a cura di Alfredo Distefano


Per più di trent'anni, i microprocessori hanno raddoppiato la propria potenza ogni 18 o 24 mesi. Quel progresso continuerà per un'altra decina d'anni, o almeno così dicono i produttori di chip. Poi bisognerà trovare qualche nuova tecnologia per sostituire il semiconduttore in silicio.
Sfortunatamente, le aziende che realizzano microprocessori e li usano per realizzare computer non possono vivere sempre alle spalle della Legge di Moore. Con il diminuire di dimensioni dei transistor (ce ne saranno un miliardo su un singolo chip nel giro di cinque anni), i chip diventano esponenzialmente più costosi da progettare, costruire e testare. E le leggi della fisica cominciano a dare filo da torcere: nel misterioso regno chiamato "profondo submicron", per esempio, la dissipazione di calore diventa praticamente impossibile da controllare, e i raggi cosmici causano errori di calcolo casuali.


Le strade per crescere

"Tra 10 anni, il problema della dissipazione di energia bloccherà ulteriori sviluppi. I miglioramenti arriveranno da integrazioni a livello di sistema, più che a livello di transistor": ad affermarlo è Bijan Davari, technology vice president della divisione microelettronica di IBM.
Circa il 60 per cento dei miglioramenti complessivi nei microprocessori è derivato da frequenze di clock maggiori permesse da transistor più piccoli e più veloci. Il restante quaranta percento è invece legato ad architetture di calcolo che consentono l'esecuzione di più di un'istruzione per ciclo di clock. Un microprocessore può ottenere questo risultato predicendo il flusso di un programma attraverso diverse ramificazioni della sua logica o eseguendo istruzioni in modo "speculativo", prima che siano effettivamente necessarie. Ma spingere oltre questi trucchi sta diventando difficile e costoso.
"Siamo passati dalla possibilità di eseguire due istruzioni alla volta a quella di eseguirne otto o più", spiega James Hoe, professore di electrical and computer engineering alla Carnegie Mellon University di Pittsburgh. "Ma ora siamo al limite. L'architettura non è scalabile".
Secondo Hoe, gli sviluppatori di microprocessori si affideranno sempre più ad alcuni schemi per trovare il "parallelismo" nei flussi di programma. Ecco i quattro principali:

- Multithreading: consiste nel suddividere un singolo programma in più flussi di istruzioni, o thread, da processare simultaneamente. Ogni thread potrebbe gestire ad esempio un pacchetto di dati o una transazione.
- Simultaneous multithreading: una tecnica che nei confronti del software presenta un singolo processore fisico come se fossero due processori, in modo da poter eseguire due programmi simultaneamente, aumentando quindi la capacità complessiva. Intel chiamata questa tecnica "hyperthreading".
- Chip multiprocessing: l'inclusione di due o più "core" di processori fisici su un solo chip. I core possono funzionare in modo indipendente, ma condividere alcune risorse.
- Ottimizzazione runtime: l'uso di una combinazione di circuiteria speciale del processore e un compilatore runtime dinamico per analizzare continuamente il comportamento del programma e riordinare istruzioni per migliorare le prestazioni. Anche se questa tecnica non fa diventare più veloce il processore, migliora quello che interessa all'utente: la capacità complessiva di elaborazione.


Sempre più difficile

"Sta diventando esponenzialmente costoso trovare più parallelismi in un singolo flusso di istruzioni", afferma Justin Rattner, direttore della ricerca per i microprocessori di Intel. "Quindi crescerà l'enfasi sul parallelismo a livello di thread, il numero di thread per processore e il numero di processori per chip".
Secondo quanto riferisce Rattner, anche Intel sta facendo ricerca su processori e compilatori che collaborano insieme per ottimizzare le prestazioni dei programmi in tempo reale. "Stiamo guardando a una tecnica visibile al programma, in modo che il compilatore abbia accesso alle condizioni di runtime", spiega. "Questo avviene in tempo reale; è una sorta di compilatore in loop".
La tecnica ha migliorato le prestazioni di un fattore che va da due a quattro, sostiene Rattner, che predice anche che nei prossimi cinque anni i miglioramenti nella tecnologia di base dei semiconduttori triplicherà le velocità di clock. La combinazione di velocità di clock più elevate con il migliore sfruttamento del parallelismo mediante diverse tecniche porterà a un aumento di sei-sette volte del throughput complessivo.
Il multithreading e il multiprocessing a livello di chip sarà particolarmente importante nei server, perché normalmente questi sistemi gestiscono carichi di lavoro (elaborazione di transazioni, applicazioni Web e database) che sono intrinsecamente suddivisibili in thread.
E' più probabile, invece, che i pc desktop eseguano applicazioni a singolo utente e singolo thread. Come risultato, la continua corsa verso velocità di elaborazione sempre più elevate potrebbe presto perdere di senso. Nei server, infatti, c'è sempre bisogno di più potenza e scalabilità; sul desktop, invece, ci si può chiedere a che cosa servono 5 GHz di velocità. Si potrebbe quindi raggiungere un plateau, quando arriverà un processore "sufficientemente veloce". Il design per i processori desktop, e in particolare per quelli mirati ai notebook, andranno sempre più alla ricerca di nuove caratteristiche, come un basso consumo di energia, ingombro limitato e funzionamento silenzioso.


