Удачная комбинация: как российские учёные вырастили кристаллы для оптических компьютеров
Российские исследователи обнаружили способ получения нелинейных оптических кристаллов в стекле. Такие кристаллы позволяют управлять свойствами проходящего через них света, в том числе превращать невидимое инфракрасное излучение в видимое. Для их получения стекло обрабатывалось интенсивными лазерными импульсами. По мнению учёных, в будущем подобные кристаллы могут выступать в качестве элементов архитектуры сверхпроизводительного оптического компьютера.
Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева вырастили нелинейные оптические кристаллы в стекле. Такие кристаллы позволяют управлять свойствами проходящего через них света и могут использоваться при создании сверхпроизводительных оптических компьютеров. Об этом сообщается в журнале Crystals.
Как объяснили менделеевцы, сначала они синтезировали стекло, которое состоит из оксидов германия и свинца. Затем для получения кристаллов с заданными параметрами исследователи обрабатывали такие стекла интенсивными лазерными импульсами. От нагрева лазером стекло (которое изначально не относится к кристаллическим материалам) плавилось, а при последующем охлаждении кристаллизовалось.
Полученные кристаллы, отмечают учёные, называют нелинейно-оптическими. Эти с виду ничем не примечательные прозрачные материалы обладают особой симметрией структуры и позволяют управлять свойствами проходящего через них света, в том числе превращать невидимое инфракрасное излучение в видимое.
«Мы разрабатываем новые методы управления структурой материалов и, по сути, занимаемся своеобразной алхимией. К примеру, в этой работе для формирования нелинейно-оптических кристаллов микронного размера мы использовали стекло, которое облучали сильно сфокусированным импульсным лазерным излучением с аккуратно подобранными параметрами», — рассказывает главный автор работы, доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ Сергей Лотарев.
Такие кристаллы уже давно используют в лазерной технике, поясняют исследователи. Однако для применения в области фотонных вычислений необходимо было уменьшить оптические элементы до микронного размера и интегрировать их воедино, чтобы создавать оптические микрочипы. Это и удалось сделать учёным, вырастившим кристаллы прямо в стекле.
«Мы используем метод прямой лазерной записи: с помощью мощного фемтосекундного лазера нагреваем стекло до высоких температур, но делаем это очень аккуратно — зона нагрева ограничена всего несколькими микронами. В итоге с помощью такого нежного нагрева удаётся кристаллизовать заданные микрообъёмы стекла и создавать протяжённые треки с практически монокристаллической структурой, обладающие всеми свойствами нелинейно-оптического кристалла», — пояснил Сергей Лотарев.
Искусство в науке: российские химики создали в стекле нановерсию таблицы Менделеева
Российские химики записали в кварцевом стекле микроскопическое цветное изображение таблицы Менделеева. Для получения миниатюры.
Для коллектива РХТУ это не первая работа по созданию нелинейных оптических кристаллов. Ранее учёным удалось вырастить в стекле кристаллы борогерманата лантана, с помощью которых можно изменять длину волны лазерного излучения. В настоящее время исследователи изучают различные возможности кристаллизации стекла при помощи лазера с целью создания других материалов с заданной микроструктурой.
Удачная комбинация свойств кристаллов и стекла в одном материале позволит использовать его при создании оптического компьютера, уверены исследователи. По словам Сергея Лотарева, в будущем микроскопические нелинейные оптические кристаллы могут функционировать как интегральный электрооптический модулятор — элемент архитектуры сверхпроизводительного оптического компьютера.
Развеивая мифы
Qualcomm Snapdragon 845 – это процессор? A Apple A11? Нет, это микросхемы, состоящие из нескольких элементов, включая тот самый микрочип, о которым мы привыкли говорить, рассуждая о компьютерных процессорах, таких как Intel i7-7700 и других.
Реальные размеры типичной системы на кристалле
Названные выше чипы и другие известные вам названия (Kirin 970 или Helio P60) – это системы на кристалле, однокристальные системы или системы на чипе (от англ. system on a chip). В английском используется аббревиатура SoC.
Тем не менее понятие «процессор» так плотно вошло в употребление, что даже специализированные СМИ, точно знающие значения этих терминов, используют их, ведь так понятнее потребителям. Правильнее же говорить чип или система с дальнейшим указанием ее названия.
Процессор, размер кристалла — тепловые ограничения
Современные тенденции развития процессоров хорошо известны — это снижение размеров ключей и как результат этого снижение их тепловыделения. Но, как мы видим, TDP современных процессоров не уменьшается. Все это имеет свои причины. Одной из причин является стремление Intel сохранить как можно дольше действие маркетингового хода — «Закона Мура». Для его выполнения число узлов компьютера размещаемых на кристалле процессора растет. Конечно размещение контроллеров памяти, видеопроцессоров, увеличение размера КЭШа процессора — в некоторой степени увеличивает скорость обмена между узлами за счет укорочения линий связи. Продлевая эти рассуждения, логично было бы вернуться к однокристальному компьютеру, разместив на кристалле процессора все узлы компьютера выводя за пределы кристалла только медленные шины.
Но . уже существуют скоростные шины обмена данными я писал о них .
Но вернемся к теме представленной в заголовке!
Новые технологические процессы уменьшают размеры транзисторов, что в свою очередь может привести к снижению размеров чипа процессора и других компонентов компьютера. Но эти размеры нельзя снижать бесконечно при существующих уровнях тепловыделения чипов достигающих 130 Вт.
Анализ конструкции современных процессоров и их предшественников показывает, что плотность теплового потока с кристалла составляет около 50 Вт/см 2 . Реальные значения находятся в диапазоне от 30 до 60 Вт/см 2 ( В зависимости от конструкции ) .
Тепловое сопротивление цепи кристалл — кулер обратно пропорционально площади контактной поверхности,
поэтому при росте теплового потока или снижении площади кристалла (как одного из элементов тепловой цепи) растет температура кристалла.
Производители процессоров применили IHS (integrated heatsink) — интегрированную теплораспределяющую пластину (крышку), которой позволила равномерно распределить температуру по поверхности кристалла, потому что источники с максимальным тепловыделением расположены неравномерно (локально) по поверхности кристалла*.
* Источниками тепловыделения на кристалле процессора являются, в первую очередь, ядра процессоров и графические ядра процессоров.
Основная мощность потерь в процессоре именно на этих узлах. А перепады температуры на поверхности кристалла создают узлы напряжений, что может сказаться катастрофически на них.
Расположение ядер и графического ядра на кристалле показано на рис. 1.
| Intel |  sandy-bridge |
 Core—i7 |
| AMD |  Trinity |
 Llano |
Равномерно распределить температуру по поверхности кристалла и есть основная задача IHS.
И как побочный эффект — применение IHS позволило увеличить «эквивалентную площадь поверхности кристалла»** примерно в 1,5 раза (зависит от толщины пластины), не увеличивая сам кристалл. Считается, что это позволит увеличить площадь контактной поверхности в паре «кристалл — кулер» переходя к цепи «кристалл — IHS — кулер».
** «Эквивалентная площадь поверхности кристалла» — площадь где тепловой поток составляет 90% от теплового потока кристалла.
Но все это работает только там где в качестве термоинтерфейса IHS — кристалл является металлический припой.
Производители процессоров пойдя по пути удешевления процессоров и упрощения технологии пошли по пути замены металлического термоинтерфейса на теплопроводящую пасту.
И совсем не главный недостаток применяемого термоинтерфейса — снижение его теплопроводности в связи с применением теплопроводящей пасты.
Режим работы процессора и тепловыделение
Мы знаем, что тепловыделение процессора определяется его вычислительной нагрузкой.
Нагрузка меняется во времени по мере выполнения задач определяемых управляющими программами. И даже программы длительное время загружающее процессор имеют свои циклы периодически увеличивающие или уменьшающие вычислительную загрузку процессора, а соответственно и тепловыделение процессора.
Цикличность тепловыделения имеет место и при включении — выключении компьютера.
При этом температура наиболее нагретых областей ISH приближается к температуре наиболее нагретых областей кристалла процессора, а температура наименее горячих к температуре воздуха внутри процессора. Такой областью является ALU (Arithmetic and Logic Unit).
В 2003, разбираясь с тепловыделением различных участков чипа процессора было обнаружено, что их нагрев существенно отличается. Исследовательской лабораторией корпорации Intel под руководством Ram Krishnamurthy проводились исследования, с целью определить, какие конкретно участки микропроцессора выделяют больше тепла, а какие — меньше. Для этого они использовали широко известную технологию «тепловидения». Исследователи ядра процессора обнаружили, что совсем небольшой его участок – а точнее, место сосредоточия модулей логических и арифметических операций – ALU (Arithmetic and Logic Unit) – нагревается до 127 °C, в то время как область кеш-памяти – существует при вполне приемлемой температуре 65 °C, а остальные и того меньше.
Непосредственно на процессоре это выглядит так:
Рисунок 3
При этом IHS деформируется и зазор между кристаллом процессора и IHS увеличивается и определяется разностью температур Δt = t2 — t1 и коэффициентом линейного расширения материала IHS , в нашем случае меди. Причем в наиболее нагретой области он максимален.
В результате циклических деформаций, уже сейчас появляется множество публикаций о росте температуры процессора через некоторое время его работы в «тяжелых» приложениях.
Появилось течение любителей снимать IHS с процессора. И по данным экспериментаторов, это приводит к улучшению теплового режима работы процессора.
По их же данным теплопроводящая паста после снятия IHS имеет «вид пористой структуры».
Все это результат работы теплопроводящей пасты в условиях циклических тепловых нагрузок и вызванных ими деформаций.
Заключение
Я конечно не призываю к удалению IHS , наличие теплораспределительной пластины это необходимый шаг повышающей надежность работы процессора.
Просто, исходя из логики работы, мне кажется, для IHS подошел момент, когда тепловой поток достиг предельных значений. И это требует пересмотра конструкции самой теплораспределительной крышки и обязательному введению металлического термоинтерфейса IHS кристалл (паяного соединения).
И применение в качестве термоинтерфейса теплопроводящих паст, какие хорошие они бы ни были становится просто недопустимо.
Почему процессор называют камнем?
На самом деле все просто. Во-первых сам по себе процессор — маленький, имеет металлическую крышку, холодный, нельзя назвать что легкий, то есть он немного как бы напоминает камешек:
Вторая причина — потому что процессоры делают из кремния. На самом деле правда — кремний является основой компьютерных транзисторов. Кремний широко доступен, его не сложно добывать, с ним легко работать. А главное — ученые нашли метод из него выводить упорядоченные кристаллы. Построение идеальных кристаллов — основной аспект производства компьютерных чипов. Поэтому иногда процессор называют даже кристаллом. Эти кристаллы из кремния потом нарезаются в тонкие пластины, гравируются, обрабатываются и проходят сотни обработок, прежде чем становятся коммерческим продуктом.
Но мое мнение, что процессор называют кристаллом также из-за того, что под крышкой он правда чем-то похож на кристалл:
Это обычный процессор, кажется Интел, только снята крышка. Черное, глянцевое — это сам процессор, чип, на который сверху наносится термоинтерфейс и уже потом устанавливается теплораспределительная металлическая крышка.
Кстати, знаете ли вы, что процессоры не все получаются идеально? Простыми словами — производят процессоры, некоторые получаются хорошо, а некоторые не очень. Так вот которые получаются хорошо — это идет например как Intel i7 с 4 ядрами и 8 потоков (ну к примеру). Если процессор не очень получился, то будет i5 с 4 ядрами и без потоков. Если еще хуже — то i3, все остальное идет на Пентиумы и Целероны (но не стоит думать что плохие, все работает хорошо и качественно). Просто процессоры тестируют и если какие-то проблемы, то могут например отключить в нем 2 ядра или убрать потоки, или снизить частоту. То есть все зависит от того, насколько процессор удачно получился.
Вот например современные процессоры Intel могут идти без встроенного графического ядра. На самом деле оно в них есть, но отключено, потому что не прошло тестирование.
Другими словами, Intel Core i3 — это тот же i7, только ему отключили несколько ядер, потому что не прошел тестирование.
Надеюсь данная информация оказалась полезной. Удачи и добра, до новых встреч друзья!
Финишная прямая
Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!
Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.
На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).
Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров
Речь, конечно же, пойдет о Intel и AMD. Основным отличием в принципах работы данных компаний является подход к производству новых компьютерных микропроцессоров.В то время, как Intel попеременно внедряет новые технологии наряду с небольшими изменениями, AMD делает крупные шаги в производстве с определенной периодичностью. Выше на фото представлены модели упомянутых компаний с отличительным внешним видом.
Лидерские позиции, в подавляющем большинстве случаев, удерживает все-таки Intel. «Камни» от AMD, хотя и уступают процессорам от Intel по производительности, нередко выигрывают у них в плане ценовой доступности. О том, какую компанию лучше выбрать можете почитать в этой статье.
Что выбирать каждый решает сам. Сегодня мы попытались разобраться во внутреннем устройстве любого современного микропроцессора и основных принципах его работы. Не забывайте подписываться на обновления блога и делиться интересными статьями со своими друзьями в социальных сетях! Всего доброго, друзья!
