Цією публікацією ми розпочинаємо цикл перекладів чудових статей, які популярно розповідають про принципи роботи сучасних мікропроцесорів.

Сучасні процесори увібрали в себе так багато технологій, що за покращеннями та надбудовами легко можна втратити з уваги ті принципи, які сьогодні лежать в основі сучасних комп'ютерних технологій. Починатимемо з основ, повернувшись за часів технічної переваги процесорів DEC Alpha та виходу на ринок AMD Athlon.

Все нове – добре розвинене старе

Ви коли-небудь запитували, чому процесори Alpha здатні досягати таких високих швидкостей? Чому ядро Intel P6 зможе досягти 800 МГц і більше, а ядро К6 швидше за все ніколи? І чому AMD стверджує, що ядро К7 розраховане на високі частоти?

Ну що ж, настав час з'ясувати, в чому справа. Ця стаття є першою в серії статей, метою якої є роз'яснити, що робить процесор швидким. Ми пильно поглянемо під панцир цим цифродробилкам. Повірте, там є на що подивитись. І не турбуйтеся: ціль цієї статті пояснити, а не закидати розумними словами. Тож уперед!

Процесори 5-7 покоління. Вони вже такі різні...

Досить цікаво: коли процесори Alpha "літали" на дивовижній тоді швидкості в 700 МГц, AMD були все ще на 450 МГц, а Intel тільки-но дістався до 500 МГц. Ця відмінність стає ще більш помітною, якщо врахувати той факт, що Alpha досягала 533-600 МГц ще на 0,35 мкм процесорах! AMD і Cyrix ніколи не могли вичавити зі своїх 0,35 процесорів більше ніж 233 МГц. Так що більше не дозволяйте комусь говорити вам, що все залежить від тих процесу!

Як отримати високі частоти

На питання, чому деякі процесорів швидше за інші, зазвичай отримуєш три відповіді:
1) Кращі виробничі можливості (передові технології, більш тонкий процес)
2) Менший розмір процесора та нижча тепловіддача.
3) Глибокі конвеєри

А тепер давайте подивимося на цифри:


Процесор		Рік запуску	Техпроцес,мкм	Розмір кристала, мм2	Макс. частота, МГц	Spec Int 95	Spec FP 95
Intel	P II	97	0,35	203	300	11,9	8,6
AMD	K6	97	0,35	168	233	7,1	3,9
Sun	UltrSparc lli	98	0,35	156	360	15,2	19,9
DEC	Alpha 21164	95	0,5	299	333	9,8	13,4
DEC	Alpha 21164a	97	0,35	209	600	18,4	21,4
DEC	Alpha 21264	98	0,25	302	667	40	60
HP	PA-RISC 8200	97	0,5	345	220	15,5	25

Хоча DEC зазвичай сама виробляла свої процесори Alpha, останнім часом (до продажу процесорного бізнесу легендарної компанії корейському Samsung'у) кристали для DEC вироблялися на фабриках Intel, виробничий процес яких був кращим. Процесори на 0,25 мкм тих процесів з'явилися у Intel помітно раніше, ніж у DEC. Знову ж таки, як ми вже зазначали, Alpha працювали набагато швидше.

Мінімальний розмір кристала? Але кристали процесорів Alpha та HP просто величезні! І це не заважає їм обходити набагато менші за розмірами процесори від Intel і AMD (використовуючи той самий процес, звичайно).

Winchip IDT був дуже малий, і процесори AMD завжди були меншими за їх аналоги від Intel. Але зовсім не допомогло їм у протиборстві з Intel. Виходить, що не все залежить від процесу виробництва.

Глибокий конвеєр? Це відповідь, що ні про що не говорить. Як може глибокий конвеєр допомогти досягти високих мегагерців? І взагалі, що собою являє глибокий конвеєр?

Ваш перший мікропроцесор

Щоб відповісти на наші запитання, нам доведеться зібрати свій власний маленький процесор. Перше, що вам слід дізнатися, це те, що головні події в процесорі розгортаються в так званому "Арифметико-логічному пристрої" або просто АЛУ. Це саме той відділ процесора, де відбувається безпосередньо обробка даних. Дані ж АЛУ отримує з регістрів.

Воно зчитує дані з регістрів, здійснює певні обчислення (наприклад, додавання, віднімання, збільшення на одиницю, логічне "або", і т.д.), а потім заносить результати обчислень назад у регістри. Згодом ці дані (через кеш) повертаються в основну пам'ять.

Таким чином, можна зробити висновок, що регістри повинні бути дуже швидкими, інакше АЛУ простоюватиме під час запису та зчитування даних.

Отже, протягом одного такту ми і зчитуємо дані з регістру, і записуємо їх у нього! Іншими словами, якщо у вас, наприклад, у регістрі Z зберігається число X, а АЛУ, за інструкцією, слід, скажімо, додати до нього одиницю, то можна записати число відповіді в той регістр. Хм, і невже це минеться без проблем? Загалом кажучи, не зовсім. Тоді, тоді розбиратися що робить процесор протягом такту.

Як відомо, усі сучасні мікропроцесори є синхронними. Іншими словами там є лічильник, який регулярно посилає сигнали, що є, в ідеалі, чергування прямокутних імпульсів. При "падінні" імпульсу ми виставляємо затвори регістрів (чорні та сині стрілки), робиться це для того, щоб дані, що надходять з L1 кешу (сині стрілки, що вказують на регістри) записалися у правильний регістр. Крім цього, якщо, ви звернули увагу, на малюнку зображені чотири горизонтальні стрілки зліва від АЛУ. Це – шина команд. Нею передаються інструкції для АЛУ. (На процесорі ми можемо зробити до 2^4=16 різних команд). На все це йде дуже короткий час Dsignal. Воно займає лише невелику частину такту.

Потім належні дані слід відправити по шині (червоно-жовта стрілка) АЛУ. На доставку також йде деякий час (DB), так як перш ніж АЛУ почне проводити обчислення, значення чисел у регістрах повинні добре встановити.

Якщо все виконано, АЛУ приступає до роботи. Після обчислень (DАЛУ) результати передаються шині даних регістрів (ще DR). При "підйомі" наступного імпульсу вони завантажуються в регістри.

У цьому полягає основна концепція сучасних мікропроцесорів: у кожному циклі є сигнал, який перемикає певні тригери. Наприклад, у регістри можна завантажувати дані лише на початку ("підйомі") імпульсу, а зчитувати тільки в кінці (завантаження в цей час блокується). Саме тому АЛУ може протягом (?) одного циклу і вважати, і записати дані в регістр.

Сказане вище допоможе відповісти нам на наше споконвічне питання: як отримати високу тактову частоту. Зрозуміло, що висока частота означає малий час між послідовними імпульсами. Зрозуміло також (див. рис.), що цей час не може бути меншим ніж сума часів D Sig, D B, D ALU, та D R (плюс ще небагато, для підстрахування). В іншому випадку може виявитися так, що ми, наприклад, почнемо завантажувати нові дані, перш ніж результати будуть відповідним чином занесені в регістри.

Отже, якщо ми здатні зменшити якийсь із D , ми зможемо збільшити частоту. Три можливі способи:
1) Зробити те щоб дані йшли через процесор швидше.
2) Скоротити час обчислень.
3) Робити якнайменше операцій протягом одного циклу.

…щоб йшли швидше

Змусити потік бітів ходити у процесорі швидше непросто. По-перше, потрібно наскільки це можливо, зменшити кількість перешкод на шляху електронів. Це залежить від технології виробництва та температури кристала. Чим краща технологія, тим краще кінцевий продукт.

А температура? Вона то тут до чого? А при тому, що атоми в кристалічній решітці знаходяться в тепловому русі, і амплітуда його пропорційна температурі. А чим більше амплітуда, тим менше шансів у електрона проскочити повз атом. Таким чином, чим нижча температура, тим більше безперешкодно рухаються електрони. Саме тому охолоджені процесори працюють швидше.

Ще один спосіб зменшити час проходження бітів полягає в скороченні прохідного ними шляху. І тому слід зменшити розміри транзисторів, як наслідок, відстань з-поміж них. Такий підхід дозволив Intel та AMD досягти 600 МГц; вони збиралися виготовити 0,18 мікронні процесори замість більш «громіздких» 0,25-х.

…зменшити час обчислень

Машини добре вміють робити паралельно кілька речей. Тому якийсь накручений блок для складання зможе складати швидше, ніж простіша конструкція, скорочуючи, таким чином, D ALU. Втім, тут не все так просто: складний пристрій, звичайно, вважає швидко, зате він і більше.

…робити менше операцій

Поліпшити технологію виробництва – легко сказати та важко зробити. Це коштує бісову купу грошей. Таке називають «методом грубої сили». Невже немає інтелектуальнішого підходу? Адже зрештою інженери з Alpha просто сміються над 500 МГц на 0,25 мкм процесорі; вони досягли 600 МГц на 0,35!

Давайте спробуємо модернізувати наш процесор, інакше він зможе працювати тільки на 10 МГц, і то, якщо пощастить. (Знайдете такий у місцевому магазині, не в жодному разі не беріть!).

Можна скоротити обсяг роботи виробленої протягом одного циклу. Замість 7 операцій за один цикл будемо робити один. Тоді, очевидно, можна буде скоротити тривалість циклу.

Звучить дуже дивно. Адже в такому випадку та сама процедура займе в 7 разів довше часу! Ну, хіба це не повна нісенітниця? А ось і ні, ось тут ми і стикаємося з конвеєрами.

Використання конвеєра дозволяє всім пристроям процесора виконувати свою роботу одночасно. Нехай, наприклад, у нашому процесорі є 4 пристрої:
Fetcher -шукає таку інструкцію.
Декодер –з'ясовує зміст інструкції.
АЛУ -виконує інструкції.
Retire блок- Повертає результати на згадку.

Отже, якщо в нашій схемі використовуються конвеєри, процес буде виглядати так: fetcher отримує інструкцію 4, decoder декодує інструкцію 3 АЛУ виконує інструкцію 2 а результат інструкції 1 відправляється назад в пам'ять. Отже, наприкінці кожного такту ми маємо виконану інструкцію.


Такт	Fetcher	Decoder	АЛУ	Retire
1	інструкція 1
2	інструкція 2	інструкція 1
3	інструкція 3	інструкція 2	інструкція 1
4	інструкція 4	інструкція 3	інструкція 2	інструкція 1
5	інструкція 5	інструкція 4	інструкція 3	інструкція 2
6	інструкція 6	інструкція 5	інструкція 4	інструкція 3
7	інструкція 6	інструкція 6	інструкція 5	інструкція 4
8	інструкція 7	інструкція 7	інструкція 6	інструкція 5
9	інструкція 8	інструкція 8	інструкція 7	інструкція 6

На щастя, глибока конвеєризація не єдиний спосіб збільшити частоту. Можна робити більше операцій паралельно. Адже саме кількість операцій, зроблених послідовно, визначає мінімальну тривалість циклу.

