Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Процесор



План:


Введення

Intel 80486 DX2 в керамічному корпусі PGA.
Intel Celeron 400 Socket 370 в пластиковому корпусі PPGA, вид знизу.
Intel Celeron 400 Socket 370 в пластиковому корпусі PPGA, вид зверху.
Intel Celeron 1100 Socket 370 в корпусі FC-PGA2, вид знизу.
Intel Celeron 1100 Socket 370 в корпусі FC-PGA2, вид зверху.

Центральний процесор (ЦП, або центральне процесорний пристрій - ЦПУ; англ. central processing unit , Скорочено - CPU , Дослівно - центральне обробляє пристрій) - електронний блок або мікросхема - виконавець машинних інструкцій (коди програм), головна частина апаратного забезпечення комп'ютера або програмованого логічного контролера. Іноді називають мікропроцесором або просто процесором. Спочатку термін центральне процесорний пристрій описував спеціалізований клас логічних машин, призначених для виконання складних комп'ютерних програм. Внаслідок досить точної відповідності цього призначення функціям існували в той час комп'ютерних процесорів, він природним чином був перенесений на самі комп'ютери. Початок застосування терміну і його абревіатури по відношенню до комп'ютерних систем було покладено в 1960-і роки. Пристрій, архітектура і реалізація процесорів з тих пір неодноразово змінювалися, однак їх основні виконувані функції залишилися тими ж, що і раніше.

Головними характеристиками ЦПУ є: тактова частота, продуктивність, енергоспоживання, норми літографічного процесу використовуваного при виробництві (для мікропроцесорів) і архітектура.

Ранні ЦП створювалися у вигляді унікальних складових частин для унікальних, і навіть єдиних у своєму роді, комп'ютерних систем. Пізніше від дорогого способу розробки процесорів, призначених для виконання однієї єдиної або декількох вузькоспеціалізованих програм, виробники комп'ютерів перейшли до серійного виготовлення типових класів багатоцільових процесорних пристроїв. Тенденція до стандартизації комп'ютерних комплектуючих зародилася в епоху бурхливого розвитку напівпровідникових елементів, мейнфреймів і мінікомп'ютерів, а з появою інтегральних схем вона стала ще більш популярною. Створення мікросхем дозволило ще більше збільшити складність ЦП з одночасним зменшенням їх фізичних розмірів. Стандартизація і мініатюризація процесорів привели до глибокого проникнення заснованих на них цифрових пристроїв в повсякденне життя людини. Сучасні процесори можна знайти не тільки в таких високотехнологічних пристроях, як комп'ютери, а й у автомобілях, калькуляторах, мобільних телефонах і навіть у дитячих іграшках. Найчастіше вони представлені мікроконтролерами, де крім обчислювального пристрою на кристалі розташовані додаткові компоненти (пам'ять програм і даних, інтерфейси, порти введення / виводу, таймери та ін.) Сучасні обчислювальні можливості мікроконтролера порівнянні з процесорами персональних ЕОМ десятирічної давності, а частіше навіть значно перевершують їх показники.


1. Історія

Історія розвитку виробництва процесорів повністю відповідає історії розвитку технології виробництва інших електронних компонентів і схем.

Першим етапом, що торкнулася період з 40-х по кінець 50-х років, було створення процесорів з використанням електромеханічних реле, феритових сердечників (пристроїв пам'яті) і вакуумних ламп. Вони встановлювалися в спеціальні роз'єми на модулях, зібраних в стійки. Велика кількість таких стійок, з'єднаних провідниками, в сумі представляли процесор. Відмінною особливістю була низька надійність, низька швидкодія і велике тепловиділення.

Другим етапом, з середини 50-х до середини 60-х, стало впровадження транзисторів. Транзистори монтувалися вже на близькі до сучасних по виду платам, що встановлюються в стійки. Як і раніше, в середньому процесор складався з кількох таких стійок. Зросла швидкодія, підвищилася надійність, зменшилося енергоспоживання.

Третім етапом, які настали в середині 60-х років, стало використання мікросхем. Спочатку використовувалися мікросхеми низького ступеня інтеграції, що містять прості транзисторні та резисторні збірки, потім у міру розвитку технології стали використовуватися мікросхеми, реалізують окремі елементи цифрової схемотехніки (спочатку елементарні ключі та логічні елементи, потім більш складні елементи - елементарні регістри, лічильники, суматори), пізніше з'явилися мікросхеми, що містять функціональні блоки процесора - вбудоване пристрій, арифметико-логічний пристрій, регістри, пристрої роботи з шинами даних і команд.

