Центральный процессор. Что такое центральный процессор? О гигагерцах и нанометрах
Все электронные компоненты компьютера построены на основе транзисторов . Принцип работы транзистора был открыт тремя учёными в конце 40-х годов, работавшими в компании Bell Labs. Этими учёными были Вильям Шоклей (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Вальтер Брэтнен (Walter Brettain). В 1954 году им была присуждена Нобелевская премия. Важность и значение открытия транзистора для дальнейших разработок в компьютерной отрасли равносильно открытию в своё время колеса и способов добычи огня.
Первый компьютер получивший название ENIAC (elecronic Numeracal Integrator and Computer), был разработан в начале 40-х годов.
Компьютер ENIAC на основе электронных ламп.
В то время не были изобретены транзисторы, поэтому компьютер был изготовлен на основе тысяч громоздких и неудобных вакуумных ламп, а для его размещения потребовалось несколько комнат. Вес достигал 27 тонн. Вакуумные лампы сильно нагревались, были очень ненадёжными и требовали много электроэнергии. Когда ENIAC включали - огни близлежащего города каждый раз тускнели. ENIAC выполнял всего несколько функций. Сегодня эти операции делает любой карманный калькулятор.
С момента изобретения первого транзистора был совершён огромный скачок вперёд в области компьютерной техники. Транзисторы — более простые в изготовлении, дешевле, легче, надёжнее и потребляют гораздо меньше энергии.
Первый транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надёжнее.
Как можно заставить транзистор работать на нас? Говоря упрощённо, мы используем для этого программное обеспечение, которое и даёт указания компьютеру на включение и выключение транзисторов и в итоге приводит к решению поставленной задачи. В процессе выполнения любых программ происходит генерация последовательности электрических импульсов (цифровых сигналов) в виде наличия двух уровней напряжения. Данная последовательность и определяет работу транзисторов.
Естественно, чем более универсальным является программное обеспечение и чем больше транзисторов используется, тем более сложную и трудоёмкую работу может выполнить компьютер.
В компьютере транзистор работает как переключатель и состоит из трёх основных элементов: коллектора, эмиттера и базы. Предположим, что коллектор транзистора подключён к положительному полюсу 6 — вольтовой батареи, а эмиттер к отрицательному полюсу. Электроны не будут при этом проходить через транзистор (он закрыт). Но если мы подадим небольшое (открывающее) напряжение, на базу, то транзистор откроется и через него на участке коллектор-эмиттер пойдёт ток.
В компьютере используются миллионы транзисторов. Например процессор Intel core i7 содержит около миллиарда транзисторов.
Транзисторы в процессоре, на материнской плате, различных картах расширения и периферийных устройствах реагируют на цифровые сигналы, поступающие от других устройств.
Таким образом современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей – транзисторов.
1. Технологический процесс
2. Частота процессора
3. Тепловыделение
4. Кэш память, уровни
5. Intel, AMD
6. Socket - способ крепления процессора
7. Как выбрать процессор?
Технологический процесс
Процесс развития процессоров, если увлекаться, интересное занятие. Начиналось всё с микросхем, у которых частота измерялась в килогерцах. Затем технологии совершенствовались, транзисторов становилось всё больше и больше, их размеры всё меньше и меньше, тем самым увеличивалась частота, уменьшалось энергопотребление и тепловыделение. В итоге сегодня у нас есть процессоры, частоты которых измеряются в несколько гигагерц, а благодаря уменьшению техпроцесса, есть возможность уместить несколько кристаллов (ядер) в одной подложке и разместить огромное количество транзисторов, плюс добавить память процессору (кэш).
В итоге имеем эффективные многоядерные процессоры с высокой частотой, несколько уровневой памятью, уменьшенным энергопотреблением и сравнительно небольшим тепловыделением.
Технологические процессы начинались от 10 микрометров (мкм - 10 -6) и сегодняшних процессов до 10 нанометров (нм - 10 -9)
В кратце процесс создания: Выплавляется кусок кремния в цилиндрическую форму, затем нарезается на тонкие пластины и на них наносятся микросхемы, затем монтируется это всё в корпус и герметизируется. Все этапы производства очень сложны и высокотехнологичны.
Вот как выглядит пластина с нанесёнными на неё микросхемами.
И немного увеличенный вариант пластины с готовыми кристаллами.
22 нм и 20 нм техпроцессы соответствуют производству сегодняшних процессоров: Intel Ivy Bridge, Intel Haswell (Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7).
Celeron и Pentium из этой группы в современных модификациях. Немного улучшены для доступности в цене, добавлена поддержка 64-х битной разрядности, кэш - память, однако всё равно слабо справляются с современными задачами, особенно Celeron.