Збираємо разом

Якщо ви пам'ятаєте, сімейство К-6 мало 6 рівневий конвеєр. А у PII їх було 12! І хоча К6 був краще і АЛУ (DАЛУ менше), і декодери (вони роблять багато паралельно), К6-3 було дуже складно досягти частоти PII при тій же технології виробництва. Межа для.35 мікронного К6 дорівнює 233 МГц, а для такого ж PII 300 МГц. (теж саме можна сказати і про протистояння наступних поколінь: Athlon і P4).

Ultrasparc II використовує конвеєр з 9 стадіями, але слід врахувати той факт, що RISC процесори не потребують великого обсягу декодування. На один тільки фетчинг і декодування у PII йде 7 циклів, у той час як у UltraSPARC лише 3. Так що, в певному сенсі, UltraSPARC конвеєризація глибше.

Конвеєр Alpha складається з 7 стадій (10 у FPU), але й у нього, в порівнянні з PII, декодування проблем менше. До того ж, інженери Alpha роблять кожну стадію настільки простою, наскільки це можливо. Домагаються вони цього, змушуючи робити процесор якомога більше операцій паралельно. Тривалість такту таким чином зменшується до мінімуму. За що, втім, доводиться платити: процесори Alpha просто великі (302 мм2 у Alpha 21264).

Чи розумієте ви тепер чому латентність конвеєризованого FPU К7 (4 такти на додавання, 4 такти на множення) зросла порівняно з К6 (2 на додавання, 2 на множення)? FPU К7 робить менше роботи за один такт ніж К6, що дозволяє йому досягати багато великих частот. 10 рівневий конвеєр для цілих операцій (15 для FPU) дозволило К7 досягти таких частот, про які К6 міг тільки мріяти…Cyrix робило те саме з Jalapeno (зараз це VIA C3).

Звичайно ж, не слід забувати, що частота не єдине, що робить процесор швидким. Про інші «трюки» ми розповімо в наступній статті.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

РОСІЙСЬКА ФЕДЕРАЦІЯ

ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ

БРЯНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТІМЕНІ АКАДЕМІКА І.Г. ПЕТРОВСЬКОГО

СОЦІАЛЬНО-ЕКОНОМІЧНИЙ ІНСТИТУТ

ФІНАНСОВО-ЕКОНОМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗОВАНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ «ПРИКЛАДНА ІНФОРМАТИКА В ЕКОНОМІЦІ»

КУРСОВА РОБОТА

СУЧАСНІ МІКРОПРОЦЕСОРИ

Утримання

Вступ

Визначення мікропроцесора

Сучасні процесори INTEL

Мікропроцесор Pentium M

Intel Core 2 Quad

Мікропроцесор К5

Мікропроцесор К6

Мікропроцесор К7

Висновок

Список літератури

Вступ

Розвиток персональних комп'ютерів у світі спричинило і розвиток мікропроцесорів. Тенденції розвитку сучасних технологій виготовлення процесорів та їх застосування з кожним роком набирають дедалі більших обертів. Застосовуються нові нано-технології, збільшується кількість ядер одному кристалі, зростає розрядність процесорів, збільшується кеш пам'ять всіх рівнів, застосовуються нові набори інструкцій та багато іншого. Саме тому ця тема сьогодні вважається найбільш актуальною для розгляду в цій роботі. Метою моєї роботи є вивчення пристрою мікропроцесорів, дізнатися його технології виготовлення та розглянути види сучасних мікропроцесорів. Об'єктом вивчення є мікропроцесор та його основні функції. Предметом вивчення є види сучасних мікропроцесорів.

В основі будь-якої ЕОМ лежить використання мікропроцесорів. Це найважливіший пристрій будь-якого комп'ютера. Саме від нього залежить рівень продуктивності будь-якого комп'ютера, і не лише персонального. Мікропроцесори оточують людину скрізь. Будь-яка електроніка у суспільстві забезпечена своїм мікропроцесором.

Завданням моєї курсової роботи є:

Проаналізувати тенденції розвитку сучасних мікропроцесорів.

Виявити їх значущість суспільству.

Спробувати зробити приблизні прогнози щодо їх майбутнього розвитку.

Визначення мікропроцесора

Мікропроцесор - центральний пристрій (або комплекс пристроїв) ЕОМ (або обчислювальної системи), яке виконує арифметичні та логічні операції, задані програмою перетворення інформації, керує обчислювальним процесом та координує роботу пристроїв системи (запам'ятовувальних, сортувальних, введення - виведення, підготовки даних та ін.) .). У обчислювальній системі може бути кілька паралельно працюючих процесорів; такі системи називають багатопроцесорними. Наявність кількох процесорів прискорює виконання однієї великої чи кількох (зокрема взаємозалежних) програм. Основними характеристиками мікропроцесора є швидкодія та розрядність. Швидкодія - це число операцій, що виконуються в секунду. Розрядність характеризує обсяг інформації, який мікропроцесор обробляє за одну операцію: 8-розрядний процесор за одну операцію обробляє 8 біт інформації, 32-розрядний - 32 біти, 64-розрядний - 64 біти. Швидкість роботи мікропроцесора багато в чому визначає швидкодію комп'ютера. Він виконує всю обробку даних, які у комп'ютер і які у його пам'яті, під керуванням програми, також у пам'яті. Персональні комп'ютери оснащують центральними процесорами різних потужностей.

Функції процесора:

обробка даних за заданою програмою шляхом виконання арифметичних та логічних операцій;

програмне керування роботою пристроїв комп'ютера.

Моделі процесорів включають такі спільно працюючі пристрої:

Пристрій керування (УУ).Здійснює координацію роботи решти пристроїв, виконує функції управління пристроями, управляє обчисленнями на комп'ютері.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Так називається пристрій для цілих операцій. Арифметичні операції, такі як додавання, множення та поділ, а також логічні операції (OR, AND, ASL, ROL та ін) обробляються за допомогою АЛУ. Ці операції складають переважну більшість програмного коду більшості програм. Усі операції в АЛУ виробляються у регістрах - спеціально відведених осередках АЛУ. У процесорі може бути кілька АЛП. Кожне здатне виконувати арифметичні чи логічні операції незалежно від інших, що дозволяє виконувати кілька операцій одночасно. Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні та логічні дії. Логічні операції діляться на дві прості операції: "Так" і "Ні" ("1" та "0"). Зазвичай ці два пристрої виділяються суто умовно, конструктивно вони розділені.

AGU (Address Generation Unit)- Влаштування генерації адрес. Цей пристрій не менш важливий, ніж АЛУ, т.к. воно відповідає за коректну адресацію під час завантаження чи збереження даних. Абсолютна адресація в програмах використовується лише в окремих винятках. Як тільки беруться масиви даних, у програмному коді використовується непряма адресація, що змушує AGU працювати.

Математичний співпроцесор (FPU). Процесор може містити кілька математичних співпроцесорів. Кожен з них здатний виконувати щонайменше одну операцію з плаваючою точкою незалежно від того, що роблять інші АЛУ. Метод конвеєрної обробки даних дозволяє одному математичному співпроцесору виконувати кілька операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як цілочисленні, і з плаваючою точкою і, крім того, містить набір корисних констант, що прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним процесором, забезпечуючи таким чином високу продуктивність. Система виконує команди співпроцесора у порядку, у якому з'являються у потоці. Математичний співпроцесор персонального комп'ютера IBM PC дозволяє виконувати швидкісні арифметичні та логарифмічні операції, а також тригонометричні функції з високою точністю.

Дешифратор інструкцій (команд). Аналізує інструкції з метою виділення операндів та адрес, за якими розміщуються результати. Потім слідує повідомлення іншому незалежному пристрою про те, що необхідно зробити для виконання інструкції. Дешифратор допускає виконання кількох інструкцій одночасно завантаження всіх виконуючих пристроїв.

Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором та оперативною пам'яттю, а також для зберігання копій інструкцій та даних, які нещодавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті виймаються безпосередньо без звернення до основної пам'яті. При вивченні особливостей роботи програм було виявлено, що вони звертаються до тих чи інших областей пам'яті з різною частотою, а саме: клітинки пам'яті, до яких програма зверталася нещодавно, швидше за все, буде використано знову. Припустимо, що мікропроцесор здатний зберігати копії цих інструкцій у своїй локальній пам'яті. У цьому випадку процесор зможе щоразу використовувати копію цих інструкцій протягом усього циклу. Доступ до пам'яті знадобиться на початку. Для зберігання цих інструкцій необхідний невеликий обсяг пам'яті. Якщо інструкції в процесор надходять досить швидко, то мікропроцесор не витрачатиме час на очікування. Таким чином, економитися час на виконання інструкцій. Але для швидкодіючих мікропроцесорів цього недостатньо. Вирішення проблеми полягає у поліпшенні організації пам'яті. Пам'ять усередині мікропроцесора може працювати зі швидкістю самого процесу

Кеш першого рівня (L1 cache).Кеш-пам'ять, що знаходиться всередині процесора. Вона швидше за всіх інших типів пам'яті, але менше за обсягом. Зберігає нещодавно використану інформацію, яка може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.

Кеш другого рівня (L2 cache). Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, зате за обсягом пам'яті він більше. Також у процесорах використовується кеш третього рівня.

Основна пам'ять.Набагато більше за обсягом, ніж кеш-пам'ять, та значно менш швидкодіюча.

Багаторівнева кеш-пам'ять дозволяє зменшити вимоги найбільш продуктивних мікропроцесорів до швидкодії основної динамічної пам'яті. Так, якщо скоротити час доступу до основної пам'яті на 30%, то продуктивність добре сконструйованої кеш-пам'яті підвищиться лише на 10-15%. Кеш-пам'ять, як відомо, може досить сильно впливати на продуктивність процесора залежно від типу операцій, що виконуються, проте її збільшення зовсім не обов'язково принесе збільшення загальної продуктивності роботи процесора. Все залежить від того, наскільки програма оптимізована під цю структуру і використовує кеш, а також від того, чи поміщаються різні сегменти програми в кеш повністю або шматками.

Кеш-пам'ять не тільки підвищує швидкодію мікропроцесора при операції читання з пам'яті, але в ній також можуть зберігатися значення записуються процесором в основну пам'ять; записати ці значення можна буде пізніше, коли основна пам'ять не буде зайнята. Така кеш-пам'ять називається кешем із зворотним записом (write back cache). Її можливості та принципи роботи помітно відрізняються від характеристик кеша зі наскрізним записом (write through cache), який бере участь лише в операції читання з пам'яті.

Шина- це канал пересилання даних, використовуваний спільно різними блоками системи. Шина може являти собою набір провідних ліній у друкованій платі, дроти, припаяні до висновків роз'ємів, які вставляють друковані плати, або плоский кабель. Інформація передається по шині як груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина) або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина). До шини може бути підключено багато приймальних пристроїв – одержувачів. Зазвичай дані на шині призначаються лише одного з них. Поєднання керуючих та адресних сигналів визначає для кого саме. Керівна логіка збуджує спеціальні стробуючі сигнали, щоб вказати одержувачу, коли слід приймати дані. Одержувачі та відправники можуть бути односпрямованими (тобто здійснювати тільки або передачу, або прийом) та двоспрямованими (здійснювати і те, й інше). Однак найшвидша процесорна шина не дуже допоможе, якщо пам'ять не зможе доставляти дані з відповідною швидкістю.