Четвертим етапом, на початку 70-х років, стало створення, завдяки прориву в технології створення БІС і НВІС (великих і надвеликих інтегральних схем, відповідно), мікропроцесора - мікросхеми, на кристалі якої фізично були розташовані всі основні елементи і блоки процесора. Фірма Intel в 1971 створила перший у світі 4-х розрядний мікропроцесор 4004, призначений для використання в мікрокалькуляторах. Поступово практично всі процесори стали випускатися у форматі мікропроцесорів. Винятком довгий час залишалися тільки малосерійне процесори, апаратно оптимізовані для вирішення спеціальних завдань (наприклад суперкомп'ютери або процесори для вирішення низки військових завдань), або процесори, до яких пред'являлися особливі вимоги щодо надійності, швидкодії або захисту від електромагнітних імпульсів і іонізуючої радіації. Поступово, зі здешевленням і поширенням сучасних технологій, ці процесори також починають виготовлятися у форматі мікропроцесора. Зараз слова мікропроцесор і процесор практично стали синонімами, але тоді це було не так, тому що звичайні (великі) і мікропроцесорні ЕОМ мирно співіснували ще принаймні 10-15 років, і лише на початку 1980-х років мікропроцесори витіснили своїх старших побратимів. Тим не менш, центральні процесорні пристрої деяких суперкомп'ютерів навіть сьогодні представляють собою складні комплекси, побудовані на основі мікросхем великої та надвеликої ступеня інтеграції. Треба сказати, що перехід до мікропроцесорах дозволив потім створити персональні комп'ютери, які тепер проникли майже в кожен будинок.

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004, представлений 15 листопада 1971 корпорацією Intel. Він містив 2300 транзисторів, працював на тактовій частоті 92,6 кГц [1] і коштував 300 дол
Далі його змінили 8-розрядний Intel 8080 і 16-розрядний 8086, заклали основи архітектури всіх сучасних настільних процесорів. Через поширеності 8-розрядних модулів пам'яті був випущений дешевий 8088, спрощена версія 8086, з 8-розрядною шиною пам'яті. Потім пройшла його модифікація 80186.
У процесорі 80286 з'явився захищений режим з 24-бітної адресацією, що дозволяв використовувати до 16 Мб пам'яті.
Процесор Intel 80386 з'явився в 1985 році і привніс покращуваний захищений режим, 32-бітову адресацію, що дозволила використовувати до 4 Гб оперативної пам'яті і підтримку механізму віртуальної пам'яті. Ця лінійка процесорів побудована на реєстрової обчислювальної моделі.
Паралельно розвиваються мікропроцесори, які взяли за основу стекову обчислювальну модель.

За роки існування мікропроцесорів було розроблено безліч різних їх архітектур. Багато хто з них (у доповненому і вдосконаленому вигляді) використовуються і понині. Наприклад Intel x86, що розвинулася спочатку у 32-бітну IA-32, а пізніше в 64-бітну x86-64 (яка в Intel називається EM64T). Процесори архітектури x86 спочатку використовувалися лише в персональних комп'ютерах компанії IBM ( IBM PC), але в даний час все більш активно використовуються у всіх областях комп'ютерної індустрії, від суперкомп'ютерів до вбудованих рішень. Також можна перерахувати такі архітектури як Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архітектури) і IA-64 ( EPIC-архітектура).

У сучасних комп'ютерах процесори виконані у вигляді компактного модуля (розмірами близько 5 5 0,3 см), що вставляються в ZIF-сокет. Велика частина сучасних процесорів реалізована у вигляді одного напівпровідникового кристала, що містить мільйони, а з недавнього часу навіть мільярди транзисторів.


1.1. Перспективи

У найближчі 10-20 років, швидше за все, зміниться матеріальна частина процесорів з огляду на те, що технологічний процес досягне фізичних меж виробництва. Можливо, це будуть:

  • Квантові комп'ютери, робота яких повністю базується на квантових ефектах. В даний час ведуться роботи над створенням робочих версій квантових процесорів.
  • Молекулярні комп'ютери - обчислювальні системи, що використовують обчислювальні можливості молекул (переважно, органічних). Молекулярними комп'ютерами використовується ідея обчислювальних можливостей розташування атомів у просторі.

2. Архітектура фон Неймана

Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів в загальному засновані на тій чи іншій версії циклічного процесу послідовної обробки даних, винайденого Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумав [джерело не вказано 176 днів] схему споруди комп'ютера в 1946 році. Відмінною особливістю архітектури фон Неймана є те, що інструкції і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

У різних архітектурах і для різних команд можуть знадобитися додаткові етапи. Наприклад, для арифметичних команд можуть знадобитися додаткові звернення до пам'яті, під час яких проводиться зчитування операндів і запис результатів.

Етапи циклу виконання:

  1. Процесор виставляє число, що зберігається в регістрі лічильника команд, на шину адреси і віддає пам'яті команду читання.
  2. Виставлене число є для пам'яті адресою; пам'ять, отримавши адресу і команду читання, виставляє вміст, що зберігається за цією адресою, на шину даних і повідомляє про готовність.
  3. Процесор отримує число з шини даних, інтерпретує його як команду ( машинну інструкцію) зі своєї системи команд і виконує її.
  4. Якщо остання команда не є командою переходу, процесор збільшує на одиницю (в припущенні, що довжина кожної команди дорівнює одиниці) число, що зберігається в лічильнику команд; в результаті там утворюється адреса наступної команди.

Даний цикл виконується незмінно, і саме він називається процесом (звідки і пішла назва пристрою).

Під час процесу процесор зчитує послідовність команд, що містяться в пам'яті, і виконує їх. Така послідовність команд називається програмою і представляє алгоритм роботи процесора. Черговість прочитування команд змінюється у разі, якщо процесор зчитує команду переходу, - тоді адреса наступної команди може виявитися іншим. Іншим прикладом зміни процесу може служити випадок отримання команди зупинка або перемикання в режим обробки переривання.

Команди центрального процесора є самим нижнім рівнем управління комп'ютером, тому виконання кожної команди неминуче і безумовно. Не проводиться жодної перевірки на допустимість виконуваних дій, зокрема, не перевіряється можлива втрата цінних даних. Щоб комп'ютер виконував лише допустимі дії, команди повинні бути відповідним чином організовані у вигляді необхідної програми.

Швидкість переходу від одного етапу циклу до іншого визначається тактовим генератором. Тактовий генератор виробляє імпульси, службовці ритмом для центрального процесора. Частота тактових імпульсів називається тактовою частотою.


2.1. Конвеєрна архітектура

Конвеєрна архітектура (pipelining) була введена в центральний процесор з метою підвищення швидкодії. Зазвичай для виконання кожної команди потрібно здійснити деяку кількість однотипних операцій, наприклад: вибірка команди з ОЗУ, дешифрування команди, адресація операнда в ОЗУ, вибірка операнда з ОЗУ, виконання команди, запис результату в ОЗУ. Кожну з цих операцій зіставляють одному щаблі конвеєра. Наприклад, конвеєр мікропроцесора з архітектурою MIPS-I містить чотири стадії:

  • отримання і декодування інструкції,
  • адресація і вибірка операнда з ОЗУ,
  • виконання арифметичних операцій,
  • збереження результату операції.

Після звільнення k -Го ступеня конвеєра вона відразу приступає до роботи над наступною командою. Якщо припустити, що кожен ступінь конвеєра витрачає одиницю часу на свою роботу, то виконання команди на конвеєрі завдовжки в n ступенів забере n одиниць часу, однак у самому оптимістичному випадку результат виконання кожної наступної команди буде виходити через кожну одиницю часу.

Дійсно, при відсутності конвеєра виконання команди займе n одиниць часу (так як для виконання команди як і раніше необхідно виконувати вибірку, дешифрування і т. д.), і для виконання m команд знадобиться n \ cdot m одиниць часу; при використанні конвеєра (у найоптимістичнішому випадку) для виконання m команд знадобиться всього лише n + m одиниць часу.

Фактори, що знижують ефективність конвеєра:

  1. Простий конвеєра, коли деякі щаблі не використовуються (напр., адресація і вибірка операнда з ОЗУ не потрібні, якщо команда працює з регістрами).
  2. Очікування: якщо наступна команда використовує результат попередньої, то остання не може почати виконуватися до виконання першої (це долається при використанні позачергового виконання команд - out-of-order execution).
  3. Очищення конвеєра при попаданні в нього команди переходу (цю проблему вдається згладити, використовуючи передбачення переходів).

Деякі сучасні процесори мають більше 30 ступенів у конвеєрі, що збільшує продуктивність процесора, однак приводить до великого часу простою (наприклад, у випадку помилки в пророкуванні умовного переходу). Не існує єдиної думки з приводу оптимальної довжини конвеєра: різні програми можуть мати істотно різні вимоги.


2.2. Суперскалярна архітектура

Здатність виконання декількох машинних інструкцій за один такт процесора шляхом збільшення числа виконавчих пристроїв. Поява цієї технології призвело до істотного збільшення продуктивності, в той же час існує певна межа зростання числа виконавчих пристроїв, при перевищенні якого продуктивність практично перестає рости, а виконавчі пристрої простоюють. Частковим вирішенням цієї проблеми є, наприклад, технологія Hyper Threading.


2.3. CISC -процесори

Complex instruction set computer - обчислення зі складним набором команд. Процесорна архітектура, заснована на ускладненому наборі команд. Типовими представниками CISC є мікропроцесори сімейства x86 (хоча вже багато років ці процесори є CISC лише по зовнішній системі команд: на початку процесу виконання складні команди розбиваються на більш прості мікрооперації (МОП'и), що виконуються RISC -ядром).

2.4. RISC -процесори

Reduced instruction set computer - обчислення зі спрощеним набором команд (у літературі слово "reduced" нерідко помилково перекладають як "скорочений"). Архітектура процесорів, побудована на основі спрощеного набору команд, характеризується наявністю команд фіксованої довжини, великої кількості регістрів, операцій типу регістр-регістр, а також відсутністю непрямої адресації. Концепція RISC розроблена Джоном Коком (John Cocke) з IBM Research, назва придумана Девідом Паттерсоном (David Patterson).