Количество транзисторов в процессорах, со времён создания, изменялось от пары тысячь до сегодняшних почти 2-х миллиардов!
Интересно существует ли предел?
Частота процессора
Можно было бы сказать что, чем больше частота тем лучше, но это совсем не так. Лучше, если процессоры сделаны по одной архитектуре. В остальных случаях производительность зависит от архитектуры процессора, уровней и объёма кэш памяти процессора, а так же от частоты системной шины. Если она меньше (она обычно меньше), то частота процессора будет понижаться до её частот и процессор будет простаивать пока данные будут переданы по систмной шине (материнской плате).
Первый процессор был представлен 15 ноября 1971 года и имел частоту 740 кГц. На сегодня самые можные процессоры могут достигать частоты до 5 ГГц.
Ещё одно ошибочное мнение бытует (я сам слышал от некоторых), что если процессор многоядерный и у него частота допустим 2,6Ггц, то каждое ядро работает на этой частоте. Это абсолютно не верно! Это суммарная частота всех ядер. Эту максимальную частотe надо поделить на количество ядер и получится частота одного ядра.
Ниже приблизительный график изменения частоты процессоров (Ггц) и техпроцесса (нм).
Со временем техпроцесс становится меньше, а частота увеличивается и уменьшается энергопотребление.
Тепловыделение (TDP)
Процессоры выделяют большое количество тепла, без охлаждения буквально за четыре секунды могут нагреться до 90 градусов и естественно сгореть, а если есть система защиты от перегрева, то отключить систему.
Поэтому важно следить за состоянием радиатора с кулером, периодически очищать от пыли, при необходимости смазывать кулер или заменить. Перегрев так же может служить следствием торможения и зависания системы.
Если сравнивать тепловыделение между производителями процессоров Intel и AMD, то у последних оно гораздо выше. Что в общем то лично меня не устраивает. Так как процессор будет сильнее греться, следовательно охлаждение будет интенсивней работать, больше нагнетать воздуха и пыль вместе с ним, что приводит к скорейшему засорению радиатора и кулера, нарастанию пыльной корки, закупорки рёбер радиатора, препятствию прохождение воздуха и перегреву, а так же шум от интенсивного вращения кулера, ведь он будет с большей мощностью пытаться охладить систему.
Кэш - память (SRAM), уровни (L1, L2, L3)
Здесь опишу работу в кратце её работу. Обо всех типах памяти можете почитать в статье Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
У нас есть процессор, у него есть память первого уровня L1, она работает на частоте равной частоте процессора, то есть данные хранящиеся в этой памяти мгновенно поступят для обработки в процессор. Если этих данных в этой памяти нет, то идёт обращение к памяти уровня L2, которая чуть медленнее, но объём её немного больше. Далее, если данных нет в вышестоящей памяти, идёт обращение к памяти уровня L3, если таковая имеется, аналогично она медленнее, но больше. Ну и в последнюю очередь идёт обращение к оперативной памяти.
Пока идёт обращение к оперативной памяти, процессор простаивает. Простой занимает немного времени, какие то доли секунды, но в совокупности это может занять продолжительное время.
Intel, AMD
Именно Intel и AMD являются лидерами рынка по производству процессоров, особенно Intel с долей около 87%.
Не буду начинать с самых древних процессоров, а пробежимся с самых ходовых на сегодняшний день. Список общий, так как в микроархитектуру могут входить и другие техпроцессы под своими кодовыми названиями:
Nehalem (1-е поколение).
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Sandy Bridge (2-е поколение)
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Ivy Bridge (3-е поколение)
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Haswell (4-е поколение)
В первом и втором поколении Intel Celeron и Intel Pentium не стоит даже рассматривать при покупке, они уже своё изжили, современные задачи не вытягивают.
i3,i5,i7 разделяются по поколениям очень просто, по первой цифре в маркировке, например:
Intel Core i3 2100T - 2.5 ГГц, первая цифра в 2100Т это 2, значит процессор второго поколения.
Intel Core i5 3450 - 3.1 ГГц, первая цифра в 3450 это 3, значит процессор третьего поколения.
Intel Core i7 4770 - 3.4 ГГц, первая цифра в 4770 это 4, значит процессор третьего поколения.
Если в маркировке отсутствуют первые цифры 2,3,4, то скорее это процессор первого поколения.
Рассмотрим линейку процессоров FX от AMD, актуальную на данный момент.
