начала развиваться планарная технология для создания монолитных интегральных схем, заключающаяся в том, что не создаются отдельные транзисторы, которые необходимо помещать на печатную плату, а выращиваются прямо "плате" из полупроводника, являющаяся основой всех этих транзисторов. Технология изготовление таких интегральных схем унаследовало литографию, применяющуюся в производстве дороже у печатных плат, только в данном случае формируются не только токопроводящие дрожки, но и полупроводниковые и изолирующие участки (транзисторы). Принцип сводится в равномерном нанесении требуемого покрытия и удаление его с ненужных мест различными методами. Нанесение проводящего слоя осуществляется осаждением, а на полупроводниковой подложке – выращиванием. Для удаления применяют растворители (щёлочи, кислоты), от действие которых в нужных местах защищает предварительно наносимое защитное покрытие, которое можно удалить в последствии специальными растворителями защитных покрытий. Расположение защитного покрытия и определяет расположение требуемого покрытия. Механически наносить покрытие на нужные участки чипа, как это делается на печатных платах, уже не позволяла точность нанесения и количество брака, поэтому тотально применяется фотолитография. Первый опытный образец, произведённой по этой технологии был продемонстрирован в 1959 году. Фотолитография заключается в том, что защитное покрытие наносится равномерно, в нужных местах утверждаются светом, а после промывки незатвердевшие покрытие смывается. Для проекции света его пропускают через маску (трафарет) и фокусируют линзами до нужного масштаба и силы светового потока. Маска в нужных местах пропускает свет, а линзы объектива фокусирую свет более мелкий масштаб. Таким образом точность рисунка защитного покрытия определяется точностью засвечиванием светом ещё незатвердевшего защитного покрытия. В начале века это был обычный свет, но позже длина волны не позволяла достичь необходимой точности и она смещалась в торону более коротковолнового излучения, делая стремясь к более узкому излучению, и соответственно, более точному. Так в 1971 году применялся красный свет 700 нм, в 1975 фиолетовый в 400 нм, ультраиолет с 436 нм от лампы с плазмой из ртути, с 1970 ультрафиолет в 248 нм с помощью плазмы криптона и фтора, далее применяется глубокий ультрафиолетовый (Deep Ultra Violet, DUV) с помощью фторидаргнового лазера в 193 нм, затем 150 нм и 80 нм. В 2001 году был получен экстремальноглубокий ультрафиолет (Extreme Ultra Violet, EUV) с помощью плазмы олова в 13 нм. При такой длине волны свет поглощается воздухом, для чего процесс производится в вакууме, и линзами, для чего фокусируют его специальными зеркала из слоёв кремния и слоёв молибдена. Стоимость и сложность оборудования не позволяет производить его несколькими компаниями поэтому производителями процессоров профинансирована компания ASML, ставшая монополистом. Спросс есть на него есть и он не удовлетворён полностью, так как в 2020 году выпущено всего 31 штука. Разработки аналога ведутся в Китае. Такой лазер обеспечивает точность достаточную для технологических процессов в 1.5 нм. Далее начали вступать квантовые ограничения. Сперва приделом считался процесс 14 нм, потом его отодвинули на 5 нм, сейчас ведётся освоение 3 нм для 2023-2024 года, 2 нм для 2025-2027 года и 1.4 нм для 2029 года, но с каждым разом отодвигание происходит с меньшим шагом, а сложность перехода без брака возрастает. В 2021 году процессоры на 5 нм уже есть в массовом производстве от Apple, процессоры на 3 нм в тестовом у TSMC.