Перспективы развития микропроцессоров

Семь поколений процессоров. Технология производства микропроцессоров. Сравнительные характеристики процессоров AMD и Intel на ядре Clarkdale. Квазимеханические решения на основе нанотрубок. Одновременная работа с Firefox и Windows Media Encoder.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Быстодействие компьютера зависит прежде всего от того, какой центральный процессор в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной. Если же скорости процессора не хватает, то есть риск, что рабочий процесс превратится в нервотрепку как для рядового пользователя, так и для сотрудника научно-исследовательского центра.

Конечно, тактовая частота процессора является одной из основных характеристик, но далеко не единственной. К примеру такая характеристика, как технологический процесс производства (проектная норма процессора), определяет в первую очередь структурный размер тех элементов, из которых состоит процессор. В частности, от него напрямую зависят размеры транзисторов и их характеристики (длина затвора, время переключения, энергопотребление и т.д.) Статья основанная на пресс-релизе корпорации Intel [Электронный ресурс].

Величина транзисторов в персональных компьютерах, выпущенных IBM в 1983 году, составляла 10 мкм. Сегодня их характерный размер - 0,25 мкм. За это же время тактовая частота процессоров возросла более чем в 50 раз, а плотность транзисторов на кристалле увеличилась в 20 раз Соучек, Б. Микропроцессоры и микроЭВМ.- М.,2005.-С.20..

Полупроводниковая индустрия обладает уникальной способностью поддерживать очень высокие темпы технологического развития на протяжении долгого периода времени. Это позволяет производителям из года в год снижать цены на свои продукты, одновременно увеличивая их быстродействие и расширяя функциональность.

Но бесконечное увеличение скорости вряд ли возможно, ведь существуют чисто физические ограничения. Тем не менее, сотни исследователей, представляющих самые различные организации, упорно трудятся, пытаясь преодолеть технологические барьеры Нестеров, П. В. Микропроцессоры. Архитектура и ее оценка.-М., 2006.-С.64..

Цель выпускной квалификационной работы:

· Изучение перспектив развития микропроцессоров

Задачи выпускной квалификационной работы:

· изучить различные микропроцессоры;

· проанализировать и сравнить эксплуатационные характеристики микропроцессоров;

· изучить новые технологии изготовления микропроцессоров

Актуальность:

В настоящее время переход к новым поколениям вычислительных средств приобретает особую актуальность. Это связано с потребностями решения сложных задач больших размерностей. Непрерывный рост характеристик требует разработки и создания принципиально новых вычислительных средств для поддержки их эффективного функционирования.

Возможность достижения высоких частот работы современных микропроцессоров напрямую зависит от количества транзисторов. Однако, ее проектирование усложняется факторами, отражающими современные тенденции в полупроводниковой индустрии:

· Переход к новым технологиям. Уменьшение технологических размеров приводит к росту неточности контроля за размерами структур на кристалле в процессе изготовления, негативно влияющих на производительность.

· Увеличение степени интеграции приводит к росту флуктуаций напряжения питания и наводок, увеличению нагрузки на процессор и удлинению пути распространения сигнала.

В конечном итоге эти факторы приводят к снижению производительности микропроцессора и к увеличению накладных расходов на организацию архитектуры. Требуется более сложная методология разработки, которая позволит увеличить мощность и быстродействие.

В практической части выпускной квалификационной работы показаны результаты комплексного анализа процессоров фирм AMD и Intel.

1. Развитие и производство микропроцессоров

1.1 Семь поколений процессоров

Первое поколение (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) задало архитектурную основу - набор «неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах применялась «малая» конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.

Втрое поколение (80286 и сопроцессор 80287) добавило в семейство так называемый «защищённый режим», позволяющий употреблять виртуальную память размером до 1Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищённый режим является основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Производительность процессоров 80286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера.

Третье поколение (80386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от -32768 до +32767, а 32 бита - более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. На этих процессорах начала широко использоваться система Microsoft Windows.

Четвертое поколение (80486 также DX и SX) не внесло существенных изменений в архитектуру, зато был принят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах значительно усложнен исполнительный конвейер. В данном поколении отказались от внешнего сопроцессора - он стал размещаться на одном кристалле с центральным (либо его нет совсем).

Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана 64-разрядной, из-за чего их первое время иногда ошибочно называли 64-разрядными процессорами. «На закате» этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions {instruction set} - набор команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension {instruction set} - набор команд для мультимедиа-расширения)). Традиционные 32-разрядные процессоры способны выполнять сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не употребляются, и потому, например, при одной операции сложения ADD осуществляется просто сложение двух 8-разрядных чисел. Команды ММХ оперируют сразу с 64 разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе одной операции ADD Бачило, А.Г. Два путешествия с компьютером.-М.,2004.-С.24.. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Такой принцип получил название SIMD (Single Instruction/Multiple Data - «один поток команд/много потоков данных»). Новые команды были предназначены в первую очередь для ускорения выполнения мультимедиа программ, но применять их можно не только к задачам, прямо связанным с технологией мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики - с насыщением: если результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или «антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или минимально) возможное значение числа Байцер, Б. Архитектура вычислительных комплексов.-М.,2004.- С.34..

Шестое поколение процессоров началось с Pentium Pro и продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD сюда относятся процессоры К6, К6-2, К6-2+, К6-III). Ключевым здесь является динамическое исполнение, под которым понимается исполнение команд не в том порядке, как это предполагается программным кодом, а в том, как «удобно» процессору. Как пятое поколение по ходу развития было дополнено расширением ММХ, так шестое поколение получило расширения, увеличивающие возможности ММХ. У AMD это расширение 3dNnoy!, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions - потоковые расширения SIMD).

Седьмое поколение началось с процессора Athlon (у фирмы AMD). Причисление его к новому поколению обусловлено развитием суперскалярности и суперконвейерности. Седьмое поколение процессоров Intel началось позже с процессора Pentium 4.

1.2 Технология производства

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU - запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов "гонки частот" связано пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат Балашов, Е. П., Григорьев В. Л., Петров Г. А. Микро- и миниЭВМ.-Л.,- 2004. - С.89..

Производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы. Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих...