Shuttle XPC SH370R8 - barebone в кубическом формате для процессоров Intel Core 9-го поколения и видеокарт RTX

Уже лет 10 – 15 назад процессоры упёрлись в непреодолимый предел производительности: их рабочая тактовая частота редко превышает 3 ГГц. Ни уменьшение технологического процесса (14 нм., 10 нм., 7 нм., перспективные 3 нм. и менее), ни использование самых быстро переключающихся транзисторов в электро-схемах, ни увеличение напряжения, не дают ощутимой прибавки быстродействия современным процессорам…
Нынешний процессор – квадратная пластинка кристалла кремния размером в 2,5 сантиметров, на которую в несколько десятков тончайших строго упорядоченных слоёв нанесено примерно от 100 миллионов до 700 миллионов микроскопических транзисторов и других элементов электрической вычислительной системы.
Учитывая, что скорость электрического тока в проводнике – 300 тысяч километров секунду, тактовая частота процессора – 3 ГГц., все сигналы, обрабатываемые процессором, только двух видов: либо 1 (есть ток), либо 0 (нет тока), то за время одного такта электрический ток-сигнал успевает пройти расстояние всего лишь десять сантиметров. Если процессор – квадрат со сторонами 2,5 см., то по диагонали этот квадрат будет уже более 3,5 сантиметров. И если какому-либо из многочисленных электрических сигналов потребуется пройти из одного угла электрической цепи процессора в другой, то он может просто не успеть до начала следующего электрического такта процессора, учитывая, что электрическому сигналу нужно не только совершить множество транзисторных переходов коллектор-эмиттер-база с накоплениями нужных для срабатывания электрических зарядов, но ещё и пройти эти самые 3,5 сантиметров не по кратчайшей прямой линии, а по миллионам изгибов проводников, поворотов, обходов…
Но если какой-либо сигнал не успевает прийти из одной части процессора в другой, то процессор вынужден принудительно уменьшать тактовую частоту с рекордных для него 3 ГГц., уже только до 2 ГГц., или до 0,5 ГГц., и даже меньше, чтобы избежать ошибок при наслоениях следующего сигнала на незаконченный предшествующий, из-за чего компьютер зависает и требует остановки и полной перезагрузки.
Спрямление проводников между дальними транзисторами в плоском чипе не всегда возможно, так как, при высоких частотах электричества, любой относительно прямой провод становится мощной излучающей антенной, быстрой теряющей высокочастотный электрический ток, нарушающей электромагнитными помехами работу близко расположенных в процессоре соседних таких же проводников. Чтобы высокочастотные импульсы тока всё-таки доходили до отдалённых транзисторов в плоском процессоре, приходится увеличивать напряжение электрического тока в наиболее длинных проводниках тока, а часто и во всём процессоре, что приводит к его перегреву или даже к перегоранию и разрушению. Перегрев прямых проводников при передаче высокочастотных импульсов в процессоре частично снижается увеличением толщины этих проводников электричества, отведением сильно выделяющегося тепла в систему охлаждения и дополнительной многослойной термостойкой изоляцией с защитным экранированием всех соседних проводников и транзисторов.
Иногда в процессоре проще сделать большее количество изгибов тонких проводников, чтобы не повышать электрическое напряжение в них. Каждый короткий электрический импульс в проводе образует гребень высокочастотной электрической волны. Чтобы этот провод не стал излучающей антенной, его длина должна быть существенно короче длины волны электрического колебания (тактовой частоты). Если расстояние между транзисторами в высокочастотном процессоре большое, то их специально соединяют не кратчайшим прямым проводком, а длинным, но ломанным и зигзагообразным, со множеством поворотов. Тогда по существенно удлинённым проводкам каждый сигнал между транзисторами будет доходить со значительной задержкой, что приведёт к нежелательному общему снижению тактовой частоты процессора.
Кроме того, огромное количество близко расположенных параллельных и пересекающихся микроскопических проводков между транзисторами в процессоре в некоторых случаях могут образовывать пространственную катушку индуктивности с паразитными электрическими и магнитными токами, пластинки конденсатора, губительно накапливающие электрические заряды и затем выплёскивающие их в самый неподходящий момент, или соленоид, превращающий электричество в тепло, способное расплавить часть элементов процессора, и резисторы, которые своим сопротивлением при некоторых частотах тока также ведут к непредсказуемым побочным явлениям.
Чтобы уменьшить длину множества проводков электрического тока между транзисторами процессора, нужно радикально уменьшать расстояние между всеми транзисторами процессора и располагать их не на распластанной плоскости квадратного кристалла, а плотнее сгруппировать транзисторы в микроскопический плотный равносторонний объёмный кубик или даже в шарик.
На обычном кристалле 2,5х2,5=6,25 см2 двухмерного процессора умещается около 125 миллионов транзисторов – в среднем по 11 180 транзисторов вдоль квадратного кристалла (447,2 на каждый миллиметр) и примерно по столько же транзисторов поперёк стандартного чипа. Но если эти транзисторы расположить компактнее – по пространственной форме ближе к трёхмерному и равностороннему кубу, то такие же 125 миллионов транзисторов, тех же размеров, легко уместятся в крохотный кубик, размером всего лишь 1,2х1,2х1,2 миллиметров, в каждой грани которого будет в среднем по 500 транзисторов в длину этого кубика, по 500 транзисторов в его ширину, и по 500 транзисторов в его высоту.
Расстояние между самыми дальними транзисторами в таком крохотном кубовидном процессоре не будет превышать двух миллиметров. А с учётом того, что между более плотно размещёнными транзисторами значительно сократится длина различных проводников со своими достаточно толстыми изоляторами, то между этими транзисторами освободится очень много места в таком кубике-процессоре, и транзисторы можно будет располагать ещё в несколько раз плотнее. Более того, с уменьшением расстояния между транзисторами в процессоре и с уменьшением электрического напряжения открываются большие возможности существенного уменьшения размеров не только проводков, но и самих транзисторов. Эти меры позволят увеличить рабочую тактовую частоту трёхмерного объёмного процессора в сотни раз по сравнению с плоской микросхемой, и отпадает надобность в её охлаждении.
Невероятное быстродействие компактного объёмного чипа ещё больше явит своё превосходство перед плоской микросхемой, если в объёмный микроскопический процессор вживить такую же объёмную компактную и быструю оперативную память.
Остаётся только заняться разработкой технологии изготовления компактных кубовидных чипов. На первых порах, вероятно, придётся использовать уже отработанные приёмы производства двухмерных плоских чипов, увеличивая на каждом крохотном кристалле количество слоёв в сотни и даже в тысячи раз.