Архитектуре современных микропроцессоров присущи многие особенности. Одна из них состоит в том, что команды и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве. Для большинства систем это необходимо, так как в них с помощью определенных средств разработки программ осуществляется обмен команд и данных. Например, загрузчик производит загрузку программы, хранимой во внешнем запоминающем устройстве, в память и для этого должен интерпретировать ее как данные. Однако в широко распространенных приложениях, таких, как кассовые аппараты и системы автомобильного зажигания, средства разработки резидентных программ отсутствуют и программы никогда не смешиваются с данными. Поэтому в некоторых микроконтроллерах, например MCS-48, команды и данные хранятся в разных запоминающих устройствах; команды таких микроконтроллеров не позволяют производить обращение к ячейкам памяти, в которых хранится программа, как к ячейкам с данными.

В современных микропроцессорах на аппаратном уровне реализована схема защиты, использование которой операционной системой позволит адекватно реагировать на ошибки и аварийные ситуации в прикладных программах, исключив доступ к критически важным системным элементам, обеспечить надежную работу нескольких приложений в случае возникновения ошибки в одном из них.

В современных микропроцессорах используется, как правило, одинаковое напряжение питания. Обычно источником питания для микропроцессора является источник постоянного тока напряжением 5 В. Для подключения этого источника используются два вывода микропроцессора: на один из них подается напряжение 5 В, второй вывод заземляется. В некоторых микропроцессорах предусматриваются еще два вывода, предназначенные для подачи напряжений питания 12 и - 5 В. Для архитектуры современных микропроцессоров характерно наличие единого адресуемого пространства памяти, которое называется основной памятью.

3. Характеристика микропроцессоров разных производителей

Сейчас на рынке наблюдается следующая тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU - запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.

Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения.

Существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая - самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. «Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении»5, с. 196. Уменьшая размеры транзистора, прежде всего, уменьшается его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой - увеличивает утечку. То есть получается своеобразный замкнутый круг. Переход на 90 нм - это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками - это увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров - Intel и AMD.

Один из альтернативных выходов - это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Эта технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов - много. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках - это раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния (до момента, пока по нему пойдет рабочий ток) сокращается, т.е. улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения - это два. Или при той же скорости можно просто понизить отпирающий ток. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение. Характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор - более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

«Третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот - это низкая активность конкурентов на рынке»4, с. 203. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

По мере освоения процесса производства начнется некоторый рост частоты чипов. Скорее всего, он будет не столь заметен как ранее. К концу 2004 года, когда выход годных кристаллов по 90-нм техпроцессу значительно повысился, компания Intel покорила вершину в 4 ГГц. Процессоры компании AMD идут с некоторым традиционным отставанием по частоте, которое не сильно сказывается на производительности.

Таким образом, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые микропроцессоры Pentium (1993 г.) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 - на 0,18 мкм. В настоящее время Intel готовится к выпуску нового поколения чипов для лэптопов и ультрабуков. Intel вводит новое семейство процессоров Core X. Во главе новой семьи стоит монструозный 18-ядерный 36-поточный процессор Core i9.

Южнокорейский технологический гигант Samsung метит на место ведущего производителя микропроцессоров в мире, которое на данный момент принадлежит американской корпорации Intel. Для корейцев это была бы серьёзная победа, ведь Intel занимает своё лидирующее положение на протяжении последних 24-х лет. Специалисты из исследовательской компании IC Insights предсказывают, что произойти подобная перестановка может уже в текущем, 2017 году.

Компания AMD продолжает радовать поклонников своей продукции всё новыми и новыми анонсами. Новый процессор компании получил название Threadripper и содержит в себе 16 ядер, способных обрабатывать 32 потока данных. Продукт этот должен будет составить конкуренцию решениям Intel в рыночном сегменте высокопроизводительных настольных компьютеров.

Анонсом моделей процессоров флагманской линейки Ryzen 7 маркетологи AMD заставили изрядно понервничать компанию Intel. Последняя даже несколько снизила цены на свои решения, чтобы оставаться конкурентоспособной на рынке, где она доминировала на протяжении многих лет. Но AMD не собирается останавливаться на достигнутом и представила линейку процессоров Ryzen 5, позволить которые себе сможет практически любой человек. В продажу процессоры этой линейки поступят совсем скоро - 11 апреля 2017 года.

4. Перспективы развития ВТ, микропроцессоров

Существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий.

Важность открытия ученых Intel нельзя недооценивать. После пяти лет исследований в лабораториях корпорации разработали специальный материал, позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в обычном маршруте производства микросхем. Требования к такому материалу весьма серьезны: высокая химическая и механическая (на атомарном уровне) совместимость с кремнием, удобство производства в едином цикле традиционного кремниевого техпроцесса, но главное - низкие утечки и высокая диэлектрическая проницаемость.

Если мы боремся с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм. Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10-12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл.

«Можно предположить, что новый материал - это тоже оксид»7, с. 190. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди.

Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора - привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (ширина запрещенной зоны транзистора определяет минимально возможные для него напряжения). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП) в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов. В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.

Следует отметить еще одно технологическое новшество Intel - технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов - n-МОП и p-МОП.

В первом (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) - при помощи дырок (условно положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который за счет механических напряжений немного (на доли процента) растягивает (в направлении протекания тока) кристаллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10% (условно говоря, электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее - только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам становится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20-30-процентное усиление тока. Таким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к значительному повышению производительности транзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы следующих поколений. В планах Intel - использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового.

Заключение

Микропроцессор - центральное устройство ЭВМ, которое выполняет арифметические и логические операции. В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность.

В настоящее время повышение производительности процессора обеспечивается следующими его особенностями:

· введение раздельного кэш команд и данных (по 8 Кбайт) - т.е. использование буферной множественно-ассоциативной двухканальной памяти с упреждающей выборкой, что исключает наложение стековых операций и доводит частоту обращения к стеку до 95%;

· эффективный механизм конвейеризации поддерживается применением интеллектуального буфера предсказания ветвления (Branch Target Buffer);

· удвоенная ширина шины данных - 64 разряда соответствует требованиям мультискалярной обработки;

· оптимизированный блок (сопроцессор) десятичных и 3D операций (частичный переход от CISC к RISC-системе).

микропроцессор компьютер производительность

Список литературы

1. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: КноРус, 2013. - 800 c.

2. Калашников, В.И. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для студ. учреждений высш. проф. обр. / В.И. Калашников, С.В. Нефедов. - М.: ИЦ Академия, 2015. - 368 c.

3. Кузин, А.В. Микропроцессорная техника: Учебник / А.В. Кузин, М.А. Жаворонков. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 304 c.

4. Микушин, А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учебное пособие / А.В. Микушин. - СПб.: BHV, 2015. - 832 c.

5. Новиков, Ю.В. Основы микропроцессорной техники: Учебное пособие / Ю.В. Новиков, П.К. Скоробогатов. - М.: БИНОМ. ЛЗ, ИНТУИТ.РУ, 2014. - 357 c.

6. Ноздрачев, А., Д. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие / А. Д. Ноздрачев, Е. Л. Поляков, В. А. Багаев. - СПб.: Лань, 2016. - 400 c.

7. Остриков, А.Н. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники: Учебное пособие / А.Н. Остриков, М.И. Слюсарев, Е.Ю. Желтоухова. - СПб.: Лань, 2013. - 496 c.

8. Пестриков, В.М. История радиопередатчика: конструкции и их творцы / В.М. Пестриков // Радиохобби. 2015, № 1, 2-4.

9. Cарычев, В.А. Развитие средств радиоэлектроники, информатики и технологии менеджмента, используемых в интересах транспорта / В.А. Сарычев // Проблемы транспорта, вып. 3. Международная академия транспорта. АООТ «НПП «Радар-ММС». - СПБ: Агентство «РДК-принт», 2014.

10. Смирнов, Ю.А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники: Учебное пособие / Ю.А. Смирнов. - СПб.: Лань, 2014. - 496 c.

11. Федоров, В.А. Электроника и микропроцессорная техника / В.А. Федоров, В.И. Моряков, Ю. Щетинов. - М.: КноРус, 2013. - 800 c.

12. Шарыгина, Л.И. Хронология развития радиоэлектроники: учеб. пособие для студентов, обучающихся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации» / Л.И. Шарыгина. - Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2009. - 197 с.

Размещено на Allbest.ru