Fra Pentoden til Pentium

50 års race mot det mikroskopiske

Pentoden, eller radiorøret, hersket suverent for 50 år siden. Pentium hersker suverent i dag. Foreløpig er det få rivaler til transistoren, men den eksotiske forskningen på elektroniske ladninger fortsetter.

Magne Lein

Fysikkprofessorene Tord Claeson, Chalmers Tekniska Høgskola i Gøteborg, og Konstantin K. Likharev, State University of New York (tidligere Moscow State University) har fremlagt forskningsresultater som indikerer at den minste, registrerbare, elektriske ladningsmengde ikke er lik elektronets eller protonets enhetsladning, henholdsvis minus eller pluss e.

Vi antar de fleste leserne kjenner til elektronets dans rundt atomkjernen. Kjernen består som kjent av en klase protoner, hver med en positiv minstemengde ladning, samt nøytroner, uten ladning. Elektronets ladning er like stor som protonets, men med motsatt polaritet.

De to professorne har vist at det i triggesammenheng (det magiske 0/1) er mulig å manipulere elektriske ladningsmengder som er mindre enn elektronets/protonets enhetsmengde. Det kreves med andre ord dramatisk mye mindre energi enn de minste elektrisitetsmengdene som nå utgjør de enkeltpulsene som hvert sekund trigger millioner av transistorer i datamaskinens sentale prosesseringsenhet (CPU).

En gang i fremtiden vil disse forskningsresultatene gi vesentlig mer dataprosessering per kvadratmillimeter brikkeareale enn dagens kraftigste komponenter, som Alpha, Pentium og den kommende P6, hevder forskerne.

Billigere enn binders

Mikroprossor-teknologien er i ferd med å nå en øvre grense for hvor mange transistorer som kan integreres på én brikke (chip). Prosessene for kretsmønster-utlegg og bort-«etsing» av overflødig brikkebelegg, jobber allerede i et minityriserings-område som øker faren for gnistoverslag og signal-«hopping». Mønsterkantene blir mer og mer tjafsete; mønsteret «gror» sammen. I tjafsspissene kan det oppstå lokale feltstyrketopper, med overslag som resultat. Det er også lett å få indusert feilsignaler når avstandene i ledningsmønster nærmer seg molekyl-nivå.

Transistorantall på 10-12 millioner er av mange ansett som en øvre grense for skreddersydde brikker for mikro-CPUer. For å komme vesentlig over dette antallet må man nok etterhvert øke brikkearealet vesentlig, det vil si mer enn lineært. Samtidig vet man at mønstertettheten har økt med åtte størrelsesordener siden oppfinnelsen av transistoren ved Bell-laboratoriene lille julaften 1947, en uvikling som gir godt spillerom for utviklingsoptimistene.

Digitals Alpha («The BIPS Chip»: 21164) er allerede oppe i 9,3 millioner transistorer. P6 har 5,5 millioner, Pentium har 3,1. Vi skriver denne artikkelen på en Pentium-maskin med bortimot 15 millioner transistorer totalt, når også cache-brikken legges til CPU-brikken (P6 har cache med over 15 millioner transistorer). Prisen per transistor ligger under prisen på en binders!

Godt kokte bits

Så vidt vi kjenner til, er det ennå ikke kommet praktisk, CPU-rettet produksjonsteknikk ut av den nye ladningsteorien. Det vil gå noen år før det kommer resultater på brikkenivå. P6 begynte man eksempelvis å jobbe med for fem år siden, og da med «kjent» teknologi.

Men hva gjør man i mellomtiden?

Det er sannsynligvis bare ett alternativ. Man må la brikkene vokse, mer og mer i retning av Gene Amdahls «monster-chip»-teknologi. Å dele opp selve CPU-brikken synes uaktuelt. Samtidig er store brikkearealer sårbare for brekkasje via ytre, mekanisk påkjenning og lokal overoppheting.

Gene Amdahls andre selskap, Trilogy Technology, gikk konkurs i 1987, etter å ha stanget i temperaturtaket. Selskapet var langt på vei med sin storbrikke-teknologi («The Monster Chip», en silisiumskive med hele 100 mm diameter), som mange mente ville revolusjonere blant annet CPU-teknologien.