Микроархитектура AMD для настольных ПК - Bulldozer
Четырёхядерные процессоры:
Шестиядерные процессоры:
Восьмиядерные процессоры:
Общее отличие между всеми ними это поддержка каких-нибудь технологий, нам не нужных, количеством ядер и частотой процессора. Главное отличие является цена. Я всё же писал что недолюбливаю AMD за огромное тепловыделение, однако можно подобрать модель соизмеримую по мощности с Intel, но дешевле. Хотя если процессор сильнее греется нужно подходящее охлаждение, которое тоже в копеечку обойдётся, так может быть не стоит искать аналог по дешевле?
Socket - способ крепления процессора
Socket (Сокет) - специальный разъём на материнской плате, предназначенный для установки процессора. На материнских платах производители указывают какие типы процессоров они поддерживают, на коробке или в описании можно это почитать. И в описании процессоров тоже указывается какие сокеты они поддерживают. Так что будьте внимательны. Это относится и к креплениям радиатора процессора. Крепления радиатора могут быть универсальными, то есть подходить к нескольким сокетам.
При установке процессора на материнскую плату имеются "ключи" (метки), для правильной установки. Например скошенный угол на процессоре и гнезде или выступы или углубления в подложке процессора и наоборот на разъёме.
Пример как выглядят метки на Сокете AM3
Пример Сокета 775
И последний пример Сокетов LGA 1366, 1150, 1155, 1156. С виду вроде выглядят одинково, но при установке процессора увидите разницу и невозможность неправильной установки в разъём. Нужно читать описание или характеристики.
Откуда такое разнообразие? Производство процессоров постоянно совершенствуется, меняется количество выводов и для того чтобы небыло путаницы в поддержке и установки процессора, придумывают разные способы крепления.
Как выбрать процессор?
Если для игр, то Вам всё равно придётся переплатить за встроенную графику, потому что топовые процессоры идут со встроенным видео, плюс раскошелится на мощную видеокарту. Здесь всё зависит от Ваших предпочтений. Для чего Вы будете использовать компьютер. Если для работы с документами, сёрфинга в интернете, просмотра видео, то подойдёт не самый мощный процессор. Я бы ещё приписал чтобы выбирали не со встроенной графикой, но тенденция такова что практически во все процессоры уже внедряют её. Даже наверное и к лучшему, не нужно отдельно покупать видеокарту.
Наверное самым оптимальным вариантом на сегодняшний день было бы приобретение процессора i5 от Intel второго поколения, в крайнем случае i3 на сокете LGA1155, так как эти процессоры в более менее доступной категории цен. Процессоры на i7 уж больно дорогие и в будущем, когда цены спадут можно без проблем обновиться до более производительного процессора. По моему остальные модификации не стоит рассматривать, они на сокетах предыдущих поколений, без возможности обновления конфигурации.
Например у меня до сих пор материнская плата на Socket LGA775 с процессором Intel Core 2Duo с 2008 года. Максимум как я могу его проапгрейдить это добавить оперативной памяти и например, поставить SSD диск. Если я захочу улучшить компьютер мне придётся обновлять весь компьютер, так как моя материнская плата уже не поддерживает процессоры нового поколения, поддержка оперативной памяти только DDR2, а в новых DDR3 или 4.
Во всяком случае Вам стоит ориентироваться на процессоры, поддерживающими актуальный и распространённый Socket, чтобы с большей вероятностью обновить свою конфигурацию оборудования в будущем. Хотя есть вероятность того что появятся новые виды процессоров и разъёмов, так что покупайте что сейчас актуально на рынке. Ещё есть такой слух что процессоры от Intel будут поддерживать только операционную систему Windows 10 и выше, кому она не по душе, тоже стоит призадуматься.
Есть такой замечательный сайт CPUBoss , в котором можно сравнить процессоры между собой по производительности, по параметрам и по цене. Так что вбивайте название процессоров и выбирайте лучший для Вас.
Недавно в московском Политехническом музее стенд вычислительной техники серьезно обновился - компания Intel разместила там свой стенд, который получил название "От песка до процессора ". Отныне этот стенд станет неотъемлемой частью школьных экскурсий, но даже взрослым я советую не откладывать посещение заведения на срок более пяти лет – к 2016 году компания Intel планирует серьёзно «проапгрейдить» музей, чтобы он смог войти в десятку лучших музеев науки в мире!
К этому событию был приурочен одноименный цикл лекций из трех частей. Две лекции уже прошло - их содержание вы сможете найти под катом. Ну а если вас все это заинтересует, то еще успеете посетить третюю лекцию, информация о которой находится в конце поста.
Мне не стыдно признаться – большая часть данного текста действительно является конспектом первой лекции, которую провел Николай Суетин
, директор по внешним проектам в сфере исследований и разработок Intel в России. По большей части, речь шла про современные полупроводниковые технологии и проблемы, которые перед ними стоят.
Предлагаю приступить к чтению интересного, и начнем мы с самых основ.
Процессор
Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов - это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели – транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная (10−9) часть метра.Основную часть работы при создании процессоров делают вовсе не люди, а роботизированные механизмы – именно они туда-сюда таскают кремниевые пластины. Цикл производства каждой пластины может доходить до 2-3 месяцев.
Более подробно (и наглядно) про технологию производства процессоров я еще расскажу, ну а пока совсем вкратце.
Пластины действительно делаются из песка – по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Путем химических реакций оксид кремния (SiO 2) тщательно очищают, делая из «грязного» чистый. Для микроэлектроники нужен монокристалличский кремний – его получают из расплава. Все начинается с небольшого кристалла (который и опускают в расплав) – позже он превращается в специальный монокристаллический «буль» ростом с человека. Далее убираются основные дефекты и специальными нитями (с алмазным порошком) буль нарезается на диски – каждый диск тщательно обрабатывается до абсолютно ровной и гладкой (на атомарном уровне) поверхности. Толщина каждой пластины около 1мм – исключительно для того, чтобы она не ломалась и не прогибалась, то есть, чтобы с ней было можно комфортно работать.
Диаметр каждой пластины составляет ровно 300мм – чуть позже на этой площади «вырастут» сотни, а то и тысячи процессоров. К слову, компании Intel, Samsung, Toshiba и TSMC уже сообщили о том, что занимаются разработкой оборудования, способного работать с 450мм-пластинами (на большей площади поместится больше процессоров, а значит и цена каждого будет ниже) – переход на них планируется уже к 2012 году.
Вот изображение поперечного сечения процессора:
Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.
Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).
Как я уже писал выше, элементарной ячейкой процессора является полевой транзистор. Первые полупроводниковые изделия были из германия и первые транзисторы изготавливались из него же. Но как только начали делать полевые транзисторы (под затвором которого находится специальный изолирующий слой - тонкая диэлектрическая пленка, управляющая «включением» и «выключением» транзистора), германий тут же «вымер», уступив дорогу кремнию. Последние 40 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO 2), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров.
Правило масштабирования простое – уменьшая размеры транзистора, толщина диэлектрика должна уменьшаться пропорционально. Так, например, в чипах с техпроцессом в 65нм толщина слоя диэлектрика затвора из SiO 2 составляла порядка 1.2 нм, что эквивалентно пяти атомарным слоям. Фактически, это физический предел для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора (а значит и уменьшения слоя диоксида кремния), ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастает, что приводит к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. В таком случае слой из диоксида кремния перестает быть препятствием для квантового туннелирования электронов, из-за чего пропадает возможность гарантированного управления состоянием транзистора. Соответственно, даже при идеальном изготовлении всех транзисторов (количество которых в современном процессоре достигает нескольких миллиардов), неправильная работа хотя бы одного из них означает неправильную работу всей логики процессора, что запросто может привести к катастрофе – это если учесть, что микропроцессоры осуществляют управление работой практически всех цифровых устройств (от современных сотовых телефонов до топливных систем автомобилей).
Процесс миниатюризации транзисторов не пошел вопреки законам физики, но и компьютерный прогресс, как мы видим, не остановился. Это значит, что проблему с диэлектриком каким-то образом решили. И ведь действительно решили – при переходе на 45нм компания Intel стала использовать новый материал, так называемый high-k диэлектрик, который заменил бесперспективно тонкий слой диоксида кремния. Слой на базе окиси редкоземельного металла гафния с высоким (20 против 4 у SiO 2) показателем диэлектрической проницаемости k (high-k) стал более толстым, но это позволило сократить ток утечки более чем в десять раз, сохранив при этом возможность корректно и стабильно управлять работой транзистора. Новый диэлектрик оказался плохо совместим с затвором из поликремния, но и это не стало препятствием - для повышения быстродействия затвор в новых транзисторах был выполнен из металла.
Таким образом, компания Intel стала первой в мире компанией, перешедшей к массовому производству микропроцессоров с использованием гафния. Более того, пальма первенства до сих пор принадлежит корпорации - до сих никто не может воспроизвести эту технологию, т.к. пленка из диэлектрика создается методом атомарного напыления, причем материал наносится последовательными слоями толщиной всего в один атом.
Интересно, после прочтения этих абзацев у вас возникла мысль о том, как миллиарды транзисторов проектируют, делают и умещают на такой маленькой площади? И как это в итоге все работает и, при этом, стоит вполне разумных денег? Я очень сильно призадумался, хотя раньше считал все это очевидным и у меня даже хватало совести думать «Эй, а чего так дорого? За один-то процессор только!
»:)
В 1965 году один из основателей корпорации Intel, Гордон Мур, зафиксировал эмпирическое наблюдение, ставшее впоследствии знаменитым законом его имени. Представив в виде графика рост производительности микросхем памяти, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя равные промежутки времени - примерно 18-24 месяца - после появления их предшественников, а емкость микросхем при этом возрастала каждый раз примерно вдвое.
Позже Гордон Мур предсказал закономерность, предположив, что количество транзисторов в микропроцессорах будет удваиваться каждые два года – собственно, постоянно создавая инновационные технологии, корпорация Intel обеспечивает выполнение закона Мура вот уже более 40 лет.
Количество транзисторов продолжает расти, хотя размеры процессора «на выходе» остаются относительно неизменными. Секрета, опять же, никакого нет – это становится понятным, если взглянуть на следующую зависимость.
Как видите, раз в два года топологические размеры уменьшаются в 0.7 раз. Как результат уменьшения размеров транзисторов – выше скорость их переключения, ниже цена и меньше потребляемая мощность.
На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32нм. Ключевые технические отличия от технологии 45нм:
- используется 9 уровней металлизации
- применяется high-k диэлектрик нового поколения (тоже оксид гафния, но со специальными добавками – полученный слой эквивалентен 0.9нм оксида кремния)
Создание нового технологического процесса для создания металлического затвора привело к 22% увеличению производительности всех транзисторов (по сравнению с 45нм), а так же к самой большой плотности элементов, что потребовало самой большой плотности тока.
Производство
Компания Intel производит процессоры в трех странах – это США, Израиль и Ирландия. На данный момент у компании существует 4 фабрики для массового производства процессоров по технологии 32нм. Это: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико. И в устройстве этих заводов и в их работе есть немало интересных вещей, но об этом я расскажу в следующий раз.
Стоимость такого завода составляет порядка $5млрд, а если делать сразу несколько заводов, то сумму инвестиций можно смело умножить. Если учесть, что смена технологий происходит раз в два года, то получается, что у завода есть ровно 4 года на то, чтобы «отбить» вложенные в него $5млрд и принести прибыль. Из чего напрашивается очевидный вывод - экономика очень даже диктует развитие технического прогресса… но, несмотря на все эти огромные цифры, стоимость производства одного транзистора продолжает падать - сейчас она составляет менее одной миллиардной доллара.
Не надо думать, что с переходом нескольких фабрик на 32нм, все вдруг станет производиться по этому техпроцессу – тем же чипсетам и другим периферийным схемам это просто не нужно – в большинстве случаев в них используется 45нм. Рубеж в 22нм планируется полноценно взять уже в следующем году, а к 2013 с большой вероятностью будет и 16нм. По крайней мере, в этом году уже была сделана тестовая пластина (на 22нм), на которой была продемонстрирована работоспособность всех элементов, необходимых для работы процессора.
* UPD от * Необходимость уменьшения толщины подзатворного диэлектрика диктуется простой формулой плоского конденсатора:
Площадь затвора транзистора уменьшается, а для работоспособности транзистора емкость подзатворного диэлектрика нужно сохранять.
Поэтому приходилось уменьшать его толщину, а когда это стало невозможно нашли материал с большей величиной диэлектрической проницаемости.
Когда закончится эра кремния? Точная дата пока неизвестна, но она определенно не за горами. В технологии 22нм он еще определенно «повоюет», скорее всего и в 16нм останется… а вот дальше начнется самое интересное. Периодическая таблица, в принципе, достаточно большая и выбрать есть из чего) Но скорее всего, всё упрется не только в химию. Увеличения эффективности работы процессора можно будет добиться либо уменьшение топологические размеры (сейчас так и делают), либо используя другие соединения, обладающие более высокой подвижностью носителей – возможно, арсенид галлия, возможно «нашумевший» и перспективный графен (кстати, у него подвижность в сотни раз выше, чем у кремния). Но и тут есть проблемы. Сейчас технологии рассчитаны на обработку пластин с диаметром в 300мм – нужного для такой пластины количества арсенида галлия просто нет в природе, а графен (ворд настойчиво предлагает писать «графин») такого размера изготовить еще крайне сложно – делать это научились, но много дефектов, проблемы воспроизведения, легирования и т.д.
Скорее всего, следующим шагом станет нанесение монокристаллического арсенида галлия на кремний, а вот потом уже графен. А, возможно, развитие микроэлектроники пойдет не только по пути улучшения технологий, но и по пути развития принципиально новой логики – такое ведь тоже исключать нельзя. Сделаем ставки, господа? ;)
В общем, сейчас идет борьба за технологии и высокие подвижности. Но понятно одно – причин для остановки прогресса нет.
Тик-так
Процесс изготовления процессоров состоит из двух больших «частей». Для первой нужно иметь саму технологию изготовления, а для второй нужно понимание того, ЧТО изготавливать и как - архитектуру (то как соединены транзисторы). Если одновременно сделать и новую архитектуру и новую технологию, то в случае неудачи будет сложно найти «виновных» - одни будут говорить, что виноваты «архитекторы», другие – что технологи. В общем, следовать такой стратегии очень недальновидно.В компании Intel введение новой технологии и архитектуры разнесено по времени – в один год вводится технология (и уже отработанная архитектура производится по новой технологии – если что-то пойдет «не так», то виноваты будут технологи); а когда новая технология будет отработана – архитекторы сделают под нее новую архитектуру и если на отработанной технологии что-то не заработает, то виноваты будут уже архитекторы. Такую стратегию назвали «Тик-так».
Более наглядно:
С существующими темпами развития технологий, требуются фантастических размеров вложения в исследования и разработку - ежегодно Intel вкладывает в это дело $4-5млрд. Часть работы происходит внутри компании, но очень многое – за ее пределами. Просто держать в компании целую лабораторию на подобии Bell Labs
(кузница нобелевских лауреатов) в наше время практически невозможно.
Как правило, первые идеи закладываются в университетах – для того, чтобы университеты знали над чем именно имеет смысл работать (какие технологии востребованы и что будет актуально), все «полупроводниковые компании» были объединены в консорциум. После этого они предоставляют своего рода roadmap – в нем говорится о всех проблемах, которые будут стоять перед полупроводниковой промышленностью в ближайшие 3-5-7 лет. По идее, любая компания вправе буквально зайти в университет и «воспользоваться» той или иной инновационной разработкой, но права на них, как правило, остаются у университета-разработчика – такой подход называется «открытыми инновациями». Компания Intel не стала исключением и периодически прислушивается к идеям студентов – после защиты, отбора на инженерном уровне и тестирования в реальных условиях, у идеи есть все шансы стать новой технологией.
Вот список исследовательских центров по всему миру, с которыми работает Intel (кроме университетов):
Увеличение производительности приводит к удорожанию фабрик, а это в свою очередь ведёт к естественному отбору. Так, например, чтобы окупить себя за 4 года, каждая фабрика Intel должна выпускать минимум 100 работающих пластин в час. На каждой пластине тысячи чипов… и если произвести определенные расчеты, то станет понятно - не будь у Intel 80% мирового рынка процессоров, компания просто не смогла бы окупать расходы. Вывод – иметь у себя и собственный «дизайн» и собственное производство в наше время достаточно накладно – как минимум нужно иметь огромный рынок. Результат естественного отбора можно видеть ниже – как видно, со своим «дизайном» и производством в ногу с техническим прогрессом шагает все меньше и меньше компаний. Всем остальным пришлось перейти в режим fabless – так, например, ни у Apple, ни у NVIDIA, ни даже у AMD нет собственных фабрик и им приходится пользоваться услугами других компаний.
Помимо Intel, к технологии 22нм во всем мире потенциально готовы только две компании - Samsung и TSMC, вложившие в прошлом году в свои фабрики более $1млрд. Причем у TSMC нет своего подразделения дизайна (только лишь foundry) – по сути, это просто высокотехнологичная кузница, которая принимает заказы от других компаний и часто даже не знает того, что куёт.
Как можно заметить, естественный отбор прошел достаточно быстро – всего за 3 года. Отсюда можно сделать два вывода. Первый – что без своей фабрики лидером индустрии стать вряд ли получится; второй – по сути, преуспевать можно и без своего завода. По большому счету хватит хорошего компьютера, мозгов и умения «рисовать» - порог вхождения на рынок сильно снизился и именно по этой причине появилось очень много «стартапов». Некто придумывает некую схему, для которой есть или искусственно создается некий рынок - начинающие производители поднимаются… PROFIT! Но вот порог на рынок foundry сильно поднялся и дальше будет только расти…
Что еще поменялось за последние годы? Если повспоминать, то года так до 2004 утверждение «чем больше частота процессора, тем лучше» было вполне справедливым. Начиная с 2004-2005 частота процессоров почти перестала расти, что связано с выходом на своего рода физические ограничения. Сейчас наращивать производительность можно за счет многоядерности - выполняя задачи параллельно. Но сделать много ядер на одном чипе не является большой проблемой – гораздо сложнее заставить их правильно работать в нагрузке. Как следствие – с этого момента роль софта кардинально возросла и значимость профессии «программист» в ближайшее время будет только набирать обороты.
В общем, подводя итог вышесказанному
:
- Закон Мура продолжает действовать
- Рост стоимости разработки новых технологий и материалов, а также затраты на содержание фабрик растут
- Производительность также растет. Ожидается скачок при переходе на 450мм пластины
Как результат
:
- Разделение компаний на «fabless» и «foundry»
- Outsource основных R&D
- Дифференциация за счет развития софта
The end
Вам было интересно читать? Надеюсь. Как минимум, мне было интересно все это написать и еще интересней было это слушать… хотя тоже сперва подумал, «да что на этой лекции расскажут».На прошлой неделе в московском Политехническом музее состоялась вторая лекция, которую
Наверное, каждый пользователь мало знакомый с компьютером сталкивался с кучей непонятных ему характеристик при выборе центрального процессора: техпроцесс, кэш, сокет; обращался за советом к друзьям и знакомым, компетентным в вопросе компьютерного железа. Давайте разберемся в многообразии всевозможных параметров, потому как процессор – это важнейшая часть вашего ПК, а понимание его характеристик подарит вам уверенность при покупке и дальнейшем использовании.
Центральный процессор
Процессор персонального компьютера представляет собой микросхему, которая отвечает за выполнение любых операций с данными и управляет периферийными устройствами. Он содержится в специальном кремниевом корпусе, называемом кристаллом. Для краткого обозначения используют аббревиатуру — ЦП (центральный процессор) или CPU (от англ. Central Processing Unit – центральное обрабатывающее устройство). На современном рынке компьютерных комплектующих присутствуют две конкурирующие корпорации, Intel и AMD , которые беспрестанно участвуют в гонке за производительность новых процессоров, постоянно совершенствуя технологический процесс.
Техпроцесс
Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП. Суть заключается в том, что постоянное совершенствование методики изготовления позволяет уменьшать размер этих компонентов. В результате на кристалле процессора их размещается гораздо больше. Это способствует улучшению характеристик CPU, поэтому в его параметрах всегда указывают используемый техпроцесс. Например, Intel Core i5-760 выполнен по техпроцессу 45 нм, а Intel Core i5-2500K по 32 нм, исходя из этой информации, можно судить о том, насколько процессор современен и превосходит по производительности своего предшественника, но при выборе необходимо учитывать и ряд других параметров.
Архитектура
Также процессорам свойственно такая характеристика, как архитектура - набор свойств, присущий целому семейству процессоров, как правило, выпускаемому в течение многих лет. Говоря другими словами, архитектура – это их организация или внутренняя конструкция ЦП.
Количество ядер
Ядро
– самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора, способное выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена (к примеру, ядро процессора AMD – Zambezi, а Intel – Lynnfield). С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры
смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. Например, линейки процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad от Intel, в которых используются двухъядерные и четырехъядерные ЦП, соответственно. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.
Частота
Помимо количества ядер на производительность влияет тактовая частота . Значение этой характеристики отражает производительность CPU в количестве тактов (операций) в секунду. Еще одной немаловажной характеристикой является частота шины (FSB – Front Side Bus) демонстрирующая скорость, с которой происходит обмен данных между процессором и периферией компьютера. Тактовая частота пропорциональна частоте шины.
Сокет
Чтобы будущий процессор при апгрейде был совместим с имеющейся материнской платой, необходимо знать его сокет. Сокетом называют разъем , в который устанавливается ЦП на материнскую плату компьютера. Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Различные сокеты соответствуют определенным типам CPU, таким образом, каждый разъём допускает установку процессора определённого типа. Компания Intel использует сокет LGA1156, LGA1366 и LGA1155, а AMD — AM2+ и AM3.
Кэш
Кэш - объем памяти с очень большой скоростью доступа, необходимый для ускорения обращения к данным, постоянно находящимся в памяти с меньшей скоростью доступа (оперативной памяти). При выборе процессора, помните, что увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность большинства приложений. Кэш центрального процессора различается тремя уровнями (L1, L2 и L3 ), располагаясь непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из оперативной памяти для более высокой скорости обработки. Стоит также учесть, что для многоядерных CPU указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра. Кэш второго уровня выполняет аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. Если вы предполагаете использовать процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша второго уровня будет предпочтительнее, учитывая что для многоядерных процессоров указывается суммарный объем кэша L2. Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, такие как AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может достигать 30 Мб.
Энергопотребление
Энергопотребление процессора тесно связано с технологией его производства. С уменьшением нанометров техпроцесса, увеличением количества транзисторов и повышением тактовой частоты процессоров происходит рост потребления электроэнергии CPU. Например, процессоры линейки Core i7 от Intel требуют до 130 и более ватт. Напряжение подающееся на ядро ярко характеризует энергопотребление процессора. Этот параметр особенно важен при выборе ЦП для использования в качестве мультимедиа центра. В современных моделях процессоров используются различные технологии, которые помогают бороться с излишним энергопотреблением: встраиваемые температурные датчики, системы автоматического контроля напряжения и частоты ядер процессора, энергосберегающие режимы при слабой нагрузке на ЦП.
Дополнительные возможности
Современные процессоры приобрели возможности работы в 2-х и 3-х канальных режимах с оперативной памятью, что значительно сказывается на ее производительности, а также поддерживают больший набор инструкций, поднимающий их функциональность на новый уровень. Графические процессоры обрабатывают видео своими силами, тем самым разгружая ЦП, благодаря технологии DXVA (от англ. DirectX Video Acceleration – ускорение видео компонентом DirectX). Компания Intel использует вышеупомянутую технологию Turbo Boost для динамического изменения тактовой частоты центрального процессора. Технология Speed Step управляет энергопотреблением CPU в зависимости от активности процессора, а Intel Virtualization Technology аппаратно создает виртуальную среду для использования нескольких операционных систем. Также современные процессоры могут делиться на виртуальные ядра с помощью технологии Hyper Threading . Например, двухъядерный процессор способен делить тактовую частоту одного ядра на два, что способствует высокой производительности обработки данных с помощью четырех виртуальных ядер.
Размышляя о конфигурации вашего будущего ПК, не забывайте про видеокарту и ее GPU (от англ. Graphics Processing Unit – графическое обрабатывающее устройство) – процессор вашей видеокарты, который отвечает за рендеринг (арифметические операции с геометрическими, физическими объектами и т.п.). Чем больше частота его ядра и частота памяти, тем меньше будет нагрузки на центральный процессор. Особенное внимание к графическому процессору должны проявить геймеры.
Редакция gg 50 лет закону Мура
Редакция gg вместе со всем прогрессивным миром не устает в нынешнем году праздновать 50-летие закона Мура, который, напомним, гласит: «Количество элементов в микросхемах удваивается каждые два года» (кстати, у нас было несколько роскошных статей на эту тему, которые вы можете найти на сайте в теме « 50 лет закону Мура »). Не устают его праздновать и компании, причастные к личности Гордона Мура. Например, Intel не так давно подвела итог многолетнего претворения в жизнь теории из Закона. Ошеломительные цифры были озвучены, скажу я вам. Ни за что не догадаетесь, насколько круче ваш отсталый смартфон по сравнению с суперпродвинутым компьютером, который сделал возможным первый полет человека на Луну, как часто компаниям приходится полностью модернизировать производство, чтобы ваш ноутбук мог работать дольше, и насколько мы чертовски близки к моменту, когда компьютеры станут умнее нас. Впрочем, зачем гадать, мы все уже написали!
1. По сравнению с первым процессором Intel 4004, выпущенным в 1971 году, современный процессор имеет в 5,6 млн раз больше транзисторов (1,3 трлн) и в 3500 раз более высокую производительность. Энергоэффетивность увеличилась в 90 000 раз. Размеры современных транзисторов измеряются количеством атомов, и один транзистор невозможно увидеть невооруженным глазом.
2. Чтобы наладить производство процессоров по новому техпроцессу каждые два года Intel сталкивается с необходимостью строить новый завод. От старого остается востребованным только здание с подведенными коммуникациями – все оборудование надо обновлять. Это не только дорого само по себе, но требует и того, чтобы выручка от продаж каждого нового поколения устройств с новой технологией покрывала расходы на строительство еще более нового завода.
3. Этот пункт вытекает из предыдущего. С каждым новым поколением процессоров количество их производителей уменьшается, это связано со значительным удорожанием технологий. Более того, компании вынуждены объединяться в разработке во имя прогресса, чтобы хоть как-то уменьшить расходы. На слайде ниже видно, сколько заводов сошло с рельсов с развитием прогресса.
4. Тактовая частота процессоров, которыми оснащается типичный современный автомобильный навигатор, составляет 500 МГц. Для сравнения у космического корабля «Аполлон» в 1966 году был процессор с тактовой частотой 2 МГц. Я просто не верю, что эта штуковина смогла покорить Луну!
5. Современный смартфон, который лежит у вас в кармане, превосходит по мощности компьютер, который установлен в марсоходе Curiosity, запуск которого состоялся 6 апреля 2012 года. Хотя по факту их разделяет приблизительно два поколения техники.
6. 20 лет назад суперкомпьютер Cray-2 обладал такой же мощностью, что и современный смартфон за 300 долларов. А стоил 17 млн долларов.