Спрощення набору команд покликане скоротити конвеєр, що дозволяє уникнути затримок на операціях умовних і безумовних переходів. Однорідний набір регістрів спрощує роботу компілятора при оптимізації виконуваного програмного коду. Крім того, RISC-процесори відрізняються меншим енергоспоживанням і тепловиділенням.

Серед перших реалізацій цієї архітектури були процесори MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. У мобільних пристроях широко використовуються ARM -процесори.


2.5. MISC -процесори

Minimum instruction set computer - обчислення з мінімальним набором команд. Подальший розвиток ідей команди Чака Мура, який вважає, що принцип простоти, початковий для RISC-процесорів, занадто швидко відійшов на задній план. У запалі боротьби за максимальну швидкодію, RISC наздогнав і перегнав багато CISC процесори по складності. Архітектура MISC будується на стекової обчислювальної моделі з обмеженим числом команд (приблизно 20-30 команд).

2.6. VLIW -процесори

Very long instruction word - наддовгі командне слово. Архітектура процесорів з явно вираженим паралелізмом обчислень, закладеним в систему команд процесора. Є основою для архітектури EPIC. Ключовою відмінністю від суперскалярних CISC-процесорів є те, що для них завантаженням виконавчих пристроїв займається частину процесора (планувальник), на що відводиться досить малий час, в той час як завантаженням обчислювальних пристроїв для VLIW-процесора займається компілятор, на що відводиться значно більше часу (якість завантаження і, відповідно, продуктивність теоретично повинні бути вище). Прикладом VLIW-процесора є Intel Itanium.


2.7. Багатоядерні процесори

Містять декілька процесорних ядер в одному корпусі (на одному або декількох кристалах).

Процесори, призначені для роботи однієї копії операційної системи на декількох ядрах, є високоінтегрірованную реалізацію мультипроцессорности.

Першим багатоядерним мікропроцесором став POWER4 від IBM, що з'явився в 2001 і мав два ядра.

У жовтні 2004 Sun Microsystems випустила двоядерний процесор UltraSPARC IV, який складався з двох модифікованих ядер UltraSPARC III. На початку 2005 був створений двоядерний UltraSPARC IV +.

14 листопада 2005 Sun випустила восьмиядерний UltraSPARC T1, кожне ядро якого виконував 4 потоку.

5 січня 2006 Intel представила перший двоядерний процесор на одному кристали Core Duo, для мобільної платформи.

У листопаді 2006 вийшов перший чотирьохядерний процесор Intel Core 2 Quad на ядрі Kentsfield, що представляє собою збірку з двох кристалів Conroe в одному корпусі. Нащадком цього процесора став Intel Core 2 Quad на ядрі Yorkfield (45 нм), архітектурно схожому з Kentsfield але має більший обсяг кеша і робочі частоти. У жовтні 2007 у продажу з'явилися восьмиядерні UltraSPARC T2, кожне ядро виконувало 8 потоків.

10 вересня 2007 були випущені в продаж нативні (у вигляді одного кристала) чотириядерні процесори для серверів AMD Opteron, що мали в процесі розробки кодову назву AMD Opteron Barcelona. [2] 19 листопада 2007 року вийшов у продаж чотирьохядерний процесор для домашніх комп'ютерів AMD Phenom [3]. Ці процесори реалізують нову мікроархітектуру K8L (K10).

Компанія AMD пішла власним шляхом, виготовляючи чотириядерні процесори єдиним кристалом (на відміну від Intel, перші чотириядерні процесори якої є фактично склейку двох двоядерних кристалів). Незважаючи на всю прогресивність подібного підходу перший "чотирьохядерник" фірми, який отримав назву AMD Phenom X4, вийшов не надто вдалим. Його відставання від сучасних йому процесорів конкурента складало від 5 до 30 і більше відсотків в залежності від моделі та конкретних завдань [джерело не вказано 853 дні].

До 1-2 кварталу 2009 року обидві компанії відновили свої лінійки чотириядерних процесорів. Intel представила сімейство Core i7, що складається з трьох моделей, що працюють на різних частотах. Основними родзинками даного процесора є використання трехканального контролера пам'яті (типу DDR-3) і технології емулювання восьми ядер (корисно для деяких специфічних завдань). Крім того, завдяки загальної оптимізації архітектури вдалося значно підвищити продуктивність процесора в багатьох типах завдань. Слабкою стороною платформи, що використовує Core i7, є її надмірна вартість, так як для установки даного процесора необхідна дорога материнська плата на чіпсеті Intel X58 і трьохканальний набір пам'яті типу DDR3, який також має на даний момент високу вартість.
Компанія AMD у свою чергу представила лінійку процесорів Phenom II X4. При її розробці компанія врахувала свої помилки: був збільшений обсяг кешу (у порівнянні з першим поколінням Phenom), процесори стали виготовляється за 45-нм техпроцесу (це, відповідно, дозволило знизити тепловиділення і значно підвищити робочі частоти). В цілому, AMD Phenom II X4 по продуктивності стоїть врівень з процесорами Intel попереднього покоління (ядро Yorkfield) і вельми значно відстає від Intel Core i7 [джерело не вказано 862 дні]. З виходом 6-ядерного процесора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуація трохи змінилася на користь AMD.