Типи шин:

Шина даних.Служить для передачі даних між процесором і пам'яттю або процесором і пристроями введення-виводу. Ці дані можуть бути як команди мікропроцесора, так і інформацію, яку він посилає в порти введення-виводу або приймає звідти.

Шина адрес.Використовується ЦП для вибору необхідної комірки пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом встановлення на шині конкретної адреси, що відповідає одному з осередків пам'яті або одного з елементів введення-виведення, що входять до системи.

Шина керування.Нею передаються керуючі сигнали, призначені пам'яті та пристроїв введення-виведення. Ці сигнали вказують напрямок передачі даних (у процесор або з нього).

BTB (Branch Target Buffer)- Буфер цілей розгалуження. У цій таблиці знаходяться всі адреси, куди буде або може бути перехід. Процесори Athlon ще використовують таблицю історії розгалужень (BHT - Branch History Table), яка містить адреси, якими вже здійснювалися розгалуження.

Реєстри– це внутрішня пам'ять процесора. Є рядом спеціалізованих додаткових осередків пам'яті, а також внутрішніми носіями інформації мікропроцесора. Регістр є пристроєм тимчасового зберігання даних, числа або команди та використовується з метою полегшення арифметичних, логічних та пересилочних операцій. Над вмістом деяких регістрів спеціальні електронні схеми можуть виконувати деякі маніпуляції. Наприклад, "вирізати" окремі частини команди для подальшого їх використання або виконувати певні арифметичні операції над числами. Основним елементом регістра є електронна схема, яка називається тригером , яка здатна зберігати одну двійкову цифру ( розряд). Регістр є сукупністю тригерів, пов'язаних один з одним певним чином загальною системою управління. Існує кілька типів регістрів, що відрізняються видом виконуваних операцій.

Деякі важливі регістри мають свої назви, наприклад:

суматор- Регістр АЛУ, що бере участь у виконанні кожної операції.

лічильник команд- Регістр УУ, вміст якого відповідає адресою чергової команди, що виконується; служить для автоматичної вибірки програми із послідовних осередків пам'яті.

регістр команд- Регістр УУ для зберігання коду команди на період часу, необхідний для її виконання. Частина його розрядів використовується зберігання коду операції, інші -- зберігання кодів адрес операндов.

Історія розвитку сучасних мікропроцесорів

Історія розвитку Сучасних мікропроцесорів починається з винаходу транзистора 1948 р, який витіснив електронні лампи. Сам собою транзистор вміє дуже небагато: або пропускати через себе струм, або перекривати йому дорогу далі ланцюгом. Досягається це завдяки використанню спеціальних матеріалів – «напівпровідників». Один транзистор міг замінити 40 електронних ламп. У 1955 році фірма Bell Laboratories створила перший транзисторний комп'ютер другого покоління. 1960 р. Компанія DEC випустила на ті часи «міні»-комп'ютер, який вміщувався в невеликій кімнаті-PDP-1. Але еволюція на цьому не зупинилася і до 60-х років навчилися випускати інтегральні схеми. Перші з них містили всього 6 транзисторів, пізніше їх число почало зростати в геометричній прогресії. Нині кількість транзисторів на інтегральній мікросхемі зашкалює за кілька десятків мільйонів.

Початок 70-х років ознаменувався народженням нового і, як виявилося, дуже перспективного і безпрецедентного за своїми наслідками напрямки у розвитку обчислювальної техніки - в 1971 р. був випущений перший у світі мікропроцесор. Це був однокристальний мікропроцесор, який отримав назву 4004 (4-розрядна шина даних та 16-контактний корпус). Процесор Intel 4004 став технологічним тріумфом корпорації: пристрій розміром з палець, коштував 200 доларів, і було порівняно за своєю обчислювальною потужністю з першої ЕОМ ENIAC, створеної в 1946 р., і займала простір обсягом 85 куб. метрів. Нова технологія практично відразу лягла в основу створення програмованих калькуляторів з величезним, на ті часи (від 4-х до 64-х кілобайт) обсягом оперативної пам'яті, здатних обробляти масиви даних. Спочатку процесор 4004 призначався для японської компанії Busicom. Але через фінансові труднощі японці відмовилися від проекту, і розробка перейшла до рук Intel. Поява мікропроцесора змінила весь ринок мікроелектроніки, а саме поява тих самих комп'ютерів, на яких ми працюємо сьогодні.

Як це не було б парадоксально, але одразу після появи процесора 4004 Intel втратила лідерство на ринку. Насамперед це компанії ZILOG та MOTOROLA – були лідерами процесорного ринку у 70-х роках. Але Intel створила новий процесор, який став прототипом сучасних процесорів персональних комп'ютерів. Це був восьмирозрядний процесор i8008 (1972). i8080 був основою першого у світі персонального комп'ютера Altair. Всі процесори х86 – це далекі нащадки i8080. Незважаючи на своє величезне значення і великий обсяг продажів, на ринку цей процесор потіснив вдалий Zilog-80, який, у свою чергу, був зобов'язаний такою популярністю i8080. Процесор Z-80 створила група інженерів, які раніше працювали в Intel і брали участь у розробці i8080.

У 80-х роках Intel відкрила епоху високопродуктивного настільного комп'ютерного обладнання. У 1982 р. вийшов сучасний, на той час, мікропроцесор i286, який вже тоді, крім нечуваної продуктивності, мав, у зародковому вигляді, можливості забезпечення багатозадачного режиму і захищеного режиму (Protected Mode). Також він підтримував звернення до пам'яті, що розширюється (EMS), об'ємом до 8 MB. 1985 р. з'явився мікропроцесор i386. Процесор i386 мав не лише завершену систему підтримки багатозадачного режиму, механізм захисту сегментів, а й міг оперувати оперативною пам'яттю обсягом до 64MB.

Поліпшення технології виробництва мікропроцесорів дозволило значно підвищити їхню тактову частоту. Кожне нове покоління процесорів має нижчу напругу живлення і менші струми, що сприяє зменшенню тепла, що виділяється ними. Але найголовнішим досягненням і те, що з зменшенні норми технологічного процесу можна значно збільшити кількість транзисторів однією кристалі. Більша кількість транзисторів, що входять до складу процесора, дозволяє удосконалити архітектуру процесора з метою досягнення більшої продуктивності. Навіть розрядність процесорів дуже швидко збільшилася з 4 у першому процесорі до 32 у процесорі i386.

Значною віхою історія розвитку архітектури процесорів персональних комп'ютерів (чергова революція) стала поява процесора i486. Виробничий техпроцес на той час досяг позначки 1 мкм, завдяки чому вдалося розташувати в ядрі процесора 1,5 млн. транзисторів, що було майже в 6 разів більше, ніж у CPU попереднього 386-го покоління. Він був у 1500 рази швидше за свого "прапрадіда" i4004. В архітектурі процесора персонального комп'ютера вперше з'явився конвеєр п'ять стадій. Конвеєрні обчислення були, звичайно, відомі задовго до появи персональних комп'ютерів, але високий рівень інтеграції тепер дозволив застосувати цей ефективний спосіб обчислень і в персональному комп'ютері. На одному кристалі Intel розмістила і процесор, і математичний співпроцесор, і кеш-пам'ять L1, які до цього розташовувалися в окремих мікросхемах. Ця революція відбулася через 20 років після появи першого мікропроцесора, у жовтні 1989 року. 486-й мікропроцесор мав достатню для того часу швидкодію. Тактова частота процесора навіть перевищила тактову частоту системної шини.

З моменту випуску 486 процесора технологічний процес виробництва мікропроцесорів почав розвиватися бурхливими темпами. У 90-х роках почалася ера Pentium. Практично щороку компанія Intel випускала дедалі більш досконалі мікропроцесори. p align="justify"> Процесор Pentium здійснив переворот в комп'ютерній індустрії персональних комп'ютерів. Вартість мікропроцесорів стала падати, а отже ПК став доступнішим для всіх верств населення. Комп'ютер став по-справжньому персональним. Це означає орієнтований на простого користувача, який володіє глибокими знаннями у цій галузі.

За такого стрімкого прогресу мікропроцесорної та комп'ютерної індустрії цілком можливо, що до 2011 р. мікропроцесори працюватимуть на тактовій частоті до 10 ГГц. У цьому число транзисторів кожному процесорі досягне 1 мільярда, а обчислювальна потужність - 100 мільярдів операцій на секунду. мікропроцесор intel компанія pentium

Структура ринку сучасних мікропроцесорів

Домінуюче становище над ринком універсальних мікропроцесорів займають мікропроцесори із системою команд х86. основними виробниками яких є компанії Intel, AMD та VIA. Щорічне зростання випуску таких мікропроцесорів становить 10-15%. Частка інших мікропроцесорів з RISC-архітектурою становить близько 20% ринку.

В даний час виробляються та використовуються обчислювальні системи на базі мікропроцесорів наступних архітектур. (Таблиця 1)

Таблиця 1. Найпоширеніші мікропроцесорні архітектури.

Мікропроцесорна архітектура	Компанія-розробник
	Intel, AMD, Cyrix, IDT, Transmeta

	Motorola, IBM, Apple


	Hewlett-Packard(DEC)

Історично мікропроцесори з архітектурою х86 домінували в персональних ЕОМ, а RISC-процесори використовувалися в робочих станціях, високопродуктивних серверах та суперкомп'ютерах. В даний час процесори з архітектурою х86 дещо потіснили RISC-процесори в їх традиційних сферах застосування, в той же час деякі виробники робочих станцій, наприклад SUN, намагаються вийти зі своїми процесорами на ринок персональних ЕОМ.

На сьогоднішній день основні виробники мікропроцесорів мають приблизно рівні технологічні можливості, тому в "боротьбі за швидкість" на перше місце виходить фактор архітектури. Архітектура мікропроцесорів протягом ряду років розвивається за двома магістральними напрямками. У межах кожного напрями у тому чи іншою мірою використовуються раніше розглянуті архітектурні прийоми підвищення продуктивності, але є й власні пріоритети.

Перший напрямок отримав умовну назву Speed Daemon. Воно характеризується прагненням до досягнення високої продуктивності головним чином за рахунок високої тактової частоти за вказаної внутрішньої структурної організації мікропроцесора.

Другий напрямок - Drainiac - пов'язане з досягненням високої продуктивності за рахунок ускладнення логіки планування обчислень та внутрішньої структури процесора. Кожен із напрямів має своїх супротивників і прибічників і, очевидно, декларація про існування.

Компанії - виробники RISC-процесорів створили та активно розвивають свої мікропроцесорні архітектури, забезпечуючи зворотну програмну сумісність між поколіннями мікропроцесорів одного сімейства при зменшенні технологічних норм виробництва та збільшенні продуктивності.

Загальною особливістю більшості RISC-мікропроцесорів є високошвидкісна обробка 64-розрядних операндів з фіксованою та плаваючою точкою. Побудова функціональних вузлів таких мікропроцесорів вимагає складних схемотехнічних рішень, що обумовлює використання великої кількості транзисторів у логічних схемах процесора та великої кількості; шарів металізації для здійснення міжз'єднань.

У пошуках способів досягнення максимальної продуктивності розробники мікропроцесорів з RISC-архітектурою все частіше дозволяють собі відходити від її канонічних принципів. У той же час, в мікропроцесорах CISC-архітектури, яскравими представниками яких є сімейство х8б, впроваджуються рішення, напрацьовані при створенні RISC-процесорів.

У цьому розділі, на прикладах мікропроцесорів різних компаній-виробників, буде розглянуто основні архітектурно-технічні рішення, що використовуються в даний час при створенні мікропроцесорів.

Сучасні процесори INTEL

Компанія Intel є одним із передових у виробництві сучасних мікропроцесорів. Компанію заснували Роберт Нойс та Гордон Мур у 1968 році. Intelперекладається з англійської «інтегральна електроніка». Бізнес-план компанії був роздрукований на друкарській машинці Робертом Нойсом і займав лише одну сторінку. Надавши його банку, новостворена компанія отримала кредит 2, 5 мільйонів доларів.

Компанія стала успішною у 1971 році, коли Intel розпочав співпрацю з японською компанією Busicom. Intel отримав замовлення на дванадцять спеціалізованих мікросхем, але на пропозицію інженера Теда Хоффа компанія розробила один універсальний мікропроцесор Intel 4004. Продуктивність цього процесора була порівнянна з продуктивністю найпотужніших комп'ютерів того часу. Наступним було розроблено Intel 8008.

У 1990-ті компанія стала найбільшим виробником домашніх персональних комп'ютерів. Серії процесорів Pentium і Celeron досі є найпоширенішими.

Мікропроцесор Pentium M

Одним із останніх досягнень компанії Intel, покликаним надати користувачам нові можливості мобільної роботи, стала розробка технології Centrino. Ця технологія передбачає використання в комп'ютері нових мікропроцесорів Pentium M (на стадії розробки мікропроцесор мав кодову назву Banias), нового чіпсету Intel 855 та засобів доступу до бездротових мереж передачі даних сімейства стандартів 802.11.

Основними рисами систем, побудованих за технологією Centrino, є: низьке енергоспоживання, що забезпечується "інтелектуальною" системою управління частотою мікропроцесорного ядра та напругою живлення - Enhanced SpeedStep, малі масогабаритні характеристики за рахунок реалізації більшості системних функцій у високопродуктивному чіпсеті, а також розширені комунікаційні можливості завдяки наявності вбудованого контролера радіо-Ethernet.

Мікропроцесор Pentium M, що є основним елементом технології Centrino, містить низку нових рішень, що відрізняють його від мобільних версій мікропроцесорів Pentium III і Pentium 4. До них належать:

удосконалене прогнозування розгалужень. У мікропроцесорі Pentium M одночасно використовуються три різні алгоритми передбачення розгалужень, що виконують аналіз умовних та безумовних переходів, циклів, а також передісторії виконання програми. При ухваленні рішення обираються результати найточнішого прогнозу;

поєднання мікрооперацій. Мікропроцесор об'єднує для одночасного виконання різних функціональних блоках кілька мікрооперацій, є продуктом декодування CISC-команди. Паралельне виконання кількох мікрооперацій суттєво підвищує співвідношення продуктивності/енергоспоживання;

вдосконалене керування стеком. Управління стеком реалізовано лише на рівні мікрооперацій, що дозволило зробити цей процес менш енерговитратним;

покращена технологія управління енергоспоживанням Enhanced SpeedStep. На відміну від попередньої версії цієї технології, що підтримує два співвідношення частота/напруга живлення, Pentium M передбачено більшу кількість співвідношень, що дозволяють забезпечувати необхідну для додатка продуктивність при мінімальному енергоспоживання. Слід зазначити також економію енергії під час роботи з системною шиною (підсилювачі зчитування даних процесора включаються за командою чіпсету лише період прийому даних) і кеш-пам'яттю (активізується лише той фрагмент кешу, якого зараз здійснюється звернення).

Мікропроцесор містить блок векторних операцій SSE2, роздільну кеш-пам'ять команд та даних першого рівня розміром 32 Кбайт кожна, загальну кеш-пам'ять другого рівня розміром I Мбайт. Ефективна частота процесорної шини становить 400 МГц, а частота роботи процесорного ядра - від 0,9 до 1,6 ГГц. Потужність, що споживається мікропроцесором для тактової частоти 1,6 ГГц, становить 24,5 Вт.

Процесор виробляється за технологією 0,13 мкм і містить на кристалі 77 млн. транзисторів.

По продуктивності Pentium M з тактовою частотою 1,7 ГГц можна порівняти з Pentium 4 - 2,5 ГГц. Середня споживана потужність мікропроцесора становить від 1 до 7 Вт, а максимальна - не перевищує 25 Вт.

Core 2 Duo - x86-сумісний процесор. Належить сімейству процесорів Intel Core 2.

Core 2 Duo і Core 2 Extreme, розроблений на основі Intel Pentium M (архітектура Pentium Pro), збагаченим найкращими напрацюваннями архітектури NetBurst і поряд абсолютно нових технологій:

Intel Wide Dynamic Execution - технологія виконання більшої кількості команд за кожен такт, що підвищує ефективність виконання додатків і скорочує енергоспоживання. Кожне ядро процесора може виконувати до чотирьох інструкцій одночасно за допомогою 14-стадійного конвеєра

Intel Intelligent Power Capability - технологія, за допомогою якої для виконання завдань активується робота окремих вузлів чіпа в міру необхідності, що значно знижує енергоспоживання системи в цілому

Intel Advanced Smart Cache - технологія використання спільної для всіх ядер кеш-пам'яті L2, що знижує загальне енергоспоживання і підвищує продуктивність, при цьому, при необхідності, одне з ядер процесора може використовувати весь обсяг кеш-пам'яті при динамічному відключенні іншого ядра

Intel Smart Memory Access - технологія оптимізації роботи підсистеми пам'яті, що скорочує час відгуку і підвищує пропускну здатність підсистеми пам'яті

Intel Advanced Digital Media Boost - технологія обробки 128-розрядних команд SSE, SSE2 і SSE3, що широко використовуються в мультимедійних і графічних додатках, за один такт

Всі процесори Core 2 Duo працюють із тактовою частотою системної шини (Front Side Bus, FSB) 266 МГц, тоді як більшість моделей Pentium 4 та Pentium D використовують 200-МГц шину. За винятком процесорів початкового рівня, всі моделі оснащені 4 Мбайт кешу L2, який використовують обидва процесорні ядра. Всі процесори підтримують 64-бітові розширення Intel (EM64T), мультимедійні інструкції (SSE2 та SSE3), технологію віртуалізації (VT) та біт заборони виконання (XD). Крім цих функцій, всі моделі підтримують останні технології управління енергоспоживанням на зразок Thermal Monitor 2 (TM2), Enhanced Halt State (C1E) та Enhanced SpeedStep (EIST).

В даний час архітектура цього нового процесора є дуже потужною, яка вирішить проблеми багатьох користувачів.

Intel Core 2 Quad

IntelCore 2 Quad- сімейство нових чотириядерних процесорів Intel, в якому об'єднуються два двоядерні кристали на одній платформі. Для виробництва процесора було використано інноваційний 45-нм технологічний процес. Хоча ці процесори і є черговими варіантами широко поширеної мікроархітектури Core, вони становлять чималий інтерес. Справа в тому, що Quad - це не простий результат переведення попередніх 65-нм процесорних ядер на нову виробничу технологію. Вони інженери Intel реалізували низку удосконалень, вкладених у збільшення продуктивності, досягається без зростання тактової частоти. В його основі лежить два напівпровідникові двоядерні кристали Wolfdale, прибрані в єдину процесорну упаковку.

Для освоєння 45-нм технологічного процесу компанія провела величезну науково-дослідну роботу, в рамках якої класичні діелектричні матеріали (зокрема, оксид кремнію), які застосовуються з 60-х років минулого століття для виробництва інтегральних мікросхем, були замінені на принципово нові (з'єднання рідкісноземельного) металу гафнію). Нові 45-нм транзистори використовують металевий затвор замість затвора з полікристалічного кремнію, а також діелектрик з високою діелектричною проникністю (high-k) – силіцид гафнію.

Ці зміни конструкції напівпровідникових елементів дозволяють вирішити відразу кілька нагальних завдань. Новий технологічний процес з нормами 45 нм майже вдвічі піднімає щільність розташування транзисторів на кристалі, а крім того, приблизно на 20% збільшує швидкість перемикання і на 30% знижує необхідну для цього потужність. Як додатковий бонус, завдяки новим матеріалам значно зменшуються і струми витоку: у каналі витік-стік - орієнтовно вп'ятеро, а через діелектрик затвора - приблизно на порядок.

Завдяки новому технологічному процесу Intel збирається протягом наступного року наростити частоти своїх процесорів сімейства Core 2 Quad до 3,0 ГГц, а лінійки Core 2 Duo - до 3,33 ГГц, утримуючи їх у рамках звичних теплових пакетів 95 і 65 Вт, відповідно. Ще тодна перевага нової технології: процесори володітимуть кеш-пам'яттю другого рівня сумарним об'ємом 12 Мбайт: по 6 Мбайт на кожні два ядра.

Іншими словами, із запровадженням нового технологічного процесу жодних змін у будові процесорів із чотирма ядрами не відбулося. Пари ядер також розташовані на різних кристалах і обмінюються даними через системну шину і оперативну пам'ять. Втім, вимір латентності кеш-пам'яті на практиці показує, що у нового процесора при збільшенні в обсязі він став все-таки трохи повільніше.

Разом із збільшенням обсягу кеш-пам'ять нових CPU отримала додаткову функцію "enhanced cache line split load". Мета цього нововведення полягає у прискоренні вибірки з кеш-пам'яті неправильно вирівняних даних, частини яких могли б бути поміщені в одному рядку, але потрапили до різних рядків кешу. Нова функція намагається передбачити такі дані і зробити їх вибірку з кешу настільки ж швидкою, якби вони лежали в одному рядку. Теоретично, це удосконалення може прискорити роботу додатків, робота яких пов'язані з скануванням трактів.

Процесори Quad мають розширення системи SIMD-команд. У новому поколінні CPU Intel ввів підтримку набору SSE4.1, що складається з 47 нових інструкцій. Тим не менш, нові команди, незважаючи на досить велику їх кількість, не являють собою пов'язаної множини, набір SSE4 включає різноманітні доповнення до вже існуючих SIMD-інструкцій. Нові команди, за традицією, повинні будуть допомогти у збільшенні швидкості роботи нових процесорів із тривимірною графікою, з потоковим відео та в цілій низці наукових обчислювальних завдань.

Насамкінець хочеться помітити, що компанія Intel взяла хороший темп зміни технологічних процесів і процесорних архітектур. Як планується, нові мікроархітектури тепер пропонуватимуться Intel кожні два роки, а через рік після їх впровадження процесорні ядра повинні будуть перекладатися на новий техпроцес із внесенням до них деяких невеликих удосконалень. Згідно з цим планом, ближче до кінця наступного року очікує зустріч із принципово новою архітектурою, відомою сьогодні під кодовим ім'ям Nehalem.

Сучасні мікропроцесори компанії АМD

Успішну конкуренцію мікропроцесорів Intel складає продукція компанії AMD. По ряду показників мікропроцесори цієї компанії займають лідируючу позицію. Окремі цікаві архітектурно-технічні рішення, вперше застосовані в мікропроцесорах AMD, згодом набули поширення у виробах інших виробників, у тому числі й у мікропроцесорах компанії Intel.

Мікропроцесор К5

Протягом ряду років AMD, відстаючи від Intel принаймні на одне покоління мікропроцесорів, покладалася в основному на ліцензовану технологію і вносила незначні конструктивні зміни в мікропроцесори, що випускаються. Поява мікропроцесора Pentium створила для AMD пряму загрозу витіснення з ринку, що стимулювало компанію до інтенсифікації робіт зі створення нового сімейства х86-сумісних мікропроцесорів. Роботи над К5 були розпочаті, коли ще не були відомі подробиці про процесор Pentium. Інженерам AMD довелося розробляти власну мікроархітектуру, забезпечуючи сумісність з існуючим програмним забезпеченням для процесорів х86.

Спочатку AMD планувала почати поставки свого мікропроцесора з тактовою частотою 100-120 МГц в 1995 році, проте було випущено лише кілька тисяч таких процесорів, а їх тактова частота склала всього 75 МГц. Основні поставки К5 почалися в першому кварталі 1996 року, після того, як компанія перейшла на 0,35 мкм технологію, розроблену спільно з Hewlett-Packard. Це дозволило довести число транзисторів до 4,2 млн. на кристалі площею 167 мм 2 .

К5 ]68] - це перший мікропроцесор AMD, при створенні якого не використовувалася ніяка інтелектуальна власність Intel (за винятком мікрокоду), в той же час він має кращу в порівнянні з процесорами Intel продуктивністю. Багато програм, такі як Microsoft Excel, Word, CorelDRAW, працювали на процесорах серії К5 на 30% швидше, ніж на Pentium з тією ж тактовою частотою. Така продуктивність досягалася в основному за рахунок збільшеного обсягу кеш-пам'яті та більш прогресивної суперскалярної архітектури. архітектура RISC86, що використовується в мікропроцесорах AMD.

Як відомо, команди х86 відрізняє змінна довжина і складна структура, що ускладнює їхнє декодування та аналіз існуючих залежностей між інструкціями за даними. У пропонованій AMD архітектурі декодер, що є найбільш складною частиною мікропроцесора, розбиває довгі CISC-інструкції на невеликі RISC-подібні компоненти, так звані ROP (RISC-операції).

ROP нагадують команди мікрокоду мікропроцесорів х86. Перші мікропроцесори з архітектурою х86 виконували свій складний набір мікрокоманд, вибираючи із внутрішньої постійної пам'яті мікрокод. В останніх мікропроцесорах х86 використання мікрокоду зведено до мінімуму за рахунок застосування простих команд та їх апаратної реалізації.

На відміну від Pentium, замість двох конвеєрів для паралельного виконання двох цілих операцій, К5 має шість паралельно функціонуючих блоків. Одночасно з цілими операціями можуть виконуватися інструкції з плаваючою точкою, завантаження/збереження або переходу. Блок завантаження/збереження може за один цикл вибирати дві інструкції з пам'яті. Іншою відмінністю від Pentium і те, що К5 може змінювати послідовність виконуваних команд.

Блок виконання операцій із плаваючою точкою (FPU) відповідає стандартам х86, проте за продуктивністю дещо поступається FPU процесору Pentium.

Використане в архітектурі К5 поєднання принципів CISC та RISC дозволило подолати обмеження набору команд х86. Ціною збільшення складності процесора AMD вдалося підвищити його продуктивність, зберігши сумісність із системою команд х86. Останнє дуже важливо з урахуванням широкого поширення програмного забезпечення цієї мікропроцесорної архітектури.

Мікропроцесор К6

Мікропроцесор К6 був випущений в 1997 році за технологією КМОП 0,35 мкм з п'ятишаровою металізацією, містив 8,8 млн. транзисторів на кристалі площею 162 мм 2 , працював з тактовими частотами 166, 200 і 233 МГц і встановлювався в роз'єм.

Як і К5, в К6 була застосована суперскалярна архітектура RISC86 з роздільним декодуванням/виконанням команд, що забезпечує наступність з системою команд х86 і досягнення високої продуктивності, властивої мікропроцесорам шостого покоління. К6 був оснащений мультимедійним розширенням системи команд - ММХ. По продуктивності К6 за однієї й тієї ж тактової частоті значно перевищував Pentium ММХ і порівняти з Pentium Pro. На відміну від Pentium Pro, К6 однаково успішно працював як з 32-розрядними, так і з 16-розрядними програмами.

Висока продуктивність процесора забезпечувалася завдяки низці нових архітектурних та технологічних рішень.

У процесорі виконується переддекодування команд х86 за їх вибірці в кеш-пам'яті. Кожна команда в кеш-пам'яті першого рівня забезпечується бітами переддекодування, що вказують на зсув початку наступної команди в кеш-пам'яті (від I до 15 байт).

К6 містить внутрішню роздільну кеш-пам'ять першого рівня по 32 Кбайт даних і команд.

У процесорі реалізований високопродуктивний блок обчислень з точкою, що плаває.

Є високопродуктивний блок мультимедійних операцій стандарту ММХ.

Використовується множинне декодування х86-інструкцій в однотактові RISC-операції (ROP).

Процесор містить паралельні дешифратори, централізований планувальник операцій та сім виконавчих блоків, які забезпечують суперскалярне виконання інструкцій у шестиступінчастому конвеєрі.

У процесорі використовується спекулятивне виконання зі зміною послідовності команд, попереднє посилання даних, перейменування регістрів.

На початку 1998 були випущені варіанти процесора за технологією 0,25 мкм з п'ятьма шарами металізації для тактових частот 266 МГц і 300 МГц.

Мікропроцесор К7

Мікропроцесор наступного покоління - К7 (кодове ім'я Athlon) був випущений у червні 1999 року. К7 містить понад 22 млн транзисторів на кристалі площею 184 мм 2 і спочатку вироблявся за технологією 0,25 мкм з 6 шарами металізації для тактових частот 500, 550, 600 і 650 МГц. Згодом, з переходом на технологію 0,18 мкм частота була збільшена до 1 ГГц і вище. Напруга живлення мікропроцесора становить 1,6 Ст.

Процесор розміщений у картриджі та з'єднується з платою через Slot А, розроблений AMD. Athlon та Slot А використовують шинний протокол Digital Alpha EV6, який має ряд переваг у порівнянні з GTL+, що використовується Intel. Так, EV6 передбачає можливість використання топології "point to point" для мультипроцесорних систем. Крім цього, EV6 працює по передньому і задньому фронті сигналу, що тактує, що при частоті 100 МГц дає ефективну частоту передачі даних 200 МГц і пропускну здатність інтерфейсу 1,6 Гбайт/с. У наступних моделях процесора частота роботи шини (ефективна частота) досягла значень 133 (266), а потім і 200 (400) МГц.

Архітектура, реалізована в Athlon, одержала назву QuantiSpeed™, вона визначає суперскалярне, суперконвеєрне виконання команд, конвеєрний блок обчислень з плаваючою точкою, апаратну передвиборку даних у кеш-пам'ять та вдосконалену технологію передбачення розгалужень.

Athlon має дев'ять виконавчих блоків: три для обробки цілих даних (IEU), три для обчислення адреси (AGU) і три блоки для обчислень з плаваючою точкою та обробки мультимедійних даних (один для завантаження/збереження даних з плаваючою точкою (FSTORE) та два конвеєрних блоку для виконання команд FPU/MMX/3DNOW).

Athlon може декодувати три команди х86 у шість RISC-операцій. Після декодування ROP потрапляють у буфер, де очікують своєї черги виконання в одному з функціональних блоків процесора. Буфер К7 містить 72 операції (втричі більше ніж у Кб) та видає 9 ROP для 9 виконавчих пристроїв.

Athlon має 128 Кбайт кеш-пам'яті першого рівня (64 Кбайт для даних та 64 Кбайт для команд). Для взаємодії з кеш-пам'яттю другого рівня передбачена спеціальна шина (як у архітектури Р6 Intel), Кеш-пам'ять другого рівня розміром 512 Кбайт розташована поза процесорним ядром, в процесорному картриджі, і працює на половинній частоті ядра.

Наступним мікропроцесором з архітектурою К7 на ядрі Thunderbird став Duron - бюджетний варіант мікропроцесора, орієнтований на дешеві ПК. Основною його відмінністю є зменшена до 64 Кбайт кеш-пам'ять другого рівня. Duron містить 25 млн. транзисторів на кристалі 100 мм 2 і розрахований на частоти від 600 до 1200 МГц.

Розміщення кеш-пам'яті на кристалі дозволило розробникам відмовитися від використання картриджа та повернутися до роз'єму типу soket (462-контактний роз'єм Socket А). У процесорах Athlon і Duron робота кешпам'яті здійснюється за алгоритмом, що забезпечує ексклюзивність представлення даних у кешах (дані не дублюються в кеш-пам'яті першого та другого рівнів), що збільшує ефективний об'єм кзшованих даних.

Завдяки застосованим у К7 новим архітектурно-технічним рішенням мікропроцесорам AMD вдалося на 7-10% перевищити продуктивність Pentium III при рівних тактових частотах.

Подальше вдосконалення архітектури та технології виробництва мікропроцесорів у рамках сімейства К7 призвело до появи двох нових версій Athlon: Athlon XP та Athlon MP.

Основна відмінність процесора AMD Athlon MP від AMD Athlon XP - використання технології Smart MP, яка є сукупністю високошвидкісної подвійної системної шини і протоколу когерентного кеша MOESI, що управляє пропускною здатністю пам'яті, що необхідно для досягнення оптимального балансу роботи процесорів у багатопроцесорних системах. Пропускна здатність шини становить 2,1 Гбайт/с, для кожного процесора.

Процесор випускається із тактовими частотами від I ГГц (технологія 0,18 мкм) до 2,133 ГГц (технологія 0,13 мкм, ядро Thoroughbred).

Висновок

Наприкінці 20 століття людство вступило на шлях інформаційного суспільства. Але це суспільство неможливо уявити без електроніки, інтернету, радіо та телебачення, потужних комп'ютерів та сучасних мікропроцесорів.

У цій роботі було вивчено пристрій мікропроцесорів, його технології виготовлення і були розглянуті види сучасних мікропроцесорів.

