Как это устроено: транзисторы

Предисловие

Попытка сравнить производительность процессоров на разнородных архитектурах x86-64, e2k (Эльбрус), mips и arm.

Все тесты написаны на языке C (взяты из исходных кодов, которые я не модифицировал и не оптимизировал) и компилируются под конкретную архитектуру с использованием конкретного компилятора для данной архитектуры и тесты производятся на различных дистрибутивах операционных систем на ядре Linux. На результаты может влиять как тип так и версия компилятора, а также режим оптимизаций. Хотя даже таким способом можно примерно сравнить производительность процессоров на разных архитектурах.

P.S.: Знаю, что большинство тестов для очень старых компьютеров, но они работают везде. Что даже очень неплохо.

Логика микропроцессора

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение »
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Почему все так полюбили транзисторы

До тран­зи­сто­ров у учё­ных уже было некое подо­бие вычис­ли­тель­ных машин. Напри­мер, счё­ты: там опе­ра­тор управ­лял пере­ме­ще­ни­ем бусин в реги­страх и скла­ды­вал таким обра­зом чис­ла. Но опе­ра­тор мед­лен­ный и может оши­бать­ся, поэто­му систе­ма была несо­вер­шен­ной.

Были меха­ни­че­ские счёт­ные маши­ны, кото­рые уме­ли скла­ды­вать и умно­жать чис­ла за счёт слож­ных шестер­ней, бочон­ков и пру­жин, — напри­мер, ариф­мо­метр. Они рабо­та­ли мед­лен­но и были слиш­ком доро­ги­ми для мас­шта­би­ро­ва­ния.

Были вычис­ли­тель­ные маши­ны на базе меха­ни­че­ских пере­клю­ча­те­лей — реле. Они были очень боль­ши­ми — те самые «залы, напол­нен­ные одним ком­пью­те­ром». Их мог­ли застать наши роди­те­ли, бабуш­ки и дедуш­ки.

Поз­же при­ду­ма­ли элек­трон­ные лам­пы: там управ­лять током уже мож­но было с помо­щью дру­го­го тока. Но лам­пы пере­гре­ва­лись, лома­лись, на них мог при­ле­теть моты­лёк.

И толь­ко в кон­це соро­ко­вых учё­ные изоб­ре­ли твер­до­тель­ные тран­зи­сто­ры: вся кух­ня с вклю­че­ни­ем и выклю­че­ни­ем тока про­хо­ди­ла внут­ри чего-то твёр­до­го, устой­чи­во­го и без­опас­но­го, не при­вле­ка­ю­ще­го вни­ма­ния мотыль­ков. За осно­ву взя­ли гер­ма­ний и крем­ний и ста­ли раз­ви­вать эту тех­но­ло­гию.

Кайф твер­до­тель­ных тран­зи­сто­ров в том, что вза­и­мо­дей­ствия там про­ис­хо­дят на ско­ро­стях, близ­ких к ско­ро­сти све­та. Чем мень­ше сам тран­зи­стор, тем быст­рее по нему про­бе­га­ют элек­тро­ны, тем мень­ше вре­ме­ни нуж­но на вычис­ле­ния. Ну и сло­мать твер­до­тель­ный тран­зи­стор в хоро­шем проч­ном кор­пу­се намно­го слож­нее, чем хруп­кую стек­лян­ную лам­пу или меха­ни­че­ское реле.

Как это все работает?

Логика работы любого процессора строится на том, что все данные компьютера хранятся в битах, специальных ячейках информации, представленных 0 или 1. Попробуем разобраться, что происходит, как из этих нулей и единиц на экран перед нами предстают красочные фильмы и захватывающие компьютерные игры?

Прежде всего, необходимо уяснить, что имея дело с электроникой, мы получаем любую информацию в виде напряжения. Выше определенного значения мы получаем единицу, ниже – ноль. К примеру, включенный в комнате свет – это единица, выключенный – ноль. Дальнейшая иерархия, благодаря которой получаются более сложные элементы – это байт, состоящий из восьми битов. Благодаря этим самым байтам речь может идти не только о включенном или выключенном свете в помещении, но и о его яркости, оттенке цвета и так далее.

Напряжение проходит через память и передает данные процессору, который использует, в первую очередь, собственную кэш-память как наиболее оперативную, однако, небольшую ячейку. Через специальный блок управления данные обрабатываются и распределяются по дальнейшему пути.

Процессор использует байты и целые последовательности из них, что, в свою очередь, называется программой. Именно программы, обрабатываемые процессором, заставляют компьютер выполнить то или иное действие: воспроизвести видео, запустить игру, включить музыку и так далее.

3 основных типа команд

Команда памяти может представлять собой нечто вроде «прочтите значение из адреса памяти 1234 вместо значения А» или «запишите значение Б в адрес памяти 5678». Арифметические команды имеют вид в духе «добавьте значение А к значению Б и сохраните результат в значении В». Инструкции перехода, в свою очередь, похожи на «выполните этот код, если значение В положительное, или выполните другой код, если значение В отрицательное». Зачастую в программах используется цепочка сразу из нескольких вышеупомянутых примеров, из-за чего конечный результат выглядит примерно так: «добавьте значение адреса памяти 1234 к значению адреса памяти 5678 и сохраните его в адресе памяти 4321, если результат положительный, либо в адрес 8765, если результат отрицательный». 

Перед тем, как перейти к выполнению декодированной команды, давайте уделим немного внимания регистрам. 

Регистрами называются немногочисленные, но крайне быстрые фрагменты памяти процессора. У 64-битных процессоров каждый из них вмещает 64 бита, а всего их может быть несколько десятков на одно ядро. Регистры используются для хранения используемых в данный момент значений и их можно считать чем-то вроде кэша нулевого уровня. В приведенных выше примерах команд значения А, Б и В будут сохранены именно в регистре. 

Цикл выполнения команд — Выборка

Первое, что должен сделать процессор — определить, какие команды необходимо выполнить следующими, а затем переместить их из памяти в блок управления. Команды создаются компилятором и зависят от архитектуры набора (ISA). Наиболее распространенные типы базовых инструкций (например, «загрузка», «хранение», «сложение», «вычитание» и др.) общие для всех ISA, но существует множество дополнительных, специальных типов команд, уникальных для конкретной архитектуры набора. Блок управления знает, какие сигналы и куда нужно направить для выполнения определенного типа команды.

К примеру, при запуске .exe файла в Windows, код этой программы отправляется в память и процессор получает адрес, с которого начинается первая команда. Процессор всегда поддерживает внутренний реестр, отслеживающий откуда должна будет выполняться следующая команда. Этот реестр называется счетчиком команд. 

После того, как процессор определил точку, с которой нужно начинать цикл, происходит перемещение команды из памяти в вышеупомянутый реестр — этот процесс называется выборкой команды. По-хорошему, команда, скорее всего, уже находится в кэше процессора, но этот вопрос будет рассмотрен чуть позже. 

Устройство процессора, из чего состоит процессор

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее…Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так «с лету» вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого — а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит.

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 — находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней — тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно

Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 — специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки — на ее обратной стороне есть большое количество золотистых «точек» — это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается «мостик» между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней — у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без «штырьков», поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где «штырьки» контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример — четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора — не одно и то же. В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа)

Второй чип — графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики)

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип — графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

Из чего состоит современный микропроцессор?

Структура процессора сегодня представлена следующими основными элементами:

• Собственно, ядро процессора. Наиболее важная деталь, сердце устройства, которая называется также кристаллом или камнем современного микропроцессора. От характеристик и новизны ядра напрямую зависит разгон и оперативность работы микропроцессора.
• Кэш-память является небольшим, но очень быстрым накопителем информации, расположенным прямо внутри процессора. Используется микропроцессором в целях значительного уменьшения времени доступа к основной памяти компьютера.
• Специальный сопроцессор, благодаря которому и производятся сложные операции. Такой сопроцессор в значительной мере расширяет функциональные возможности любого современного микропроцессора и является его неотъемлемой составляющей. Встречаются ситуации, когда сопроцессор является отдельной микросхемой, однако, в большинстве случаев, он встроен непосредственно в компьютерный микропроцессор.

Путем буквального разбора компьютерного процессора мы сможем увидеть следующие элементы строения, представленные на схеме:

Верхняя металлическая крышка используется не только для защиты «камня» от механических повреждений, но также для отвода тепла.
Непосредственно, кристалл или камень является самой важной и дорогостоящей деталью любого компьютерного микропроцессора.Чем сложнее и совершеннее такой камень, тем быстродействующей является работа «мозга» любого компьютера.
Специальная подложка с контактами на обратной стороне завершает конструкцию микропроцессора, как представлено на картинке. Именно благодаря такой конструкции тыльной стороны и происходит внешнее взаимодействие с центральным «камнем», непосредственно оказывать влияние на сам кристалл невозможно

Скрепление всего строения осуществляется с помощью специального клея-герметика.

Необходимые параметры микрочипирования

System on Chip SoC — очень сложные устройства. Например, система Snapdragon 600 от Qualcomm на чипе — это SoC, которая использовалась на старом смартфоне Samsung Galaxy.

Люди хотят иметь возможность использовать свои смартфоны для пользования Интернетом, прослушивания музыки, просмотра видео, использования GPS-навигации, съемки фотографий и видеороликов, игр, доступа к социальным сетям. Все эти функции обеспечиваются не только хорошим процессором, но и мощным графическим чипом System on Chip SoC, быстрым беспроводным чипсетом Bluetooth, поддержкой подключения к сетям 4G. Все это должно работать с наименьшим потреблением энергии.

Решение заключается в миниатюризации всего, что может быть установлено. Устройства должны быть максимально сжаты и размещены компактно на меньшей поверхности. Следствием этого является более высокая вычислительная мощность и более низкое энергопотребление. Это именно то, что предлагает SoC.

Что такое «7 нм техпроцесс»?

Если говорить очень упрощённо, то процессор — это миллиарды крошечных транзисторов и электрических затворов, которые включаются и выключаются при выполнении операций. «7 нм» — это размер этих транзисторов в нанометрах. Для понимания масштабов стоит напомнить, что в одном миллиметре миллион нанометров, а человеческий волос толщиной 80000 — 110000 нанометров. Транзистором, напомню, называют радиоэлектронный компонент из полупроводника (материал, у которого удельная проводимость меняется от воздействия температуры, различных излучений и прочего), который от небольшого входного сигнала управляет значительным током в выходной цепи. Он используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. Сейчас транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных компонентов и интегральных микросхем. Размер транзистора полезно знать специалистам для оценки производительности конкретного процессора, ведь чем меньше транзистор, тем меньше требуется энергии для его работы.

Процессор A7, стоявший в iPhone 5S, производился по 28-нанометровому техпроцессу

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография (нанесение материала на поверхности микросхемы при участии света) и литография (нанесение материала с помощью потока электронов, излучаемого катодом вакуумной трубки). Разрешающая способность в микрометрах и нанометрах оборудования для изготовления интегральных микросхем (так называемые «проектные нормы») и определяет размер транзистора, а с ним и название применяемого конкретного технологического процесса.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.
Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

О российских микросхемах и процессорах — всё хорошо, ребята! Ч.2

Введение 

Итак, в предыдущей части мы рассмотрели, как уменьшение размеров транзисторов в процессорах (уменьшение техпроцесса) дает положительный эффект (в гражданских процессорах). 

Чтобы лучше понимать в предмете (к концу третьей части вы будете смеяться над критиками российских процессоров, причем сможете аргументировать), поговорим, почему уменьшение техпроцесса часто противопоказано, и что в будущем человечество (при существующих технологиях) «упрется» в 7 нанометров (нм). Чтобы понять все это, поговорим о «кирпичиках» процессора — миллиардах его транзисторов. 

Враги маленьких транзисторов. Слишком чувствительные

Все вычисления в процессорах, как вы знаете, состоят из нулей и единиц. 011000110101 и т.д. 

Как же их различают?

Дело в том, что в электронике нет никаких нулей и единиц. Есть пороговое значение напряжения, ниже которого считается, что это «логический 0», выше которого считается, что это «логическая 1». 

«Толстый» транзистор чувствительный как слон. Маленький же транзистор чувствителен, как жена-истеричка — достаточно малейшего повода, чтобы из спокойного состояния она перешла к психозу.

Процессору с современным малым техпроцессом требуются:

1. Суперстабильное питание, без малейших скачков и провалов. Привет от военных!

2. Отсутствие наводок и электромагнитных помех. Привет из космоса!

Иначе 0 может превратиться в 1 и наоборот. А это ошибка в программе, сбой, глюк. 

Вашему дешевому домашнему компьютеру ничего такого не грозит, наслаждайтесь, но в остальных двух категориях эволюция вынужденно пошла по другому пути. Там мегагерцы и «тонкие» транзисторы не нужны, и даже вредны. Но об этом будет в заключительной третьей части, когда буду говорить уже о конкретных процессорах. 

Враги маленьких транзисторов. Квантовые эффекты

Представьте себе, что у вас в руках ракетка для тенниса, и вы играете со стеной. Любой человек в здравом уме скажет, что мячик от стены отскакивает. Всегда. 

Но вот однажды мячик не отскочил — он просто «как сквозь землю провалился». В данном случае сквозь стену. 

Это называется «туннелирование». Квантовый эффект, невозможный в макромире, при очень малых размерах вполне себе существует. 

Враги маленьких транзисторов. Ток утечки

Любому транзистору и проводнику требуется слой диэлектрика. Диэлектрик ток не пропускает. Чем меньше техпроцесс, тем тоньше слой диэлектрика. 

Проблема в том, что ничего на свете не бывает идеального (особенно сделанном руками человека). В любом случае, в диэлектрике имеются дефекты. Если пара-тройка дефектов в «толстом» диэлектрике на малых токах роли не роялят, то в «тонком» диэлектрике это уже проблема, и возникают токи утечки. 

Инженеры по-разному извращаются, экспериментируют с различными материалами, но факт — практически половина тепла, выделяемого вашим процессором, это ток утечки, т.е. это половина всей потребляемой процессором энергии.

Заключение второй части

Наука не стоит на месте, а компании гонятся за прибылями. Союз этих двух сил породил у нас иллюзию, что «чем больше гигарерц — тем круче» (процессор Эльбрус на практике с этим спорит, об этом в следующей части). 

«Чем меньше техпроцесс — тем круче». Да, выше энергоэффективность и выше производительность. Да, это конечно так, но порождает огромные проблемы. Инженеры из TSMC вычислили математически, что при идеальных условиях (а значит недостижимых) физически возможный предел — это 5 нанометров. Далее нужны иные физические принципы для электронной логики, например, основанные на значении спина протона.

Но есть и другие процессоры. Вообще, их принято делить на три категории:

1. Commercial (у нас «приёмка 1») — обычные гражданские, для коммерческого использования. Именно такие на вашем компьютере, смартфоне, в микроволновке.

2. Military (у нас «приёмка 5») — с ограниченным распространением, для военной техники, оборонных производств, авионики и т.д. Очень дорогие.

3. Space (у нас «приёмка 9») —  Для космоса и ядерных электростанций. С самым ограниченным распространением. Изготавливаются по технологиям, уже не имеющим почти ничего общего с первой. Запредельно дорогие.

Если хотите приключений, начните настойчиво искать, у кого бы прикупить процессоров на сапфировой подложке — познакомитесь с интересными и неулыбчивыми людьми.

В следующей части будет уже про конкретнее о самих процессорах, особенно применительно к категориям, описанным чуть выше.

Несколько слов об отечественной цифровой микроэлектронике

BarsMonsterписал в своё время₃₅Прим.:

1. «Суверенные» техпроцессы. Попытка создать полный цикл производства на аппаратуре отечественного производства и собственными техпроцессами. Идем тем же путем, который прошли лидеры лет 20 назад, но с учетом найденных граблей и путей решения. Из последнего что было в открытых источниках это 250 нм в серии и 150 нм в процессе внедрения. Сюда же можно отнести попытку создать собственные установки EUV-литографии на 13,5 нм и таким образом сразу выйти если не в высшую лигу, то вплотную к ним.
2. Закупка технологических линий у ведущих мировых производителей. Проблема тут в том, что самые современные установки нам не продавали даже в лучшие годы. Обычно продают устаревшие линии, которые сняли с производства. Сейчас в связи с санкциями тем более. Тут можно вспомнить эпопею с закупкой «Ангстремом» оборудования дрезденского завода AMD в 2007, под техпроцесс 180 нм. Или закупку «Микроном» 90 нм линии у французской STMicroelectronics с последующим апгрейдом до 65 нм. Пока это самый тонкий техпроцесс в России, успели урвать перед санкциями. Правда есть сейчас и обходной путь – закупка через Китай.
3. Заказ производства на заводах в Китае или Тайване. При этом архитектура и топология полностью разрабатываются у нас,сейчас даже делаются собственные фотошаблоны. Китайцам остается только воспроизвести техпроцессы на своих заводах. Получаем более совершенные производительные процессоры, и развиваем компетенцию в области разработки самых современных процессорных систем. Здесь задействованы уже не группа ученых-Кулибиных, а большие конструкторские коллективы. Из полного цикла выбывает только последний участок – производство.Прим.: Байкал сделан как раз по нормам 28 нм на фабрике TSMC. Статья о выходе Байкала и его разбор.

Финальный аккордблог

Отличие SoC и CPU

Когда-то давно многие думали, что ЦП полностью изолирован от монитора. Теперь многие понимают, что CPU — это только крошечная часть, а компьютер состоит из множества частей.

Система на чипе представляет собой электронную печатную плату, которая объединяет все необходимые компоненты в компьютере и других электронных системах. Они включают в себя графический процессор, центральный процессор, память, схемы управления питанием, контроллер USB, беспроводные радиоприемники и многое другое. Эти компоненты паяны на материнской плате, чем отличаются от обычных компьютеров, части которых могут быть заменены в любой момент времени.

Можно сказать, что система на чипе (SoC) — это то, что происходит, когда Vector from Despicable Me использует «сжатие луча» на полноценном компьютере. Благодаря силе миниатюризации система на чипе представляет собой функциональный компьютер, который был сжат для установки на одном кремниевом чипе.

64-битные процессоры

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

По материалам computer.howstuffworks.com