Året før han gikk konkurs, demonstrerte Amdahl en monsterbrikke på teststadiet for en gruppe nordmenn, ansatt innen virkemiddelapparatet og industriforsknings- og risikokapitalmiljøet. Han var nesten i mål, sa han, men siste års underskudd på 300 millioner dollar tynget, la han til. Like etter var det slutt. Synd!

Gene Amdahl brant seg, bokstavelig talt. Det oppsto lokal oppvarming på silisiumskivene, og kjøleteknologien var ikke god nok til å frakte bort overskuddsvarmen. Det kan være nyttig å ha i mente at dagens tetteste brikker avgir opptil ti ganger så mye varmeenergi per flateenhet som en kokeplate. Likevel regner man med at dagens kjøleteknikk tillater enda ti ganger mer utstrålt varmeenergi per brikkeflateenhet .

I krysserraketter?

Digital kjøpte opp rettighetene til monsterkrets-teknologien, og benytter visstnok biter av den i sin Alpha-prosessor. Og Hughes Aircrafts' FoU-laboratorium i Malibu har laget meget kraftige spesialdatamaskiner, som består av flere tett stablede, monsterkrets-lignende silisiumskiver, med massevis av fiberledere mellom hver skive. «Dataprosesseringen går som en parallellbølge, fra den ene skiven til den andre, gjennom fiberlederne», fikk vi opplyst.

De skreddersydde Hughes-datamaskinenene styrer krysserraketter og andre AMV-er («Autonomous Moving Vehicles») via spesialkameraer og superrask mønstergjenkjennings-teknologi. Ved vårt besøk fikk vi inntrykk av at biter av Amdahls monster-teknologi var hentet inn til dette prosjektet. Men i forbindelse med så forsvarsorienterte saker får man sjelden skrape mer enn i overflaten, og vi fikk ingen hundre prosents bekreftelse.

Satt på spissen

Når Claeson og Likharev snakker om teorien sin, benytter de en knappenålspiss som utgangspunkt. Man kan tenke seg at ladningen i spissen kan finne ved å telle antall protoner, og trekke fra antall elektroner, mens nøytronene neglisjeres. Den minste ladningsmengde som kunne observeres, ville da bli e eller e.

Men så viser nye eksperimenter, at ladningen på nålespissen kan være bare en brøkdel av ladningen for en elektron/proton, eksempelvis 0,25e eller 0,5e. Man er kommert frem til disse resultatene ved å studere virkelig småsaker, ned til 0,03 mikrometer, eller én trettimilliarddels meter. Dette kan sammenlignes med størrelsen på virus, og dreier seg om tidelen av mønsteravstandene på dagens mest tettpakkede mikro-elektronikkbrikker.

Ved å studere slike mikrokomponenter ved temperaturer like over det absolutte nullpunkt (273 grader Celsius), er man kommet frem til en bedre forståelse av hvordan elektriske ladninger beveger seg gjennom ulike materialer. Det viser seg at ladningene beveger seg gjennom isolatorer i avgrensede småmengder, som vann som drypper fra en kran. Mens de strømmer kontinuerlig gjennom et ledende materiale, som vannstrålen fra en kran.

Denne forskningen har ført til utvikling av komponenter hvor man kan styre bevegelsen til enkelt-elektroner i faste stoffer. En enkelt-elektronkrets kan fungere som en enkelt-elektrontransistor, eller andre typer dataprosesserende elektronikkretser. Og da snakker man om transistorstørrelser dramatisk mye mindre enn i dag. Kanskje vil man kunne presse inn 100 millioner transistorer på en brikke som ikke er vesentlig større enn dagens Pentium-brikke.

Ikke på bølgelengde

Uavhengig av hva som ellers ligger i kortene rent produksjonsmessig, blinker nå de røde produksjonslysene i brikkefabrikkene. Når mønsterdimensjonene nærmer seg bølgelengden på den strålingskilden man skal benytte til fjerning («etching/bortetsing») av overflødig metall/gull-belegg på brikkeoverflaten, er det duket for frynsete mønsterkanter.

Og når to frynsete mønsterkanter ligger bare brøkdelen av en mikron fra hverandre, oppstår det lett alt fra kortslutninger til induserte forstyrrelser i bitstrømmen i nærliggende mønstre, via lokale anomalier i de elektriske feltene. Kanskje kan en logisk 0 bli til et logisk 1-tall via induksjon fra strømmen i en nærliggende mønsterstripe. Krise!

Spenningen som svitsjer en transistor av og på, ligger mellom 0,5 og 1 volt. Det er med andre ord ikke spenninger involvert som umiddelbart får en til å tenke på spenningsoverslag. Men overslag har å gjøre med antall volt per centimeter avstand mellom spenningspolene. Og når avstanden blir ekstremt liten, vil selv én volt kunne gi farlig stor verdi for volt/cm.

Leting

Men man leter også innen andre områder for å finne alternativer til transistoren. Én av dem er såkalt bistabile komponenter, hvor den minste endring i strømmen får komponenten til å svitsje fra den ene til den andre stabile tilstanden.

Men slike kretser krever finjustering av hver eneste svitsj, ellers kan de «ta av». Det er imidletid ikke praktisk mulig å gjennomføre finjustering i det omfang som kreves for en kompleks brikke. I laboratoriet, under testing av enkeltkretser, ser det hele meget bra ut. Men så er det slutt. That's life!

En annen svitsj som studeres, går under betegelsen kvantemekanisk interferens-svitsj («quantum interference device»). Den aktiveres via interferens (gjensidig påvirkning) mellom elektromagnetiske bølger.

Som et eksempel på hva det dreier seg om, kan man tenke seg en lysstrålebølge som splittes i to, slik at de to enkeltlysbølgene svinger likt, i fase, med samtidige bølgetopper og bølgedaler. Hvis en av bølgene er påvirket av et eller annet underveis mot et møtepunkt, med sammensmelting av de to bølgene igjen, vil faselikheten ha opphørt, og man får en lys-«flekk» som er ulik den opprinnelige.

Så trekker vi lyseksemplet over i elektronenes verden: Også elektronene kan nemlig ha bølgenatur. De kan dermed tvinges til å interferere med hverandre. Dette kan skje ved hjelp av et ytre elektrisk felt, påtrykt den del av komponenten som den ene elektronbølgen beveger seg gjennom. Feltet endrer hastigheten på denne elektronbølgen, og når de smelter sammen lenger frem, vil de være i motfase.

Dermed nuller de ut hverandre, og det kommer ingen strøm ut av komponenten. Den har svitsjet fra én tilstand, med strømgjennomgang, til en annen tilstand, med null strøm. Vi har tilsynelatende fått en brukbar, transistorlignende svitsj, basert på kvanteinterferens.

Men så vel er det nok ikke, ikke i praksis, selv om det også her fungerer på laboratoriebenken. For hvis feltet som skal endre hastigheten på den ene strålen er for kraftig eller for svakt, vil det i begge tilfeller bli noe strømgjennomgang. Komponenten skifter dermed ikke rent mellom to stabile tilstander, men lekker variabel strøm, uansett. Dette er å sammenligne med støygenerering. Datatransport mellom to slike komponenter blir bare rot.

STARTEN: De første datamaskinene benyttet réléer som 0/1-svitsjer. Her innmaten, selve bryterenheten, i et «moderne» tungerélé. En Pentium har 3,1 millioner svitsjekretser som gjør noe av det samme. (Alle foto: Laila B. Carlsen)

RØR: Radiorøret overtok etter réléene. Nå gikk det raskere, men med mye varmeutvikling. Intet stort fremskritt egentlig.

REVOLUSJON: Oppfinnelsen av transistoren i 1947 innebar en datateknisk revolusjon. Da krympet kretskortene enormt.

INTEGRERING: De integrerte kretsene på begynnelsen av 60-tallet resulterte i et kvantesprang i kretskomprimeringen. Her en Fairchild A702C, med elleve transistorer og noen få dioder.

INTEL-TOPP: Her er siste, tilgjengelige skudd på Intel-stammen, en Pentium med 3,1 millioner transistorer.

UTFORDRER: Og her er Intel-imperiets største utfordrer; en Alpha-prosessor fra Digital, med rundt ti millioner transistorer.


                    Ingen foreløpige rivaler?