Завданням, поставлені у цій роботі були виконані. Було зроблено аналіз тенденцій розвитку сучасних мікропроцесорів, виявлено їх значущість суспільству і зроблено приблизні прогнози про майбутній розвиток.

У результаті проведеної роботи було зроблено такі висновки: на світовому ринку продажу процесорів нині лідирують дві компанії Intel та АMD. Які, у свою чергу, безперервно конкурують між собою і намагаються витіснити один одного зі світового ринку. На початку 2005 року лідером була компанія AMD, чиї процесори були і продуктивнішими, і дешевшими, мали менше тепловиділення. Але в квітні того ж року Intel пустила процесор Core 2 Duo, а в 2007 році Core 2 Quad, які стали лідерами з продажів на світовому ринку. Наразі лідерство залишає за собою компанія Intel. Але і AMD веде бурхливі науково-дослідні роботи і, можливо, незабаром випустить на ринок абсолютно новий і потужний мікропроцесор.

Список літератури

1. http://ua.wikipedia.org/wiki/Intel_Core_2_Quad

2. http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/processors/22651

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Принципи цифрової передачі. Історія розвитку мікропроцесорів, їх пристрій, класифікація, функціональні особливості та сфери практичного застосування. Типи архітектур: cisc, risc. Мікропроцесори з arm-архітектурою, переваги використання.

реферат, доданий 29.12.2014

Напрями автоматизації вимірів. Застосування мікропроцесорів у вимірювальних приладах. Вимірювально-обчислювальний комплекс як автоматизований засіб вимірювань, що має у своєму складі мікропроцесори. Номенклатура компонентів, що входять до ІВК.

реферат, доданий 23.01.2009

Побудова цифрової системи обробки інформації. Реалізація структурної схеми аналізатора спектра з урахуванням алгоритму швидкого перетворення Фур'є. Вибір мікропроцесорів різних серій, порівняльний аналіз ефективності мікросхем К1802 та К1815.

курсова робота , доданий 01.12.2013

Функціональні особливості та архітектура Intel Itanium. Робота обчислювального середовища та інструкції переходу. Паралелізм рівня інструкцій. Підтримка операційних системах моделі множинного адресного простору. Склад прикладних регістрів.

контрольна робота , доданий 09.11.2014

Початок використання напівпровідників 1940-50-х років. Поява та використання перших інтегральних схем. Поява ВІС мікропроцесорів у 1970-ті роки. Розповсюдження архітектури intel. Розвиток технологій літорофії. Ускладнення техпроцесу у 2000-ті роки.

реферат, доданий 22.03.2015

Загальна характеристика та застосування мікроконтролерів FUJITSU MB-90 та MCS-196 фірми Intel. Основні особливості мікроконтролерів серії MCS-96 та MB90385. Внутрішня архітектура процесорів. Система команд, робота з внутрішніми та зовнішніми пристроями.

курсова робота , доданий 01.12.2010

Сімейство 16-розрядних мікроконтролерів Motorola 68HC12, їх структура та функціонування. Модуль формування ШІМ-сигналів. Засоби налагодження та програмування мікроконтролерів 68НС12. Особливості мікроконтролерів сімейства MCS-196 фірми INTEL.

курсова робота , доданий 04.01.2015

Поняття про мікропроцесори та мікроконтролери. Блок управління та його функції. Структура розряду порту мікроконтролера. Структура внутрішньої пам'яті даних. Робота із зовнішньою пам'яттю даних та підключення зовнішньої пам'яті. Принцип роботи та налаштування таймера.

презентація , доданий 06.02.2012

Етапи розвитку інформаційної електроніки. Підсилювач електричних сигналів. Розвиток напівпровідникової інформаційної техніки. Інтегральні логічні та аналогові мікросхеми. Електронні автомати із пам'яттю. Мікропроцесори та мікроконтролери.

реферат, доданий 27.10.2011

Вибір типу мікросхем пам'яті та розрахунок їх кількості у модулях. Вибір адреси дешифратора. Розподіл адресного простору. Розподіл модулів програм. Розрахунок здатності навантаження модуля пам'яті. генератор тактових імпульсів мікропроцесора.

Кафедра автоматизованих інформаційних систем та технологій

Спеціальність "Прикладна інформатика в економіці"

КУРСОВА РОБОТА

за курсом «Обчислювальні системи, мережі та телекомунікації»

ТРИМАННЯ

Вступ. 3

Визначення мікропроцесора. 4

Історія розвитку сучасних мікропроцесорів. 10

Структура ринку сучасних процесорів. 13

Сучасні процесори INTEL. 15

Мікропроцесор PentiumM.. 16

Intel Core 2 Quad. 19

Сучасні мікропроцесори компанії АМD.

Мікропроцесор К5. 22

Мікропроцесор К6. 24

Мікропроцесор К7. 25

Висновок. 28

Список литературы.. 29

Вступ

Завданням моєї курсової роботи є:

1. Проаналізувати тенденції розвитку сучасних мікропроцесорів.

2. Виявити їх значимість суспільству.

3. Спробувати зробити приблизні прогнози щодо їх майбутнього розвитку.

Визначення мікропроцесора

Мікропроцесор - центральний пристрій (або комплекс пристроїв) ЕОМ (або обчислювальної системи), яке виконує арифметичні та логічні операції, задані програмою перетворення інформації, керує обчислювальним процесом та координує роботу пристроїв системи (запам'ятовуючих, сортувальних, введення - виведення, підготовки даних та ін.) ). У обчислювальній системі може бути кілька паралельно працюючих процесорів; такі системи називають багатопроцесорними. Наявність кількох процесорів прискорює виконання однієї великої чи кількох (зокрема взаємозалежних) програм. Основними характеристиками мікропроцесора є швидкодія та розрядність. Швидкодія - це число операцій, що виконуються в секунду. Розрядність характеризує обсяг інформації, який процесор обробляє за одну операцію: 8-розрядний процесор за одну операцію обробляє 8 біт інформації, 32-розрядний - 32 біти, 64-розрядний - 64 біти. Швидкість роботи мікропроцесора багато в чому визначає швидкодію комп'ютера. Він виконує всю обробку даних, які у комп'ютер і які у його пам'яті, під керуванням програми, також у пам'яті. Персональні комп'ютери оснащують центральними процесорами різних потужностей.

Функції процесора:

· Обробка даних за заданою програмою шляхом виконання арифметичних та логічних операцій;

· Програмне управління роботою пристроїв комп'ютера.

Моделі процесорів включають такі спільно працюючі пристрої:

· Пристрій керування (УУ).Здійснює координацію роботи решти пристроїв, виконує функції управління пристроями, управляє обчисленнями на комп'ютері.

· Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Так називається пристрій для цілих операцій. Арифметичні операції, такі як додавання, множення та поділ, а також логічні операції (OR, AND, ASL, ROL та ін) обробляються за допомогою АЛУ. Ці операції складають переважну більшість програмного коду більшості програм. Усі операції в АЛУ виробляються у регістрах - спеціально відведених осередках АЛУ. У процесорі може бути кілька АЛП. Кожне здатне виконувати арифметичні чи логічні операції незалежно від інших, що дозволяє виконувати кілька операцій одночасно. Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні та логічні дії. Логічні операції діляться на дві прості операції: "Так" і "Ні" ("1" та "0"). Зазвичай ці два пристрої виділяються суто умовно, конструктивно вони розділені.

· AGU (Address Generation Unit)- Влаштування генерації адрес. Цей пристрій не менш важливий, ніж АЛУ, т.к. воно відповідає за коректну адресацію під час завантаження чи збереження даних. Абсолютна адресація в програмах використовується лише в окремих винятках. Як тільки беруться масиви даних, у програмному коді використовується непряма адресація, що змушує AGU працювати.

· Математичний співпроцесор ( FPU ). Процесор може містити кілька математичних співпроцесорів. Кожен з них здатний виконувати щонайменше одну операцію з плаваючою точкою незалежно від того, що роблять інші АЛУ. Метод конвеєрної обробки даних дозволяє одному математичному співпроцесору виконувати кілька операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як цілочисленні, і з плаваючою точкою і, крім того, містить набір корисних констант, що прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним процесором, забезпечуючи таким чином високу продуктивність. Система виконує команди співпроцесора у порядку, у якому з'являються у потоці. Математичний співпроцесор персонального комп'ютера IBM PC дозволяє виконувати швидкісні арифметичні та логарифмічні операції, а також тригонометричні функції з високою точністю.

· Дешифратор інструкцій (команд). Аналізує інструкції з метою виділення операндів та адрес, за якими розміщуються результати. Потім слідує повідомлення іншому незалежному пристрою про те, що необхідно зробити для виконання інструкції. Дешифратор допускає виконання кількох інструкцій одночасно завантаження всіх виконуючих пристроїв.

· Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором та оперативною пам'яттю, а також для зберігання копій інструкцій та даних, які нещодавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті виймаються безпосередньо без звернення до основної пам'яті. При вивченні особливостей роботи програм було виявлено, що вони звертаються до тих чи інших областей пам'яті з різною частотою, а саме: клітинки пам'яті, до яких програма зверталася нещодавно, швидше за все, буде використано знову. Припустимо, що мікропроцесор здатний зберігати копії цих інструкцій у своїй локальній пам'яті. У цьому випадку процесор зможе щоразу використовувати копію цих інструкцій протягом усього циклу. Доступ до пам'яті знадобиться на початку. Для зберігання цих інструкцій необхідний невеликий обсяг пам'яті. Якщо інструкції в процесор надходять досить швидко, то мікропроцесор не витрачатиме час на очікування. Таким чином, економитися час на виконання інструкцій. Але для швидкодіючих мікропроцесорів цього недостатньо. Вирішення проблеми полягає у поліпшенні організації пам'яті. Пам'ять усередині мікропроцесора може працювати зі швидкістю самого процесу

1. Кеш першого рівня (L1 cache).Кеш-пам'ять, що знаходиться всередині процесора. Вона швидше за всіх інших типів пам'яті, але менше за обсягом. Зберігає нещодавно використану інформацію, яка може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.

2. Кеш другого рівня ( L 2 cache ). Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, зате за обсягом пам'яті він більше. Також у процесорах використовується кеш третього рівня.

3. Основна пам'ять.Набагато більше за обсягом, ніж кеш-пам'ять, та значно менш швидкодіюча.

Сучасні мікропроцесори – це найшвидші та найрозумніші мікросхеми у світі. Вони можуть здійснювати до 4 млрд. операцій на секунду і виробляються з безлічі різних технологій. З початку 90-х років ХХ століття, коли процесори пішли у масове використання, вони пережили кілька щаблів розвитку. Апогеєм розвитку мікпроцесорних структур, що використовують існуючі технології мікропроцесорів 6-го покоління, вважається 2002 рік, коли стало доступним використання всіх основних властивостей кремнію для отримання більших частот за найменших втрат при виробництві та створенні логічних схем. Зараз ефективність нових процесорів дещо падає незважаючи на постійне зростання частоти роботи кристалів, оскільки кремнієві технології наближаються до межі своїх можливостей.

Мікропроцесор - це інтегральна схема, сформована на невеликому кристалі кремнію. Кремній застосовується в мікросхемах через те, що він має напівпровідникові властивості: його електрична провідність більша, ніж у діелектриків, але менша, ніж у металів. Кремній можна зробити як ізолятором, який перешкоджає руху електричних зарядів, так і провідником - тоді електричні заряди вільно проходитимуть через нього. Провідністю напівпровідника можна керувати шляхом введення домішок.

Мікропроцесор містить мільйони транзисторів, з'єднаних між собою найтоншими провідниками з алюмінію або міді та використовуваних для обробки даних. Так формуються внутрішні шини. В результаті мікропроцесор виконує безліч функцій – від математичних та логічних операцій до керування роботою інших мікросхем та всього комп'ютера.

Один із головних параметрів роботи процесора – частота роботи кристала, що визначає кількість операцій за одиницю часу, частота роботи системної шини, обсяг внутрішньої кеш-пам'яті SRAM. За частотою роботи кристала маркують процесор. Частота роботи кристала визначається швидкістю перемикань транзисторів із закритого стану у відкритий. Можливість транзистора перемикатися швидше визначається технологією виробництва кремнієвих пластин, у тому числі робляться чіпи. Технологічний процес визначає розміри транзистора (його товщину та довжину затвора). Наприклад, при використанні 90-нм техпроцесу, який було запроваджено на початку 2004 року, розмір транзистора становить 90 нм, а довжина затвора – 50 нм.

Усі сучасні процесори використовують польові транзистори. Перехід до нового техпроцесу дозволяє створювати транзистори з більшою частотою перемикання, меншими струмами витоку, менших розмірів. Зниження розмірів дозволяє одночасно зменшити площу кристала, а значить і тепловиділення, а тонший затвор дозволяє подавати меншу напругу для перемикання, що також знижує енергоспоживання та тепловиділення.

Технології та ринок

Зараз на ринку спостерігається цікава тенденція: з одного боку, компанії-виробники намагаються якнайшвидше впровадити нові техпроцеси та технології у свої новинки, з іншого ж, спостерігається штучне стримування зростання частот процесорів. По-перше, дається взнаки відчуття маркетологами неповної готовності ринку до чергової зміни сімейств процесорів, а фірми ще не отримали достатньо прибутку з обсягу продажів CPU - запас ще не вичерпався. Досить помітно превалювання значимості ціни готового виробу з усіх іншими інтересами підприємств. По-друге, значне зниження темпів гонки частот пов'язане з розумінням необхідності впровадження нових технологій, які реально збільшують продуктивність при мінімальному обсязі технологічних витрат. Як зазначалося, виробники зіштовхнулися з проблемами під час переходу на нові техпроцеси.

Технологічна норма 90 нм виявилася досить серйозним технологічним бар'єром багатьох виробників чіпів. Це підтверджує і компанія TSMC, яка займається виробництвом чіпів для багатьох гігантів ринку, таких як AMD, nVidia, ATI, VIA. Довгий час їй не вдавалося налагодити виробництво чіпів за технологією 0,09 мкм, що спричинило низький вихід придатних кристалів. Це одна з причин, через яку AMD тривалий час переносила випуск своїх процесорів з технологією SOI (Silicon-on-Insulator). Затримки пов'язані з тим, що саме на цій розмірності елементів стали виявлятися всілякі раніше не настільки відчутні негативні фактори: струми витоку, великий розкид параметрів і експоненційне підвищення тепловиділення. Розберемося по порядку.

Як відомо, існує два струми витоку: струм витоку затвора та підпорогова витік. Перша викликана мимовільним переміщенням електронів між кремнієвим субстратом каналу та полікремневим затвором. Друга - мимовільним переміщенням електронів з початку транзистора в стік. Обидва ці ефекти призводять до того, що доводиться піднімати напругу живлення для управління струмами в транзисторі, а це негативно позначається на тепловиділенні. Так ось, зменшуючи розміри транзистора, ми насамперед зменшуємо його затвор та шар діоксиду кремнію (SiO2), який є природним бар'єром між затвором та каналом. З одного боку, це покращує швидкісні показники транзистора (час перемикання), але з іншого – збільшує витік. Тобто виходить своєрідне замкнене коло. Так ось перехід на 90 нм – це чергове зменшення товщини шару діоксиду і одночасно збільшення витоків. Боротьба з витоками - це знову ж таки, збільшення керуючих напруг, і, відповідно, значне підвищення тепловиділення. Все це призвело до затримки застосування нового техпроцесу з боку конкурентів ринку мікропроцесорів - Intel і AMD.

Один із альтернативних виходів – це застосування технології SOI (кремній на ізоляторі), яке нещодавно впровадила компанія AMD у своїх 64-розрядних процесорах. Втім, це коштувало їй чимало зусиль та подолання великої кількості попутних труднощів. Проте сама технологія надає величезну кількість переваг при порівняно малій кількості недоліків. Суть технології, загалом, цілком логічна - транзистор відокремлюється від крем'яної підкладки ще одним тонким шаром ізолятора. Плюсів – маса. Жодного неконтрольованого руху електронів під каналом транзистора, що впливає на його електричні характеристики - це раз. Після подачі струму, що відпирає на затвор, час іонізації каналу до робочого стану (до моменту, поки по ньому піде робочий струм) скорочується, тобто, покращується другий ключовий параметр продуктивності транзистора, час його включення/вимкнення - це два. Або ж, за тієї ж швидкості, можна просто знизити струм, що відпирає, - це три. Або знайти якийсь компроміс між збільшенням швидкості роботи та зменшенням напруги. При збереженні того ж струму, що відпирає, збільшення продуктивності транзистора може скласти аж до 30%, якщо залишити частоту тієї ж, спираючись на енергозбереження, то там плюс може бути і великим - до 50%. Нарешті, характеристики каналу стають більш передбачуваними, а сам транзистор - більш стійким до спорадичних помилок, на кшталт тих, що викликають космічні частки, потрапляючи до субстрату каналу, і непередбачено іонізуючи його. Тепер, потрапляючи в підкладку, розташовану під шаром ізолятора, вони не позначаються на роботі транзистора. Єдиним мінусом SOI є те, що доводиться зменшувати глибину області емітер/колектор, що прямо і безпосередньо позначається на збільшенні її опору зі скороченням товщини.

І, нарешті, третя причина, яка сприяла уповільненню темпів зростання частот – це низька активність конкурентів на ринку. Можна сказати, кожен був зайнятий своїми справами. AMD займалася повсюдним використанням 64-бітних процесорів, для Intel це був період поліпшення нового техпроцесу, налагодження для збільшення виходу придатних кристалів.

Рік, що почався, має принести нам велику кількість новин з галузі технологій, адже саме цього року обидві компанії повинні перейти на технологічні норми 90 нм. Але це зовсім не означає нового стрімкого зростання частот процесорів, скоріше навпаки. Спочатку на ринку спостерігатиметься затишшя: конкуренти почнуть випускати CPU за новими техпроцесами, але зі старими частотами. У міру освоєння процесу виробництва розпочнеться деяке зростання частоти чипів. Швидше за все, він буде не настільки помітним як раніше. До кінця 2004 року, коли вихід придатних кристалів по 90-нм техпроцесу значно підвищиться, компанія Intel очікує підкорення вершини в 4 ГГц, а то й більше. Процесори компанії AMD будуть йти з деяким традиційним відставанням по частоті, яке загалом не так сильно позначається на продуктивності, як особливості мікроархітектури.

Отже, необхідність переходу на нові техпроцеси очевидна, але технологам це дається щоразу все з великими труднощами. Перші мікропроцесори Pentium (1993 р.) проводилися за техпроцесом 0,8 мкм, потім 0,6 мкм. 1995 року вперше для процесорів 6-го покоління був застосований техпроцес 0,35 мкм. 1997 року він змінився на 0,25 мкм, а 1999 – на 0,18 мкм. Сучасні процесори виконуються за технологією 0,13 та 0,09 мкм, причому остання була введена у 2004 році. Як видно, для цих техпроцесів дотримується закон Мура, який свідчить, що кожні два роки частота кристалів подвоюється зі збільшенням кількості транзисторів із них. З тими самими темпами змінюється і техпроцес. Щоправда, надалі «перегонка частот» випередить цей закон. До 2006 року компанія Intel планує освоєння 65-нм техпроцесу, а 2009 – 32-нм.

Тут настав час згадати структуру транзистора, а саме - тонкий шар діоксиду кремнію, ізолятора, що знаходиться між затвором і каналом, і виконує цілком зрозумілу функцію - бар'єра для електронів, що запобігає витоку струму затвора. Очевидно, що чим товстіший цей шар, тим краще він виконує свої ізоляційні функції. Але він є складовою каналу, і не менш очевидно, що якщо ми збираємося зменшувати довжину каналу (розмір транзистора), то нам треба зменшувати його товщину, причому дуже швидкими темпами. До речі, останні кілька десятиліть товщина цього шару становить середньому близько 1/45 від усієї довжини каналу. Але у цього процесу є свій кінець - як стверджував п'ять років тому той самий Intel, при продовженні використання SiO2, як це було протягом останніх 30 років, мінімальна товщина шару становитиме 2.3 нм, інакше струм витік струму затвора набуде просто нереальних величин.

Для зниження підканального витоку досі нічого не робилося. Зараз ситуація починає змінюватися, оскільки робочий струм, поряд з часом спрацьовування затвора, є одним з двох основних параметрів, що характеризують швидкість роботи транзистора, а витік у вимкненому стані на ньому безпосередньо позначається - для збереження необхідної ефективності транзистора доводиться відповідно піднімати робочий струм, з усіма умовами.

Виробництво мікропроцесорів

Виготовлення мікропроцесора - це найскладніший процес, що включає понад 300 етапів. Мікропроцесори формуються на поверхні тонких кругових пластин кремнію - підкладках, внаслідок певної послідовності різних процесів обробки з використанням хімічних препаратів, газів та ультрафіолетового випромінювання.

Підкладки зазвичай мають діаметр 200 мм, або 8 дюймів. Однак корпорація Intel вже перейшла на пластини діаметром 300 мм, або 12 дюймів. Нові пластини дозволяють отримати майже в 4 рази більше кристалів, і вихід придатних значно вищий. Пластини виготовляють із кремнію, який очищають, плавлять і вирощують із нього довгі циліндричні кристали. Потім кристали розрізають на тонкі пластини і полірують їх до тих пір, поки поверхні не стануть дзеркально гладкими і вільними від дефектів. Далі послідовно, циклічно повторюючись, роблять термічне оксидування (формування плівки SiO2), фотолітографію, дифузію домішки (фосфор), епітаксию (нарощування шару).

У процесі виготовлення мікросхем на пластини-заготовки наносять у вигляді ретельно розрахованих малюнків найтонші шари матеріалів. На одній пластині міститься до кількох сотень мікропроцесорів, для виготовлення яких потрібно здійснити понад 300 операцій. Весь процес виробництва процесорів можна розділити на кілька етапів: вирощування діоксиду кремнію та створення провідних областей, тестування, виготовлення корпусу та доставка.

Вирощування діоксиду кремнію та створення провідних областей.Процес виробництва мікропроцесора починається з вирощування на поверхні відполірованої пластини ізоляційного шару діоксиду кремнію. Здійснюється цей етап в електричній печі за дуже високої температури. Товщина оксидного шару залежить від температури та часу, який пластина проводить у печі.

Потім слідує фотолітографія - процес, в ході якого на поверхні пластини формується малюнок-схема. Спочатку на пластину наносять тимчасовий шар світлочутливого матеріалу - фоторезист, на який за допомогою ультрафіолетового випромінювання проектують зображення прозорих ділянок шаблону або фотомаски. Маски виготовляють при проектуванні процесора та використовують для формування малюнків схем у кожному шарі процесора. Під впливом випромінювання засвічені ділянки фотошару стають розчинними, і їх видаляють за допомогою розчинника (плавикова кислота), відкриваючи діоксид кремнію, що знаходиться під ними.

Відкритий діоксид кремнію видаляють за допомогою процесу, який називається "травленням". Потім прибирають фотошар, що залишився, в результаті чого на напівпровідникової пластині залишається малюнок з діоксиду кремнію. За допомогою низки додаткових операцій фотолітографії та травлення на пластину наносять також полікристалічний кремній, що має властивості провідника. У ході наступної операції, яка називається "легуванням", відкриті ділянки кремнієвої пластини бомбардують іонами різних хімічних елементів, які формують у кремнії негативні та позитивні заряди, що змінюють електричну провідність цих ділянок.

Накладання нових шарів з подальшим травленням схеми здійснюється кілька разів, при цьому для міжшарових з'єднань у шарах залишаються вікна, які заповнюють металом, формуючи електричні з'єднання між шарами. У своєму 0.13-мікронному технологічному процесі корпорація Intel застосувала мідні провідники. У 0.18-мікронному виробничому процесі та процесах попередніх поколінь Intel застосовувала алюміній. І мідь, і алюміній – чудові провідники електрики. При використанні 0,18-мкм техпроцесу використовувалося 6 шарів, при впровадженні 90 нм техпроцесу в 2004 застосували 7 шарів кремнію.

Кожен шар процесора має свій власний малюнок, разом всі ці шари утворюють тривимірну електронну схему. Нанесення шарів повторюють 20-25 разів протягом декількох тижнів.

Тестування.Щоб витримати вплив, яким піддаються підкладки в процесі нанесення шарів, кремнієві пластини спочатку повинні бути досить товстими. Тому, перш ніж розрізати пластину деякі мікропроцесори, її товщину з допомогою спеціальних процесів зменшують на 33% і видаляють забруднення зі зворотного боку. Потім на зворотний бік "схудлої" пластини наносять шар спеціального матеріалу, який покращує подальше кріплення кристала до корпусу. Крім того, цей шар забезпечує електричний контакт між задньою поверхнею інтегральної схеми та корпусом після збирання.

Після цього пластини тестують, щоб перевірити якість виконання всіх операцій обробки. Щоб визначити, чи правильно працюють процесори, перевіряють окремі компоненти. Якщо виявляються несправності, дані аналізують, щоб зрозуміти, якому етапі обробки виник збій.

Потім до кожного процесора підключають електричні зонди та подають живлення. Процесори тестуються комп'ютером, який визначає, чи задовольняють характеристики виготовлених процесорів заданим вимогам.

Виготовлення корпусу.Після тестування пластини вирушають у складальне виробництво, де їх розрізають на маленькі прямокутники, кожен із яких містить інтегральну схему. Для поділу пластини використовують спеціальну прецизійну пилку. Непрацюючі кристали відбраковуються.

Потім кожний кристал поміщають в індивідуальний корпус. Корпус захищає кристал від зовнішніх впливів та забезпечує його електричне з'єднання з платою, на яку він буде встановлений. Крихітні кульки припою, розташовані у певних точках кристала, припаюють до електричних висновків корпусу. Тепер електричні сигнали можуть надходити з плати на кристал і назад.

У майбутніх процесорах компанія Intel застосує технологію BBUL, яка дозволить створювати принципово нові корпуси з меншим тепловиділенням та ємністю між ніжками CPU.

Після встановлення кристала в корпус процесор знову тестують, щоб визначити, чи він працездатний. Несправні процесори відбраковують, а справні піддають випробуванням навантаження: впливу різних температурних і вологих режимів, а також електростатичних розрядів. Після кожного випробування навантаження процесор тестують для визначення його функціонального стану. Потім процесори сортують залежно від їхньої поведінки при різних тактових частотах і напругах живлення.

Доставка.Процесори, що пройшли тестування, надходять на вихідний контроль, завдання якого - підтвердити, що результати всіх попередніх тестів були коректними, а параметри інтегральної схеми відповідають встановленим стандартам або перевершують їх. Всі процесори, що пройшли вихідний контроль, маркують та упаковують для доставки замовникам.

Майбутні технології виробництва мікропроцесорів

Відомо, що існуючі КМОП-транзистори мають багато обмежень і не дозволять найближчим часом піднімати частоти процесорів також безболісно. Наприкінці 2003 року на Токійській конференції фахівці Intel зробили дуже важливу заяву про створення нових матеріалів для напівпровідникових транзисторів майбутнього. Насамперед, йдеться про новий діелектрику затвора транзистора з високою діелектричною проникністю (так званий «high-k»-матеріал), який застосовуватиметься замість діоксиду кремнію (SiO2), що використовується сьогодні, а також про нові металеві сплави, сумісні з новим діелектриком затвора . Рішення, запропоноване дослідниками, знижує струм витоку в 100 разів, що дозволяє впритул підійти до впровадження виробничого процесу з проектною нормою 45 нанометрів. Воно розглядається експертами як маленька революція у світі мікроелектронних технологій.

Щоб зрозуміти, про що йдеться, поглянемо спочатку на стандартний МОП-транзистор, на основі якого робляться складні CPU.

У ньому затвор із провідного полікремнію відділений від каналу транзистора найтоншим (товщиною всього 1,2 нм або 5 атомів) шаром діоксиду кремнію (матеріалу, що десятиліттями використовується як підзатворний діелектрик).

Така мала товщина діелектрика необхідна для отримання не тільки малих габаритів транзистора в цілому, але і для його високої швидкодії (заряджені частинки пересуваються швидше через затвор, внаслідок чого такий VT може перемикатися до 10 мільярдів разів на секунду). Спрощено - чим ближче затвор до каналу транзистора (тобто, чим тонше діелектрик), тим більший вплив у плані швидкодії він надаватиме на електрони та дірки в каналі транзистора.

Тому важливість відкриття вчених Intel не можна недооцінювати. Після п'яти років досліджень у лабораторіях корпорації розробили спеціальний матеріал, що дозволяє замінити традиційний діоксид кремнію у звичайному маршруті виробництва мікросхем. Вимоги до такого матеріалу дуже серйозні: висока хімічна та механічна (на атомарному рівні) сумісність із кремнієм, зручність виробництва в єдиному циклі традиційного кремнієвого техпроцесу, але головне – низькі витоки та висока діелектрична проникність.

Якщо ми боремося з витоками, то товщину діелектрика потрібно підвищити хоча б до 2-3 нм (див. малюнок вище). Щоб зберегти колишню крутість транзистора (залежність струму від напруги) необхідно пропорційно збільшити діелектричну проникність матеріалу діелектрика. Якщо проникність об'ємного діоксиду кремнію дорівнює 4 (або трохи менше в надтонких шарах), то розумною величиною діелектричної проникності нового інтелівського діелектрика можна вважати величину в районі 10-12. Незважаючи на те, що матеріалів з такою діелектричною проникністю чимало (конденсаторні кераміки або монокристал кремнію), тут не менш важливими є фактори технологічної сумісності матеріалів. Тому для нового high-k-матеріалу було розроблено свій високоточний процес нанесення, під час якого формується один молекулярний шар цього матеріалу за один цикл.

Виходячи з цієї картинки можна припустити, що новий матеріал – це також оксид. Причому монооксид, що означає застосування матеріалів переважно другої групи, наприклад магнію, цинку або навіть міді.

Але діелектриком справа не обмежилася. Потрібно було змінити і матеріал самого затвора - звичний полікристалічного кремнію. Справа в тому, що заміна діоксиду кремнію на high-k-діелектрик веде до проблем взаємодії з полікристалічним кремнієм (ширина забороненої зони транзистора визначає мінімально можливі для нього напруги). Ці проблеми вдається усунути, якщо використовувати спеціальні метали для затворів транзисторів обох типів (n-МОП та p-МОП) у поєднанні з особливим технологічним процесом. Завдяки цій комбінації матеріалів вдається досягти рекордної продуктивності транзисторів та унікально низьких струмів витоку, у 100 разів менших, ніж під час використання нинішніх матеріалів (див. графік). У цьому випадку вже не виникає спокуси використовувати для боротьби з витоками значно дорожчу технологію SOI (кремній на ізоляторі), як це роблять деякі великі виробники мікропроцесорів.

Відзначимо також ще одне технологічне нововведення Intel – технологію напруженого (strained) кремнію, яка вперше використовується у 90-нанометрових процесорах Prescott та Dothan. Нарешті компанія Intel у подробицях розповіла, яким саме чином відбувається формування шарів напруженого кремнію в її КМОП-структурах. КМОП-комірка складається з двох транзисторів - n-МОП та p-МОП (див. малюнок).

У першому (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводить струм з допомогою електронів (негативно заряджених частинок), тоді як у другому (p-MOS) - з допомогою дірок (умовно позитивно заряджених частинок). Відповідно і механізми формування напруженого кремнію у цих двох випадків різні. Для n-MOS-транзистора використовується зовнішнє покриття шаром нітриду кремнію (Si3N4), який за рахунок механічних напруг трохи (на долі відсотка) розтягує (у напрямку протікання струму) кристалічні ґрати кремнію під затвором, внаслідок чого робочий струм каналу зростає на 10% (Умовно кажучи, електронам стає більш просторо рухатися в напрямку каналу). У p-MOS-транзисторах все навпаки: як матеріал підкладки (точніше - тільки областей стоку та витоку) використовується з'єднання кремнію з германієм (SiGe), що трохи стискає кристалічну решітку кремнію під затвором у напрямку каналу. Тому діркам стає легше пересуватися крізь акцепторні атоми домішки, і робочий струм каналу зростає на 25%. Поєднання обох технологій дає 20-30-відсоткове посилення струму. Таким чином, застосування технології «напруженого кремнію» в обох типах пристроїв (n-MOS і p-MOS) призводить до значного підвищення продуктивності транзисторів при підвищенні собівартості їх виробництва лише на ~2% і дозволяє створювати мініатюрніші транзистори наступних поколінь. У планах Intel використовувати напружений кремній для всіх майбутніх техпроцесів аж до 22-нанометрового.