На даний момент масово доступні процесори з 2, 3, 4 і 6 ядрами, а також 2, 3 та 4-модульні процесори AMD покоління Bulldozer. У серверному сегменті також доступні 8-ядерні процесори Xeon і Nehalem (Intel) і 12-ядерні Opteron (AMD) [4].


2.8. Кешування

Кешування - це використання додаткової швидкодіючої пам'яті ( кешу, англ. cache ) Для зберігання копій блоків інформації з основної (оперативної) пам'яті, вірогідність звернення до яких найближчим часом велика.

Розрізняють кеші 1 -, 2 - і 3-го рівнів (позначаються L1, L2 і L3 - від Level 1, Level 2 і Level 3). Кеш 1-го рівня має найменшу латентність (час доступу), але малий розмір, крім того, кеші першого рівня часто робляться багатопортовим. Так, процесори AMD K8 уміли проводити одночасно 64-бітові запис і читання, або два 64-бітових читання за такт, AMD K8L може виробляти два 128-бітних читання або запису в будь-якій комбінації. Процесори Intel Core 2 можуть виробляти 128-бітові запис і читання за такт. Кеш 2-го рівня зазвичай має значно більшу латентність доступу, але його можна зробити значно більше за розміром. Кеш 3-го рівня найбільший за обсягом і досить повільне, але все ж він набагато швидше, ніж оперативна пам'ять.


3. Гарвардська архітектура

Гарвардська архітектура відрізняється від архітектури фон Неймана тим, що програмний код і дані зберігаються в різній пам'яті. У такій архітектурі неможливі багато методи програмування (наприклад, програма не може під час виконання змінювати свій код; неможливо динамічно перерозподіляти пам'ять між програмним кодом та даними); зате Гарвардська архітектура дозволяє більш ефективно виконувати роботу в разі обмежених ресурсів, тому вона часто застосовується у вбудованих системах.


4. Паралельна архітектура

Архітектура фон Неймана володіє тим недоліком, що вона послідовна. Який би величезний масив даних ні потрібно обробити, кожен його байт повинен буде пройти через центральний процесор, навіть якщо над всіма байтами потрібно провести одну і ту ж операцію. Цей ефект називається вузьким горлечком фон Неймана.

Для подолання цього недоліку пропонувалися і пропонуються архітектури процесорів, які називаються паралельними. Паралельні процесори використовуються в суперкомп'ютерах.

Можливими варіантами паралельної архітектури можуть служити (по класифікації Флінна):

  • SISD - один потік команд, один потік даних;
  • SIMD - один потік команд, багато потоків даних;
  • MISD - багато потоків команд, один потік даних;
  • MIMD - багато потоків команд, багато потоків даних.

4.1. Цифрові сигнальні процесори

Для цифрової обробки сигналів, особливо при обмеженому часу обробки, застосовують спеціалізовані високопродуктивні сигнальні мікропроцесори (DSP) з паралельною архітектурою.

5. Процес виготовлення

Спочатку перед розробниками ставиться технічне завдання, виходячи з якого приймається рішення про те, якою буде архітектура майбутнього процесора, його внутрішній устрій, технологія виготовлення. Перед різними групами ставиться завдання розробки відповідних функціональних блоків процесора, забезпечення їх взаємодії, електромагнітної сумісності. У зв'язку з тим, що процесор фактично є цифровим автоматом, повністю відповідає принципам булевої алгебри, за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, що працює на іншому комп'ютері, будується віртуальна модель майбутнього процесора. На ній проводиться тестування процесора, виконання елементарних команд, значних обсягів коду, відпрацьовується взаємодія різних блоків пристрою, ведеться оптимізація, шукаються неминучі при проект такого рівня помилки.

Після цього з цифрових базових матричних кристалів і мікросхем, що містять елементарні функціональні блоки цифрової електроніки, будується фізична модель процесора, на якій перевіряються електричні і тимчасові характеристики процесора, тестується архітектура процесора, триває виправлення знайдених помилок, уточнюються питання електромагнітної сумісності (наприклад, при практично рядовий тактовій частоті в 10 ГГц відрізки провідника довжиною в 7 мм вже працюють як випромінюють або приймають антени).