IBMs Thomas J. Watson, Research Center i Yorktown Heights i delstaten New York, har forsket mye på disse mer eksotiske alternativene til dagens transistorer. En av nestorene i Yorktown Heights, Robert W. Keyes, mener at mangelen på praktiske alternativer gjør at fremtiden for den digitalorienterte elektronikken fortsatt er knyttet til transistoren.

(Plasseres som en «huskelapp», f.eks. på 2. side av artikkelen:)


                    Leverandører: 

Husk å ha den nye EU/EFTA-merkingen (EMC) i orden fra 1. januar!

Spøkelset i maskinen

Datamaskinens onde ånd kommer oftest ut av strømforsyningen. Muligens er det mest problemer med triviell teknologi.

Artikkelen fokuserer på nyvinninger som peker mot ytterligere miniatyrisering av den type kretsbrikker man finner i hjertet av blant annet mikroprosessorene. Noe av det har science fiction-preg over seg. Men selv dagens tette kretsmønster genererer problemer. «The Ghost in the Machine», er blitt et begrep. Men ingeniør Per Smith (63) forteller oss at datamaskinenes «onde ånd» oftest kommer ut av datamaskinens strømforsyning.

Per Smith hadde de siste årene før konkursen hos Norsk Data, alt ansvar for denne ofte neglisjerte og underestimerte enheten i datamaskinen.

Smith kjenner til en amerikansk rapport som indikerer at så mange som 40-70 prosent av problemene med selve datamaskinenes funksjonalitet stammer fra dårlig strømforsyningsteknologi.

Da han begynte hos Norsk Data i 1982 var det ingen som jobbet seriøst med dette. Man kjøpte inn ferdige bokser fra ulike underleverandører.

Kompleks enkelhet

Det viser seg at de tekniske sammenhengene mellom strømforsyning og datatrouble er meget kompliserte, og neste umulig å tracke fra opprinnelsesstedet i maskinen, frem til det resulterende problemet.

-- Vi tracket et slikt problem én gang, via en total memory-dump, og kunne spore det, bit for bit, tilbake til strømforsyningen, langs kilometervis med utskrift. Det ble noe av en vekker i Norsk Data-miljøet, forteller Per Smith.

Han har de senere år vært en hyppig brukt fordragsholder i Sivilingeniørforeningen, og som konsulent hos norske produsenter og brukermiljøer, i disse dager på Haukeland sykehus.

-- Men hva er det for noe galt som skjer ved kilden, i selve strømforsyningen?

-- Selv dette er ganske komplisert. En strømforsyning suger varierende mengder elektrisk energi fra nettet per tidsenhet. Dette medfører at sinusformen på nettstrømmen periodevis blir skamklippet i toppen, ja nesten ser firkantet ut, med steile «puls»-flanker. Her finnes det mye overharmonisk dritt. Og er det noe som smitter over fra én datakrets til en annen, rent elektromagnetisk, så er det overharmonisk støy fra ledninger og kabling som fører mye firkanta strøm, understreker Smith.

-- Men hvordan fikser du slike problemer?

-- Det blir mye skreddersøm, med egne kurser, skjerming, utbytting av UPSer og innsetting av nye strømforsyninger. Men fra 1. januar kommer det nye EU/EFTA-normer, og da blir det nok bedre. Disse normene dekker også innstrålt, ytre elektromagnetisk energi, støy. Et problem for Norge er at så få eksportører og leverandører har forstått alvoret. Uten det spesielle CE-merket er man utestengt fra markedet, eller må betale store bøter.

-- Så vidt jeg kjenner til er det eksempelvis bare én norsk PC-produsent som har dette i orden. Normene gjelder også for videresalg av elektrisk utstyr, datamaskiner inklusive, i hele EF/EFTA-området. Den PC-importør som prøver å selge ikke-merkede PCer i Norge etter 1. januar, kan brenne seg, avslutter Smith.

TROUBLE: Strømforsynings-elektronikken i datamaskinene samarbeider ofte ikke særlig godt med lysnettet. Mange irritasjonsmomenter og feil oppstår på dette nivå. Det er snakk om teknologisk steinaldernivå i forhold til mikroprosessoren. Per Smith er en uhyre erfaren trouble-shooter, med bakgrunn fra IBM, Skandinavisk Elektronikk, SEAS og Norsk Data. (Foto: Laila B.

Artikkel automatisk generert, 27/10-95, kl. 17.28 cw@oslonett.no