Notizie dal fronte

Mentre i produttori di microprocessori lavorano per migliorare il throughput, a un altro livello cercano di aggirare le leggi della fisica. Gli attuali processori in silicio hanno elementi di circuito grandi 130 nanometri (nm). Le generazioni future, in arrivo ogni due anni, ridurranno queste dimensioni a circa 15 nm, il limite inferiore raggiungibile col silicio.
Raggiungere quel limite non sarà facile. "Passando da 130 a 90, a 65 a poi a 42 nm, la dissipazione di potenza in standby diventa il problema principale a livello di design di silicio e di circuiti", afferma Davari di IBM. La dissipazione di potenza, che rappresenta uno spreco e genera calore, aumenta "drammaticamente ed esponenzialmente", continua Davari.
IBM e altre aziende stanno guardando allo "strained silicon" ("silicio stirato"), una tecnica che aumenta le prestazioni e abbassa i consumi stirando le molecole di silicio in modo da allontanarle, consentendo agli elettroni di fluire attraverso i transistor fino al 70 percento più velocemente. I produttori di chip stanno anche sperimentando nuovi materiali e metodi per fare dei "gate" (che controllano il flusso elettrico attraverso un transistor) più piccoli, più veloci e più efficienti. "Queste ricerche sono partite come soluzioni per migliorare le prestazioni, ma ora stanno risolvendo problemi di potenza", spiega Davari.


Un dubbio lecito

In futuro i produttori di chip potranno estendere le proprie architetture dual-core esistenti a centinaia di processori su un chip. Integreranno anche la RAM dinamica con la logica su un solo chip, riducendo drasticamente i ritardi di comunicazione CPU-memoria, aumentando il throughput e riducendo i consumi. E sposteranno funzioni specifiche delle applicazioni, come la cifratura, la compressione video o la sintesi vocale, dal software o da hardware aggiuntivo al chip del processore.
Secondo alcuni, i processori dual-core porteranno a miglioramenti di prestazioni, ma potrebbero anche esserci degli svantaggi in termini di costi. La domanda è se i produttori di software vedranno un processore dual-core come uno o due processori dal punto di vista delle licenze. Intel ha convinto Microsoft che l'hyperthreading è un solo processore, anche se al software sembrano due. Ma quando si metteranno due core, e poi quattro core, i produttori continueranno a considerarlo un unico processore?

Un pugno di sabbia Il silicio, l'elemento base degli attuali processori, deriva fondamentalmente dalla comune sabbia. Questa è composta da piccoli granelli di silicati e soprattutto da silice, o biossido di silicio. Per arrivare però al silicio purissimo che serve alla realizzazione dei chip il percorso è piuttosto lungo. La silice viene trattata in un forno elettrico insieme al carbone, ottenendo un silicio che però è ancora troppo impuro per essere utilizzato nei processori. Viene allora trattato con cloro, trasformandolo in triclorosilano, un materiale che può essere più facilmente purificato per trattamento con idrogeno, eliminando acido cloridrico. Il silicio così ottenuto viene fuso in un crogiolo di quarzo rotante sul quale viene appoggiato un cristallo di silicio purissimo: è su questo cristallo che il silicio si deposita progressivamente, formando un grosso cilindro. Da questa barra vengono poi tagliate le fette sottilissime di silicio purissimo sulle quali vengono stampati i circuiti elettronici.

Lo stesso Moore rivede la sua legge E' dal 1965 che la Legge inventata da Gordon Moore, co-fondatore di Intel, si è dimostrata valida, a meno di piccoli aggiustamenti. Secondo la sua previsione, ogni due anni la densità di componenti dei microprocessori raddoppia. Recentemente, però, lo stesso Moore ha messo in discussione la validità e soprattutto la durata nel tempo della sua Legge, annunciando che si arriverà a un rallentamento. "L'elemento alla base di questa legge, fin dalla sua formulazione nel 1965, è la capacità di realizzare componenti sempre più piccoli" ha affermato Moore, "ma alla fine il fatto che i materiali sono fatti di atomi costituisce un limite reale. Abbiamo iniziato a vedere effetti di meccanica quantistica anche dei dispositivi che stiamo realizzando ora. Ritengo che avremo ancora due o tre generazioni di chip che seguiranno le mie previsioni, ma poi qualcosa dovrà cambiare". Secondo Moore, infatti, dal "restringimento" dei componenti si passerà all'allargamento dei chip, ma con un tasso di crescita più lento. "Possiamo costruire chip più grandi", conclude, "ma non potrà essere fatto a un ritmo di crescita così elevato come quello attuale".