Потім починається етап спільної роботи інженерів-схемотехніка і інженерів- технологів, які за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення перетворять електричну схему, що містить архітектуру процесора, в топологію кристала. Сучасні системи автоматичного проектування дозволяють, у загальному випадку, з електричної схеми безпосередньо отримати пакет трафаретів для створення масок. На цьому етапі технологи намагаються реалізувати технічні рішення, закладені схемотехніка, з урахуванням наявної технології. Цей етап є одним з найбільш тривалих і складних у розробці і іноді вимагає компромісів з боку схемотехнікою щодо відмови від деяких архітектурних рішень. Слід зазначити, що ряд виробників замовлених мікросхем (foundry) пропонує розробникам (дизайн-центру або fabless) компромісне рішення, при якому на етапі конструювання процесора використовуються подані ними стандартизовані відповідно до наявної технологією бібліотеки елементів і блоків ( Standard cell). Це вводить ряд обмежень на архітектурні рішення, зате етап технологічної підгонки фактично зводиться до гри в конструктор "Лего". У загальному випадку, виготовлені за індивідуальними проектами мікропроцесори є швидшими порівняно з процесорами, створеними на підставі наявних бібліотек.

Наступним, після етапу проектування, є створення прототипу кристала мікропроцесора. При виготовленні сучасних надвеликих інтегральних схем використовується метод літографії. При цьому, на підкладку майбутнього мікропроцесора (тонкий коло з монокристалічного кремнію, або сапфіру) через спеціальні маски, що містять прорізи, по черзі наносяться шари провідників, ізоляторів і напівпровідників. Відповідні речовини випаровуються в вакуумі і осідають крізь отвори маски на кристалі процесора. Іноді використовується травлення, коли агресивна рідина роз'їдає не захищені маскою ділянки кристала. Одночасно на підкладці формується близько сотні процесорних кристалів. У результаті з'являється складна багатошарова структура, яка містить від сотень тисяч до мільярдів транзисторів. Залежно від підключення транзистор працює в мікросхемі як транзистор, резистор, діод або конденсатор. Створення цих елементів на мікросхемі окремо, в загальному випадку, не вигідно. Після закінчення процедури літографії підкладка розпилюється на елементарні кристали. До сформованим на них контактних площадок (із золота) припаюються тонкі золоті провідники, які є перехідниками до контактних майданчиків корпусу мікросхеми. Далі, в загальному випадку, кріпиться теплоотвод кристала і кришка мікросхеми.

Потім починається етап тестування прототипу процесора, коли перевіряється його відповідність заданим характеристикам, шукаються залишилися непоміченими помилки. Тільки після цього мікропроцесор запускається у виробництво. Але навіть під час виробництва йде постійна оптимізація процесора, пов'язана з удосконаленням технології, новими конструкторськими рішеннями, виявленням помилок.

Слід зазначити, що паралельно з розробкою універсальних мікропроцесорів, розробляються набори периферійних схем ЕОМ, які будуть використовуватися з мікропроцесором і на основі яких створюються материнські плати. Розробка мікропроцесорного набору ( чіпсета, англ. chipset ) Являє завдання, не менш складну, ніж створення власне мікросхеми мікропроцесора.

В останні кілька років намітилася тенденція перенесення частини компонентів чіпсета (контролер пам'яті, контролер шини PCI Express) до складу процесора (докладніше див Система на кристалі).


5.1. Енергоспоживання процесорів

З технологією виготовлення процесора тісно пов'язане і його енергоспоживання. Перші процесори архітектури x86 споживали мізерне (за сучасними мірками) кількість енергії, що становить частки вата. Збільшення кількості транзисторів і підвищення тактової частоти процесорів призвело до істотного зростання даного параметра. Найбільш продуктивні моделі вимагають до 130 і більше ват. Несуттєвий на перших порах фактор енергоспоживання, зараз чинить серйозний вплив на еволюцію процесорів:

  • вдосконалення технології виробництва для зменшення споживання, пошук нових матеріалів для зниження струмів витоку, зниження напруги живлення ядра процесора;
  • поява сокетів (роз'ємів для процесорів) з великим числом контактів (більше 1000), більшість яких призначений для живлення процесора. Так у процесорів для популярного сокета LGA775 число контактів основного харчування складає 464 штуки (близько 60% від загальної кількості);
  • зміна компоновки процесорів. Кристал процесора перемістився з внутрішньої на зовнішню сторону, для кращого відведення тепла до радіатора системи охолодження;
  • інтеграція в кристал температурних датчиків і системи захисту від перегріву, знижує частоту процесора або взагалі зупиняє його при неприпустиме збільшення температури;
  • поява в новітніх процесорах інтелектуальних систем, динамічно змінюють напруга живлення, частоту окремих блоків і ядер процесора, і відключати не використовувані блоки і ядра;
  • поява енергозберігаючих режимів для "засинання" процесора, при низькому навантаженні.

6. Виробники

Найбільш популярні процесори сьогодні виробляють фірми Intel, AMD і IBM. Більшість процесорів, що використовуються в даний час, є Intel-сумісними, тобто мають набір інструкцій і інтерфейси програмування, подібні з використовуваними в процесорах компанії Intel.

Серед процесорів від Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (спрощений варіант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Xeon (серія процесорів для серверів), Itanium, Atom (серія процесорів для вбудованої техніки) та ін AMD має в своїй лінійці процесори архітектури x86 (аналоги 80386 і 80486, сімейство K6 і сімейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) і x86-64 ( Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron та ін.) Процесори IBM ( POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) використовуються в суперкомп'ютерах, в відеоприставка 7-го покоління, вбудовуваної техніки; раніше використовувалися в комп'ютерах фірми Apple. За даними компанії IDC, за підсумками 2009 р. на ринку мікропроцесорів для настільних ПК, ноутбуків і серверів частка корпорації Intel склала 79,7%, частка AMD - 20,1%. [5]

Частки по роках:

Рік Intel AMD Інші
2007 78,9% 13,1% 8,0%
2008 80,4% 19,3% 0,3%
2009 79,7% 20,1% 0,2%
2010 80,8% 18,9% 0,3%
2011 [1] 83,7% 10,2% 6,1%

6.1. СРСР / Росія

В радянських часів одним з найбільш затребуваних через його безпосередній простоти і зрозумілості, став задіяний в навчальних цілях МПК КР580 - набір мікросхем, копія набору мікросхем Intel 82xx. Використовувався у вітчизняних комп'ютерах, таких як Радіо 86РК, ЮТ-88, Мікроша, і т. д.

Розробкою мікропроцесорів в Росії займаються ЗАТ " МЦСТ ", НИИС РАН і ЗАТ "ПКК Міландр". Також розробку спеціалізованих мікропроцесорів, орієнтованих на створення нейронних систем і цифрову обробку сигналів, ведуть НТЦ "Модуль" і ГУП НВЦ "Елвіс". Ряд серій мікропроцесорів також виробляє ВАТ " Ангстрем ".

НИИС розробляє процесори серії Комдив на основі архітектури MIPS. Техпроцес - 0.5 мкм, 0.3 мкм; КНС.

  • КОМДІВ32 (en: KOMDIV-32), 1890ВМ1Т, у тому числі у варіанті КОМДІВ32-С (5890ВЕ1Т), стійкому до впливу факторів космічного простору (іонізуючого випромінювання)
  • КОМДІВ64 (en: KOMDIV-64), КОМДІВ64-СМП
  • Арифметичний співпроцесор КОМДІВ128

ЗАТ ПКК Міландр розробляє 16-розрядний процесор цифрової обробки сигналів і 2-х ядерний процесор:

  • 2011, 1967ВЦ1Т - 16-розрядний процесор цифрової обробки сигналів, частота 50 МГц, КМОП 0.35 мкм
  • 2011, 1901ВЦ1Т - 2-х ядерний процесор, DSP (100 МГц) і RISC (100 МГц), КМОП 0.18 мкм

НТЦ "Модуль" розробив і пропонує мікропроцесори сімейства NeuroMatrix : [6]

  • 1998, 1879ВМ1 (NM6403) - високопродуктивний спеціалізований мікропроцесор цифрової обробки сигналів з ​​векторно-конвеєрної VLIW / SIMD архітектурою. Технологія виготовлення - КМОП 0.5 мкм, частота 40 МГц.
  • 2007, 1879ВМ2 (NM6404) - модифікація 1879ВМ1 із збільшеною до 80 МГц тактовою частотою і 2Мбітним ОЗУ, розміщеним на кристалі процесора. Технологія виготовлення - 0.25 мкм КМОП.
  • 2009, 1879ВМ4 (NM6405) - високопродуктивний процесор цифрової обробки сигналів з ​​векторно-конвеєрної VLIW / SIMD архітектурою на базі запатентованого 64-розрядного процесорного ядра NeuroMatrix. Технологія виготовлення - 0.25 мкм КМОП, тактова частота 150 МГц.
  • СБИС 1879ВМ3 - програмований мікроконтроллер з ЦАП і АЦП. Частота вибірок до 600 МГц (АЦП) і до 300 МГц (ЦАП). Максимальна тактова частота 150 МГц. [7]

ГУП НПЦ Елвіс розробляє і виробляє мікропроцесори серії " Мультикор " [8], відмінною рисою яких є несиметрична багатоядерність. При цьому фізично в одній мікросхемі містяться одне CPU RISC-ядро з архітектурою MIPS32, що виконує функції центрального процесора системи, і одне або більше ядер спеціалізованого процесора-акселератора для цифрової обробки сигналів з ​​плаваючою / фіксованою точкою ELcore-xx (ELcore = Elvees's core), заснованого на "гарвардської" архітектурі. CPU-ядро є провідним у конфігурації мікросхеми і виконує основну програму. Для CPU-ядра забезпечений доступ до ресурсів DSP-ядра, що є відомим по відношенню до CPU-ядра. CPU мікросхеми підтримує ядро ​​ОС Linux 2.6.19 або ОС жорсткого реального часу QNX 6.3 (Neutrino).

  • 2004, 1892ВМ3Т (MC-12) - однокристальна мікропроцесорна система з двома ядрами. Центральний процесор - MIPS32, сигнальний співпроцесор - SISD ядро ​​ELcore-14. Технологія виготовлення - КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пікова продуктивність 240 MFLOPs (32 біта).
  • 2004, 1892ВМ2Я (MC-24) - однокристальна мікропроцесорна система з двома ядрами. Центральний процесор - MIPS32, сигнальний співпроцесор - SIMD ядро ​​ELcore-24. Технологія виготовлення - КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пікова продуктивність 480 MFLOPs (32 біта).
  • 2006, 1892ВМ5Я (MC-0226) - однокристальна мікропроцесорна система з трьома ядрами. Центральний процесор - MIPS32, 2 сигнальних співпроцесора - MIMD ядро ​​ELcore-26. Технологія виготовлення - КМОП 250 нм, частота 100 МГц. Пікова продуктивність 1200 MFLOPs (32 біта).
  • 2008, NVCom-01 ("Навики") - однокристальна мікропроцесорна система з трьома ядрами. Центральний процесор - MIPS32, 2 сигнальних співпроцесора - MIMD DSP-кластер DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Технологія виготовлення - КМОП 130 нм, частота 300 МГц. Пікова продуктивність 3600 MFLOPs (32 біта). Розроблено в якості телекомунікаційного мікропроцесора, містить вбудовану функцію 48-канальної ГЛОНАСС / GPS навігації.

Як перспективний проекту НПЦ Елвіс представлений MC-0428 - процесор MultiForce - однокристальна мікропроцесорна система з одним центральним процесором і чотирма спеціалізованими ядрами. Технологія виготовлення - КМОП 130 нм, частота до 340 МГц. Пікова продуктивність очікується не менше 8000 MFLOPs (32 біта).

ВАТ " Ангстрем "виробляє (не розробляє) наступні серії мікропроцесорів:

  • 1839 - 32-розрядний VAX -11/750-совместімий мікропроцесорний комплект із 6 мікросхем. Технологія виготовлення - КМОП, тактова частота 10 МГц.
  • 1836ВМ3 - 16-розрядний LSI-11/23-совместімий мікропроцесор. Програмно сумісний з PDP-11 фірми DEC. Технологія виготовлення - КМОП, тактова частота 16 МГц.
  • 1806ВМ2 - 16-розрядний LSI/2-совместімий мікропроцесор. Програмно сумісний з LCI-11 фірми DEC.Технологія виготовлення - КМОП, тактова частота 5 МГц.
  • Л1876ВМ1 32-розрядний RISC мікропроцесор. Технологія виготовлення - КМОП, тактова частота 25 МГц.

З власних розробок Ангстрема можна відзначити однокристальних 8-розрядну RISC мікроЕОМ Тесей.

Компанією МЦСТ розроблено та впроваджено у виробництво сімейство універсальних SPARC-сумісних RISC-мікропроцесорів з проектними нормами 130 і 350 нм і частотами від 150 до 500 МГц (докладніше див статтю про серію - МЦСТ-R і про обчислювальних комплексах на їх основі Ельбрус-90мікро). Також розроблений VLIW -процесор Ельбрус з оригінальною архітектурою ELBRUS, використовується в комплексах Ельбрус-3М1). Основні споживачі російських мікропроцесорів - підприємства ВПК.


6.2. Китай

6.3. Японія

  • NEC VR (MIPS, 64 bit)
  • Hitachi VR (RISC) [9]

7. Визначення моделі

В Linux визначити модель і параметри встановленого процесора, не відкриваючи корпусу, можна прочитавши файл / proc / cpuinfo.

В операційних системах Windows дізнатися модель встановленого процесора, тактову частоту, кількість ядер і т.д. можна, запустивши програму dxdiag (Win + R -> dxdiag).

Примітки

  1. 4004 datasheet - download.intel.com/museum/archives/pdf/4004_datasheet.pdf (у документі говориться, що цикл інструкції триває 10,8 мікросекунд, а в рекламних матеріалах Intel - 108 кГц)
  2. AMD Barcelona вже у продажу - www.osp.ru/cw/2007/33/4341909/
  3. AMD Phenom: тести цього чотирьохядерного процесора - www.thg.ru / cpu / amd_phenom / index.html
  4. Сайт overclockers.ua: "AMD дала зелене світло 8 - і 12-ядерним процесорам серії Opteron 6100" - www.overclockers.ua/news/hardware/2010-03-29/105401/
  5. CNews 2010 AMD "відкусила" частку ринку в Intel - www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2010/01/27/377471
  6. Інформація про мікропроцесори виробництва НТЦ Модуль - www.module.ru / ruproducts / proc.shtml
  7. НТЦ "Модуль" - www.module.ru / ruproducts / proc / dsm.shtml
  8. Інформація про мікропроцесори виробництва ГУП НТЦ Елвіс - multicore.ru / index.php? id = 27
  9. Made in--Japan Microprocessors May 1997 - www.japaninc.com/cpj/magazine/issues/1997/may97/0597made.html

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Графічний процесор
Багатоядерний процесор
Скалярний процесор
Векторний процесор
Текстовий процесор
Фізичний процесор
Цифровий сигнальний процесор
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru