Направления развития микропроцессорной технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Курсовая работа студента ________ посвящена основным направлениям развития микропроцессорной технологии в ближайшем будущем.

Курсовая работа состоит из 36 страниц, содержит 2 таблицы, 5 рисунков.

Актуальность темы курсовой работы обусловлена необходимостью решения сложных задач больших размерностей в рамках разработки и создания принципиально новых вычислительных средств для поддержки их эффективного функционирования.

Курсовая работа структурно состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованных источников.

Во введении отмечены цель и задачи курсовой работы, предмет исследования, теоретические и методологические проблемы курсовой работы.

Предметом рассмотрения первой главы является анализ развития и производство микропроцессоров, их типология и основные пользовательские характеристики.

Во второй главе рассматриваются перспективы развития современных микропроцессорных технологий и особенности рынка микропроцессоров.

Содержание

Введение

1. Развитие и производство микропроцессоров

1.1 История появления процессоров

1.2 Современные микропроцессорные технологии

1.3 Типы процессоров, их характеристики и принцип действия

2. Перспективы развития микропроцессоров

2.1 Ведущие производители на рынке микропроцессоров

2.2 Мобильные процессоры: высокие технологии XXI века

2.3 Наноэра - новый этап развития процессоров

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современная микропроцессорная техника является важнейшим средством при решении самых разнообразных задач в области сбора и обработки данных, а также разработки систем автоматического управления.

Микропроцессорная техника в науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве, военной отрасли, быту и других областях жизнедеятельности человека становится все более востребованной. Практически любая электронная система, обладающая достаточной функциональной сложностью, реализуется с помощью микропроцессорных устройств.

Быстродействие компьютерной техники зависит, прежде всего, от того, какой центральный процессор в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед электронной системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной.

История развития микропроцессорной техники насчитывает более тридцати лет. Процесс совершенствования микропроцессорной технологии есть результат постоянного стремления повысить производительность процессора за счет применения все более тонких технологических процессов.

На протяжении многих десятилетий не прекращается острое соперничество ведущих электронных фирм за лидерство в этой высокоперспективной области. Результатом борьбы за лидирующие позиции на рынке информационных технологий является разработка новых семейств и типов микропроцессоров, расширение их функциональных возможностей, быстрый рост производительности и снижение стоимости.

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.

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. Таким образом, знания и практические исследования в этой области становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Цель данной работы - охарактеризовать основные направления развития микропроцессоров в ближайшем будущем.

Реализация поставленной цели обуславливает необходимость решения следующих задач:

? изучение истории развития и производства процессоров;

? определение понятия и принципа действия современных микропроцессорных технологий;

? проведение сравнительного анализа эксплуатационных характеристик микропроцессоров;

? изучение новых технологий изготовления микропроцессоров.

Объектом исследования в данной работе выступает совокупность технологических этапов развития микропроцессоров.

Предметом исследования выступают особенности современного рынка микропроцессоров.

Информационная база исследования - литература по теме исследования, информационные издания, периодические издания, а также практический материал, полученный из разных источников.

1. Развитие и производство микропроцессоров

1.1 История появления процессоров

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Таким образом, процессор - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем. Этапы развития и производства процессоров представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Этапы развития и производства процессоров

Первый этап создания микропроцессорной технологии основывается на внедрении процессоров с использованием электромеханических реле и вакуумных ламп, которые устанавливались в специальные разъемы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединенных проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надежность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом стало внедрение транзисторов, которые монтировались на платы, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надежность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники. [3. C. 56] Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора - микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

В апреле 1969 года японская компания Busicom заказала у молодой компании Intel несколько специальных микросхем для своих будущих калькуляторов. При этом компания предполагала разработку дорогостоящих чипов и микросхем на языке высокого уровня.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel 4004.

Однако, первый общедоступный процессор был представлен лишь в ноябре 1971 года. Его появлению на рынке способствовал прорыв в технологии больших и сверхбольших интегральных схем. Таким образом, 15 ноября 1971 года можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания Intel приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. [1. C. 41]

Это был настоящий прорыв, так как Intel 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских вычислительных машин. Длина слова этого микропроцессора составляла всего 4 бита, а адресное пространство ограничивалось 4,5 Кбит, но и стоил первый микропроцессор в десятки тысяч раз дешевле.

1 апреля 1974 года фирма Intel начала поставки первого в отрасли восьмиразрядного прибора i8008. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

Система команд насчитывала 65 инструкций. Микропроцессор мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными микропроцессорами возросла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции. [7. C. 172]

Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач.

Основные микропроцессорные семейства фирмы Intel представлены на рисунке 1.2. [11. C. 92]

Рисунок 1.2 - Основные микропроцессорные семейства фирмы Intel

Последующей эволюцией в развитии микропроцессоров стало появление первого процессора со встроенным математическим сопроцессором i80486 в 1989 году и Pentium в 1993 году.

В 1995 году был разработан процессор Pentium Pro (150 МГц, 512 Кбайт кэш), позиционирующийся как серверный. Отличительными особенностями данного процессора являлись:

? большой объем кэш-памяти;

? технология динамического исполнения с возможностью переупорядоченного исполнения инструкций;

? высокая эффективность процессора - количество команд, выполняемых за такт.

В 1998 году был выпущен процессор Pentium II Xeon. Системы, основанные на этом процессоре, могли быть сконфигурированы из 4, 8 и более процессоров. А год спустя на рынке появился Pentium III.

В конце ноября 2000 года Intel представляет процессор Pentium IV, архитектура которого коренным образом отличается от своих предшественников. Основным отличием было увеличение частоты процессора и добавление 144 дополнительных инструкций.

Конец 2003 года ознаменовался массовым выпуском в продажу микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD, отличительной особенностью которого являлась возможность работать как с 32-битными приложениями, так и с 64-битными.

Самым значимым событием 2005 года стало появление двухъядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные процессоры практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты.

Таким образом, дальнейший путь развития процессоров на ближайшие годы имеет экстенсивный характер, и их производители вынуждены осваивать совершенно новые способы повышения производительности продукции.

1.2 Современные микропроцессорные технологии

Достижения ведущих производителей в искусстве проектирования и производства полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры в все более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время работают с комплиментарным технологическим процессом метал - оксид полупроводник с разрешением менее, чем микрон.

Долгое время процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных суперкомпьютеров.

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, обусловленное:

? низкой активностью конкурентов на рынке в виду достаточной прибыльности продаж их предшественников;

? доминирующим положением цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний;

? необходимостью внедрения принципиально новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. [2. C. 156]

Тем не менее, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Несколько десятилетий назад первые процессоры Pentium производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году.

Основные этапы производства процессоров представлены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Основные этапы производства процессоров

Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Затем следует фотолитография - процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются пространства, которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям. микропроцессорный технология рынок

После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет впоследствии установлен. Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. [10. C. 104] Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла.

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных.

При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Ведущие разработчики мира намерены заменить эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.

По мнению экспертов, увеличение числа ядер и компонентов в процессорах ведет к снижению эффективности соединительных проводов, которые переполняются данными и становятся слабым каналом связи.

Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в сотни раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью.

Преимуществом подобной технологии является отсутствие требований по применению внутри процессоров огромного количества тонких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.

Кроме того, сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, может сделать компьютеры более экологичными - дружественными для окружающей среды, так как лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.

Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2016 году.

Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.

В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители намерены использовать в вертикальных слоях как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, другие разработчики создают многослойные 3D-структуры внутри чипов.

Вместо того, чтобы впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, компания Tabula использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат восемь разных слоев, свойства которых можно изменить всего за 80 пкс, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд. [17. C. 16]

Быстродействие современных процессоров достигает около сотни или более миллионов команд (или инструкций) в секунду.

Для решения задач, требующих разработки систем с повышенной производительностью, широкое распространение получили многоядерные микропроцессорные системы. До последнего времени одним из основных методов повышения производительности было повышение тактовой частоты процессоров при одновременном совершенствовании систем буферизации обмена данными с основной памятью.

Однако в настоящее время такой путь развития стал достаточно трудной задачей в силу действия ограничений, определяемых законами физики. Например, скорость доступа к памяти растет не так быстро, как скорость работы вычислительных устройств, что может свести на нет преимущества от повышения частоты процессора.

Практически единственным решением этой задачи в рамках существующих технологий является распараллеливание вычислений, суть которого состоит в том, что программа на уровне исходного программного ода может быть разделена на несколько независимых потоков команд, выполняемых на самостоятельных вычислительных блоках. Варианты построения таких систем были известны и проработаны достаточно давно. Сейчас же эти варианты переносятся с уровня законченных процессорных блоков на уровень микросхем процессоров; при этом многопроцессорность дополняется суперскалярностью.

1.3 Типы процессоров, их характеристики и принцип действия

Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд, скоростью выполнения команд, размерами обрабатываемых слов и объемом адресуемой памяти.

В процессе многолетнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров:

? универсальные микропроцессоры с CISC (Complex Instruction Set Computer) - архитектурой;

? универсальные микропроцессоры с RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer) - архитектурой;

? специализированные микропроцессоры (сигнальные);

? микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров.

Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах. Ведущими производителями считаются фирмы Sun Microsystems и MIPS Computer Systems.

В последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC - совместная разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. В мобильных устройствах широко используются ARM (Advanced RISC Machine) - процессоры.

Еще одно преимущество технологии RISC заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости персональных компьютеров типа IBM PC и Macintosh фирмы Apple.

Среди процессоров также различают процессоры-клоны - это процессор, выпускаемый не фирмой-разработчиком, в том числе и по лицензии или без нее.

Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium II, Pentium III и другие, выпускаемые другими фирмами - не Intel.

Как правило, клоны представляют собой собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью, так и только частично совместимы с оригинальной продукцией корпорации Intel, иметь отличные от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними.

Так, компания Multiclet разрабатывает и производит на сторонних мощностях микропроцессоры по запатентованой ею мультиклеточной технологии. В 2012 году компанией был представлен универсальный микропроцессор, ориентированный на задачи управления и цифровой обработки сигналов, пиковая производительность которого составила 32 бита.

Пользовательские характеристики процессоров отражают его производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость.

К основным характеристикам современных процессоров относятся:

1. Тактовая частота процессора

Этот показатель, по которому определяется количество тактов (операций) которое может сделать процессор за секунду времени. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту (быстродействие) - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

2. Количество ядер

Большинство современных компьютерных процессоров имеет по два или более ядра, исключение могут составить только самые бюджетные модели. Однако, в некоторых приложениях повышение производительности действительно может быть обусловлено количеством ядер, но в других приложениях многоядерный процессор может уступить своему предшественнику с меньшим количеством ядер.

3 Объем кэш-памяти

Для того чтобы повысить скорость обмена данными с оперативной памятью компьютера, на производимые процессоры устанавливают дополнительные блоки памяти с высокой скоростью.

Некоторые приложения при большом объеме кэш-памяти дают заметный прирост производительности, в других наоборот наблюдается снижение производительности из-за программного кода.

4 Ядро

Ядро является основой любого процессора, от которой и отталкиваются другие характеристики. Можно встретить два процессора с похожими на первый взгляд техническими характеристиками (количество ядер, тактовая частота), но с разной архитектурой и они будут показывать в тестах производительности и программных приложениях абсолютно разные результаты.

По традиции, процессоры, созданные на базе новых ядер, намного лучше оптимизированы для работы с различными программами и поэтому демонстрируют лучшую производительность по сравнению с моделями, созданными на основе устаревших технологий (даже если тактовые частоты совпадают).

Процессоры с высокой производительностью предназначены для обеспечения высоких показателей скорости и мощности работы персонального компьютера. Этот вид процессоров применяется в игровых моделях, переносных компьютерах для работы с мультимедиа (например, рендеринг в графических редакторах), при сложных вычислениях.

Процессоры эконом-класса (бюджетные модели) не обладают высокой производительностью, экономичностью, но имеет сравнительно низкую цену. Эти устройства обеспечивают работу базовых программ (офисных пакетов, мультимедиа и т.д.). К этой категории относятся процессоры Celeron Dual Core, Pentium, Turion Neo X2 и т.д.

Процессоры с низкой производительностью обладают самыми низкими показателями скорости и мощности работы и энергопотребления. Устанавливаются в недорогие, легкие и компактные модели ноутбуков или нетбуков. Поддерживают работу в интернете, просмотр видео среднего качества, базовое офисное обеспечение и другие операции, не требующие высокой производительности. Этот класс процессоров представлен моделями Atom, Celeron ULV, Athlon X2 L и т.д.

Одноядерные процессоры до недавнего времени были единственным типом процессора, который мог использоваться в домашних компьютерах. Одноядерный процессор мог выполнять только одну операцию одновременно, поэтому он не мог эффективно работать в средах, где требовалась многозадачность. Это означало, что при запуске более чем одного приложения снижалась производительность системы. [5. C. 107]

В отличие от одноядерных систем, которые для решения другой задачи должен был переключаться на нее, двуядерные могут работать в режиме многозадачности намного более эффективно.

Результатом продолжающегося совершенствования дизайна и характеристик многоядерных процессоров являются четырехядерные процессоры, позволяющие разделить задачи между своими ядрами и еще больше увеличить многозадачность.

На сегодняшний день для работы с двухъядерными процессорами оптимизировано в основном только профессиональное программное обеспечение (включая работу c графикой, аудио- и видео данными), тогда как для офисного или домашнего пользователя достаточно одноядерного процессора.

Однако, рынок полупроводников неуклонно движется в сторону мультиядерных систем и оптимизированных параллельных вычислений. Такая тенденция будет господствующей в ближайшие годы, поэтому доля программного обеспечения, оптимизированного под несколько ядер, будет неуклонно возрастать, и очень скоро может наступить момент, когда мультиядерность станет насущной необходимостью.

2. Перспективы развития микропроцессоров

2.1 Ведущие производители на рынке микропроцессоров

Процессор - важнейшая составляющая любого компьютера, а потому производители уделяют особое внимание к выпуску своих новинок. Процессорная индустрия не менее динамична, нежели остальные сферы информационных технологий. Постоянные доработки последних микроархитектур и выпуск новых дают широкий выбор в рамках определенных классов центральных процессоров.

Несмотря на сложности экономического характера и форс-мажорные обстоятельства мировой рынок полупроводников в 2012 году вырос на 3,7% до 310 миллиардов долларов. [17. C. 18]

Тем не менее, аналитики пересмотрели в сторону уменьшения прогноз объема мирового рынка полупроводниковых компонентов в 2013-2015 годы.

Аналитики предсказывают падение рынка на 1,7% и ожидают снижения продаж с 310 миллиардов долларов в 2012 году до 295 миллиардов долларов в 2013 году.

Основными причинами снижения спроса на микропроцессорные технологии являются:

? перенос главного направления развития технологической отрасли с оборудования на программные продукты и виртуальные сервисы;

? нестабильное состояние мировой экономики и как следствие, финансовой деятельности ведущих производителей на рынках компьютерной, беспроводной и потребительской электроники.

Рейтинг поставщиков полупроводников по объему выручки на начало 2013 года представлен на рисунке 2.1. [17. C. 19]

Рисунок 2.1 - Рейтинг поставщиков полупроводников по объему выручки на начало 2013 года, миллиардов долларов

Компания Intel в 2012 году показала рекордную убыль выручки на 3,1% в сравнении с 2011 годом из-за спада продаж персональных компьютеров. Тем не менее, это не помешало компании сохранить за собой лидерство на рынке, которое принадлежит ей уже несколько десятилетий подряд.

Вторым по объему выручки от продаж микропроцессор стала компания Samsung. Отдельно аналитики отметили успехи компании Qualcomm, которой удалось показать максимальный рост выручки - на 31,8%.

Таким образом, прогнозируя уровень спроса, производителям полупроводников нужно принимать не только сегодняшних лидеров рынка потребительской электроники, но и новых перспективных игроков, которые могут стать лидерами в ближайшее будущее.

Каждое следующее поколение процессоров делает существенный шаг вперед, предлагая все больше функциональных возможностей, причем иногда с большим заделом на будущее, а также обеспечивая плацдарм для дальнейшего развития и совершенствования прочих комплектующих персональных компьютеров.

По мнению независимых экспертов, Intel Core i7-3960X Extreme Edition - лучший процессор от компании Intel, который можно найти в продаже на данный момент. Тактовая частота данного шестиядерного чипа равняется 3,3 ГГц. Объем кэш памяти первого и второго уровня составляет 384 Кбайт и 1,5 Мбайт соответственно, а объем кэша третьего уровне составляет 15 Мбайт. [15. C. 15]

Более бюджетным вариантом является процессор Intel Core i7-3930K. Единственным отличием от предыдущей описанной модели является более низкая тактовая частота в 3,2 ГГц и объем кэша третьего уровня 12 Мбайт против 15 Мбайт у 3960X.

Аналогом этих чипов от компании AMD может послужить процессор под названием FX-8150. Данный восьмиядерный процессор работает на частоте 3,6 ГГц, объем кэш памяти первого уровня составляет 386 Кбайт, а кэш второго и третьего уровней 8 Мбайт.

Одним из главных событий 2012 года стал выход нового семейства процессоров APU Trinity от компании AMD, нацеленные на массовый сегмент рынка: настольные компьютеры, системы для домашнего кинотеатра и игровые платформы.

Ниже приведена сравнительная таблица характеристик процессоров нового поколения APU Trinity от компании AMD (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Сравнительная таблица характеристик процессоров нового поколения APU Trinity от компании AMD

Модель процессора, APU	Ядра	Частота, Ггц	Объем кэш-памяти, Мбайт	Рекомендуемая розничная цена, долларов
A10-5800K	4	4,2	4	122
A10-5700	4	4,0	4	122
A8-5600K	4	3,9	4	101
A8-5500	4	3,7	4	101
A6-5400K	2	3,8	1	67
A4-5300	2	3,6	1	53
Athlon X4 750K	4	4,0	4	81
Athlon X4 740X	4	3,7	4	71

Альтернативным вариантом флагманского процессора A10-5800K от компании AMD является чип Core i3-3220 компании Intel.

В следующей таблице приведены актуальные модели процессоров Core от Intel, которые являются преемниками процессоров предыдущего поколения, представленных моделями Pentium и Celeron (см. таблицу 2.2).

Таблица 2.2 - Сравнительные характеристики семейства процессоров Core от Intel

Модель процессора	Ядра	Частота, Ггц	Объем кэш-памяти, Мбайт	Рекомендуемая розничная цена, долларов
Core i7-3770K	4	3,5	8	299
Core i7-3770	4	3,4	8	260
Core i5-3570	4	3,4	6	190
Core i5-3570K	4	3,4	6	199
Core i5-3470T	2	2,9	3	165
Core i5-3450	4	3,1	6	162
Core i5-3330S	4	2,7	6	166
Core i5-3330	4	3,0	6	173
Core i3-3240	2	3,4	3	132
Core i3-3225	2	3,3	3	128
Core i3-3220	2	3,3	3	105
Pentium G2120	2	3,1	3	83

Таким образом, в архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.

2.2 Мобильные процессоры: высокие технологии XXI века

Мобильные чипсеты (процессоры) - важная часть большинства нетбуков, смартфонов и коммуникаторов. Огромный модельный ряд мобильных устройств и особенности региональных рынков сбыта привели к широкому выбору линеек мобильных процессоров того или иного вендора.

Площадь мобильных чипов составляет 12Ч12 мм, а настольных 45Ч43 мм. Однако по структуре и принципу работы большинство первых радикально отличаются от вторых. По сути дела, все настольные процессоры от ведущих производителей до сих пор используют разработанную еще в далеком 1978 году архитектуру х86 и соответствующий ей набор команд CISC.

В планшетных компьютерах, которые, как правило, работают под управлением операционных систем Android или iOS, напротив, используются процессоры типа RISC. Именно такие чипы отвечают за значительно меньший объем команд, например при открытии какого-либо приложения они загружают только его основные функции, а необходимые модули подгружают по ходу работы.

Мобильные микрочипы состоят из тех же элементов, что и настольные. Микрочип обеспечивает выполнение всех последовательностей команд на телефоне или планшетном компьютере. Мобильные процессоры отвечают также за работу всех компонентов, размещенных на системной плате смартфонов и планшетов.

Производители мобильной техники предъявляют к микрочипам гораздо более высокие требования, чем к настольным процессорам.

В апреле 2012 года была запущена новая архитектура Ivy Bridge от компании Intel с уклоном в минимизацию используемых технологий. Заметно меньшие чипсеты с первых дней своего появления стали пользоваться большой популярностью у производителей портативных игровых устройств. Процессоры новой архитектуры получили улучшение и в производительности, что позволило Intel Core i7 в модельной комплектации 3920XM, 3820QM и 3720QM возглавить рейтинги многих обозревателей.

Таким образом, корпорация Intel сохраняет лидирующие позиции на рынке мобильных центральных процессоров: значительную его часть занимают чипы семейства Core i3/i5/i7, перешедшие на модернизированную архитектуру Ivy Bridge. [16. C. 32]

Чипы Ivy Bridge представляют собой модернизацию предыдущего поколения десктопных процессоров, которая заключается, прежде всего, в переходе с 32-нм на более тонкий 22-нм технологический процесс, позволяющий снизить энергопотребление и разместить на той же площади большее число транзисторов и тем самым повысить производительность, в использовании 3D-транзисторов.

Мобильные процессоры Ivy Bridge отличаются от десктопных более низкими частотами, уменьшенным энергопотреблением и некоторыми особенностями системы энергосбережения.

Рейтинг мобильных процессоров по объему продаж на начало 2013 года представлен на рисунке 2.2. [16. C. 33]

Рисунок 2.2 - Рейтинг мобильных процессоров по объему продаж на начало 2013 года, миллиардов долларов

Гораздо чаще, в мобильных устройствах можно наблюдать именно процессоры Intel.

Отдельная категория мобильных процессоров, производимых корпорацией Intel, - это Atom: такие чипы предназначены для установки в нетбуки и неттопы - недорогие портативные и настольные компьютеры, ориентированные преимущественно на работу в интернете. Однако с распространением планшетных компьютеров спрос на нетбуки резко пошел на спад, и на сегодняшний день остались лишь два процессора Atom, которые используются в выпускающихся ныне моделях недорогих субноутбуков.

С помощью новой энергоэффективной архитектуры компания Intel надеется закрепиться на рынке тонких ноутбуков и планшетов, где маленькая батарея и пассивное охлаждение не дает их быстрым и производительным процессорам возможности конкурировать с экономичными чипами других производителей.

Следует отметить, что в области мобильных процессоров компания Apple догоняет Intel.

В 2012 году калифорнийской компанией было поставлено около 176 миллионов процессоров в таких устройствах, как iPad и iPhone, что составляет 13,5% рынка мобильных процессоров. Intel заняла первое место с 181 миллионов процессоров в мобильных устройствах, таких как ноутбуки, - 13,9% рынка.

Интересно, что в цепочке поставок процессоров Apple нигде не упоминается южнокорейская компания Samsung, которой, по сути, принадлежит 100% процессоров iOS-устройств.

На сегодняшний день последней разработкой компании Samsung является чип Samsung-Intrinsity S5PC110, выпущенный в 2010 году. Особенностями мобильного процессора являются:

? поддержка последних мобильных технологий;

? мощный графический 3D-ускоритель;

? аппаратное декодирование HD-видео.

Примерами аппаратного исполнения являются Iphone 3GS, Samsung GT-i9000 Galaxy S, GT-S8500 Wave.

Другим производителем мобильных процессоров, занимающим лидирующие позиции на рынке, является компания Qualcomm, представившая в конце 2012 года новые процессоры Snapdragon для мобильных устройств, которые можно считать пропорциональным ответом на появление конкурентного мобильного процессора от Intel.

Мобильный процессор нового поколения Snapdragon 800 обещает оказаться на 75% производительнее процессоров предыдущего поколения. В настоящий момент разрабатывается порядка полусотни моделей на основе новых процессоров Qualcomm.

Старшие модели Snapdragon 800 будут иметь до 4 ядер с частотой до 2,3 ГГц, модернизированный сигнальный процессор и новую графическую подсистему Adreno 330.

Из других особенностей новых решений Qualcomm можно отметить возможность работать в сетях Wi-Fi «гигабитного» стандарта 802.11ac WiFi и поддержку технологии беспроводной передачи видео. [18. C. 43]

Линейки мобильных процессоров AMD намного реже встречаются в ноутбуках.

Мобильные процессоры Phenom II являются достаточно интересным решением. Мобильные версии этих процессоров, в отличие от десктопных лишены кэша третьего уровня, что является основной причиной снижения их производительности. При однопоточных нагрузках мобильные Phenom II X4, показывают в тестах уровень процессоров Core 2 Duo.

Подводя итог, можно сделать вывод, что, как правило, мобильные процессоры состоят из компонентов разных производителей. Главный элемент почти всех моделей - это центральный процессор на архитектуре ARM, дополненный вендорами соответствующими графическими и аудиопроцессорами. Изменив дизайн и некоторые пользовательские характеристики, производители выпускают конечный продукт на рынок.

2.3 Наноэра - новый этап развития процессоров

Будучи одним из наиболее перспективных направлений современного этапа развития науки и техники, нанотехнологии в наибольшей степени видоизменяют и преобразуют представление об окружающем мире.

В отличие от других научно-технических направлений, развивающихся в какой-либо одной конкретной отрасли, нанотехнологии охватывают широкий спектр технических достижений в различных областях науки.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин.

Микропроцессоры сейчас быстро приближаются к технологическим пределам своей производительности. Поэтому в последние годы идет активный поиск новых направлений развития процессорной техники, отличных от доминирующих сегодня технологий. [4. C. 87]

Элементы новых процессоров должны иметь размеры порядка нанометров, и, соответственно, решения для их создания лежат в области нанотехнологий. Следует отметить, что именно в наномасштабах проявляются свойства материалов, позволяющие реализовать новые подходы к созданию процессорных устройств. Один из таких подходов разрабатывает компания Hewlett Packard для создания прототипа процессора, основанного на архитектуре, получившей название «кроссбары».

Кроссбар представляет собой набор параллельных проволок шириной около 50 нм, которые пересекаются другим набором нанопроволок. Между ними находятся прокладки из материала, который под действием приложенного напряжения может изменять свою проводимость. Регулярная структура из пересекающихся нанопроволок делает их изготовление достаточно простым, особенно в сравнении со сложной структурой современных процессоров на основе традиционных технологий. [9. C. 32] В свою очередь, это позволит максимально гибко адаптировать отработанные архитектурные решения к новым материалам.

В настоящее время разработчики компании Hewlett Packard внедряют архитектуру, позволяющую использовать много слоев кроссбаров За счет этого можно в разы увеличить плотность памяти, а также отношение производительность/энергопотребление. Чипы с такой архитектурой получили название «нанохранилища».

По мнению ведущих экспертов Hewlett Packard, нанохранилища должны стать основой будущих компьютеров, в том числе серверов. Стадии коммерческого применения нанохранилища, по мнению представителей компании, достигнут примерно через пять лет.

Однако, уже сегодня можно отметить внедрение нанотехнологий в технологический процесс создания микрочипов. В 2011 году группа исследователей из Бельгийского центра Imecна представили первый в мире пластиковый (или органический) микропроцессор, который способен выполнять около 6 инструкций в секунду.

Восьмибитный чип из 4000 транзисторов по характеристикам напоминает кремниевые микросхемы 70-ых годов, но разница в том, что он сделан на пластиковой подложке, на которую наносят последовательно слой золота, органический диэлектрик, второй слой золота и органический полупроводник из пентацена. Получается пленка толщиной 25 мкм, которую можно приклеить на любую поверхность.

Возможно, такой процессор найдет применение в дешевых гибких дисплеях и в сенсорах, которые будут встраивать в одежду, стройматериалы, еду, лекарства.

По мнению разработчиков, такие процессоры могут быть примерно в десять раз дешевле кремниевых аналогов, если конечно наладить крупномасштабное коммерческое производство. Правда, органические процессоры никогда не смогут вместить сотни миллионов транзисторов, как у кремниевых чипов. Кроме того, на сегодняшний день они не способны преодолеть главную проблему - непредсказуемое поведение таких транзисторов, вызванное отсутствием прочной монокристаллической структуры.

Ученые из Университета Бристоля предлагают производителям компьютерной техники перейти на выпуск совершенно новых устройств - программируемых квантовых процессоров.

Суть квантового процессора сводится к набору элементов, которые под воздействием электродов и волноводов способны принимать взаимозависимые квантовые состояния. В плане производства такие устройства не требуют дополнительных ресурсов, как и большинство современных процессоров они создаются на основе кремния.

С помощью электродов внутри устройства происходят вычислительные операции над квантовыми битами (кубитами). Такой механизм работы с одной стороны делает процессор многоцелевым, а с другой позволяет значительно уменьшить его габариты.

Однако, создатели нового вида процессоров отмечают, что определенная схожесть с обычными процессорами не делает их совместимыми. Другими словами, если в устройстве используется квантовый процессор, то и само устройство должно быть полностью перестроено под требования процессора. [13. C. 101]

С одной стороны такой подход позволяет перейти на новую ступень развития электроники, с другой - такой переход практически невозможен без поддержки мировых гигантов в области производства компьютеров.

В перспективе компания IBM сможет заменить медные внутричиповые проводники соединениями на основе оптических линий связи, и это существенно ускорит работу современных процессоров.

Оптические переключатели различного типа созданы достаточно давно, но именно ученые из IBM смогли миниатюризовать их до требуемых размеров. Это стало возможным с использованием кремниевых нанострун с особыми оптическими свойствами.

Исследователи из IBM создали самый маленький в мире фотонный переключатель. Это устройство может произвести революцию в оптических вычислениях и производстве компактных нанофотонных чипов. [14. C. 24]

Ранние версии подобных квантовых процессоров проектировались под конкретную задачу, поэтому их функциональные возможности были крайне ограничены рамками небольшого подмножества простейших операций для двух кубитов

Особенно большое влияние новый нанопереключатель окажет на архитектуру современных многоядерных процессоров - именно этого хотели добиться специалисты IBM. Обмен данными между ядрами процессоров будет приоритетным развитием технологии оптических нанопереключателей.

Работы по созданию квантовых микропроцессоров ведутся уже относительно давно. Преимуществом этой технологии, пока исключительно в теории, является огромная скорость обработки информации, которая должна позволить им в дальнейшем решать задачи, непосильные даже для самых современных суперкомпьютеров.

Таким образом, квантовые компьютеры - это новая техническая революция в мире. Новый квантовый процессор может стать основой для сверхмощной вычислительной техники.

Заключение

Процессор является эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.

Сфера применения микропроцессоров постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными и микропроцессорными устройствами управления. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники и микропроцессорной техники.

Менее четверти века насчитывает история развития микропроцессорной техники, однако за это короткое время произошли поистине гигантские изменения, связанные с совершенствованием архитектуры микропроцессоров, расширением их функциональных возможностей, увеличением разрядности, повышением степени интеграции и быстродействия.

Действительно, современные микропроцессоры уже имеют 64-разрядную архитектуру и по производительности приближаются к мощным суперЭВМ.

Кроме того, с появлением технологических возможностей размещения на одном кристалле совместно с процессорным ядром памяти таймерных секций, периферийных узлов, средств сопряжения с внешней средой в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем - однокристальных микроконтроллеров, предназначенных для интеллектуализации оборудования различного назначения.

Тем не менее, в архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.

Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности таких систем, создаваемых в различных областях науки и техники.

Микропроцессоры сейчас быстро приближаются к технологическим пределам своей производительности. Поэтому в последние годы идет активный поиск новых направлений развития процессорной техники, отличных от доминирующих сегодня технологий.

Элементы новых процессоров должны иметь размеры порядка нанометров, и, соответственно, решения для их создания лежат в области нанотехнологий.

Список использованных источников

1. Алехина Г. В. Информатика. Базовый курс : учебное пособие / Под ред. Г. В. Алехиной. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Издательская группа «МедиаПро», 2010. - 731 с.

2. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. / Б. Байцер. - М.: Издательский центр «Мир», 2011. - 241 с.

3. Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / Под А. С. Басманов, Ю. Ф. Широков. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - 127 с.

4. Блюмин А.М. Мировые информационные ресурсы: учебное пособие / А.М. Блюмин, Н.А. Феоктистов; Институт государственного управления, пра-ва и инновационных технологий - М.: Издательство «Дашков и К⁰», 2012. - 295 с.

5. Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 272 с.

6. Ибрагимов И.М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 336 с.

7. Информатика: Базовый курс: учебное пособие / под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Издательство «Питер», 2010. - 391 с.

8. Информатика. Общий курс: учебник / Соавт.: А.Н. Гуда, М.А. Бутакова, Н.М. Нечитайло, А.В. Чернов; под общ. ред. В.И. Колесникова. - М.: Издательство «Дашков и К⁰», 2011. - 290 с.

9. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. - М.: Издательский центр «БИНОМ», 2012. - 134 с.

10. Коджаспирова Г.М., Петров К.В. Технические средства и методика их использования: Учебное пособие для студентов высших пед. учеб. заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 256 с.

11. Корнеев В.В.Современные микропроцессоры. / В.В. Корнеев. - М.: Издательский дом «Нолидж», 2012. - 240 с.

12. Макарова Н.В. Информатика и информационно-коммуникационные технологии.- СПб.: Издательство «Питер», 2011. - 224 с.

13. Уваров В.М., Силакова Л.А., Красникова Н.Е. Практикум по основам информатики и вычислительной техники. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 240 с.

14. Бычков В. Как IBM, избавляясь от всего материального в ИТ, возвращается в реальный мир // Компьютерра. - 2013. - №3. - С. 23-27.

15. Ильин С. Большой юбилей Intel и всей ИТ-отрасли // CHIP. - 2012. - №4. - С. 13-18.

16. Ильин С. Смена чипсетов Intel // CHIP. - 2012. - №5. - С. 31-35.

17. Нечай О. Вероятностный процессор: триумф байесовской логики // Компьютерра. - 2013. - №1. - С. 15-24.

18. Полукорд А. Сравниваем многоядерные CPU: качество или количество // CHIP. - 2013. - №2. - С. 41-50.

Размещено на Allbest.ru

...