Тема 1.2 Центральный процессор.

Этапы развития центральных процессоров для персональных компьютеров. Современ­ная технология и архитектурные решения. RISC и CISC технологии. Основные параметры процессоров. 32-х и 64-х разрядные процессоры. 32-х разрядные процессоры основных производителей: Intel, AMD, VIA. Сравнительный анализ характеристик современных процессоров. Основные тенденции и перспективы развития.

Студент должен знать:

- основные характеристики процессоров;

- об этапах развития процессоров;

- типы процессоров;

- основные современные модели процессоров;

Студент должен уметь:

- определять основные характеристики процессора с помощью тестовых программ;

Цели занятия:

- - ознакомить студентов с основными компонентами системного процессора.

- - изучить типы процессоров и их характеристики.

- - воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

- - развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

“Мозгом” персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, поддерживающие семейство микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они не только самой Intel, но и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Звездный час компаний Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной системой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все персональные компьютеры устанавливаются процессоры Intel и операционные системы Microsoft.

ü Параметры процессоров

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие.

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора — довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Разрядность процессора — параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

- шина ввода и вывода данных;

- внутренние регистры;

- шина адреса памяти.

Процессоры с тактовой частотой менее 16 МГц не имеют встроенной кэш-памяти. В системах до 486-го процессора быстрая кэш-память устанавливалась на системную плату. Начиная с процессоров 486, кэш-память первого уровня устанавливалась непосредственно в корпусе и работала на частоте процессора. А кэш-память на системной плате стали называть кэш-памятью второго уровня. Она работала уже на частотах, поддерживаемых системной платой.

В процессорах Pentium Pro и Pentium II кэш-память второго уровня устанавливается в корпусе и физически представляет отдельную микросхему. Чаще всего такая память работает на половинной (процессоры Pentium II/III и AMD Athlon) или даже меньшей (две пятых или треть) частоте ядра процессора.

В процессорах Pentium Pro, Pentium II/III Xeon, современных моделях Pentium III, Celeron, K6-3, Athlon (модель 4), Duron кэш-память работает на частоте ядра. Причина того, что кэш-память второго уровня работала на меньшей по сравнению с ядром процессора частоте, довольно проста: существующие микросхемы кэш-памяти не удовлетворяли условиям рынка. Компанией Intel была создана микросхема быстродействующей кэш-памяти для процессора Xeon, себестоимость которой оказалась чрезвычайно высокой. Однако появление новых технологий производства процессоров позволило использовать кэш-память, работающую на частоте ядра, и в дешевых процессорах Celeron второго поколения. Эта конструкция была заимствована вторым поколением Intel Pentium III, а также процессорами K6-3, Athlon и Duron компании AMD. Подобная архитектура, используемая в настоящее время практически во всех разработках Intel и AMD, представляет собой единственный более или менее рентабельный способ применения быстродействующей кэш-памяти второго уровня.

Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. В этом разделе вы узнаете о быстродействии процессоров вообще и процессоров Intel в частности.

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц — одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду. На рис. 1 показан график синусоидального сигнала.

Рис. 1. Графическое представление понятия тактовая частота

Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не “убегал” вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)

Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд.

8086 и 8088. В этих процессорах на выполнение одной команды уходит примерно 12 тактов.

286 и 386. Эти процессоры уменьшили время на выполнение команд примерно до 4,5 тактов.

Процессор 486 и большая часть Intel-совместимых процессоров четвертого поколения, таких, как AMD 5x86, уменьшили этот параметр до 2 тактов.

Серия Pentium, K6. Архитектура процессоров Pentium и других Intel-совместимых процессоров пятого поколения, созданных в AMD и Cyrix, включающая в себя двойные конвейеры команд и прочие усовершенствования, обеспечила выполнение одной или двух команд за один такт.

Pentium Pro, Pentium II/III/Celeron и Athlon/Duron. Процессоры класса P6, а также другие процессоры шестого поколения, созданные компаниями AMD и Cyrix, позволяют выполнить минимум три команды за один такт.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т.е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один процессор работает быстрее другого? Причина кроется в производительности.

Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium — в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium III — приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов.

Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность Pentium III, работающего на тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же 8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры более чем в 1,5 тыс. раз быстрее по сравнению с ним. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее. Чтобы найти удовлетворительную меру для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов, которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована для того, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; она называется индексом (или показателем) iCOMP 2.0 (intel Comparative Microprocessor Performance — сравнительная эффективность микропроцессора Intel). В настоящее время используется третья версия этого индекса — iCOMP 3.0.

Тактовая частота процессора

Почти все современные процессоры, начиная с 486DX2, работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на тактовую частоту системной платы. Например, процессор Celeron 600 работает на тактовой частоте, в девять раз превышающей тактовую частоту системной платы (66 МГц), а Pentium III 1000 — на тактовой частоте, в семь с половиной раз превышающей тактовую частоту системной платы (133 МГц). Большинство системных плат работали на тактовой частоте 66 МГц; именно такую частоту поддерживали все процессоры Intel до начала 1998 года, и только недавно эта компания разработала процессоры и наборы микросхем системнойлогики, которые могут работать на системных платах, рассчитанных на 100 МГц. Некоторые процессоры компании Cyrix разработаны для системных плат, рассчитанных на 75 МГц, и многие системные платы, предназначенные для Pentium, также могут работать на этой частоте. Обычно тактовую частоту системной платы и множитель можно установить с помощью перемычек или других процедур конфигурирования системной платы (например, с помощью выбора соответствующих значений в программе установки параметров BIOS).

В конце 1999 года появились наборы микросхем и системные платы с тактовой частотой 133 МГц, поддерживающие все современные версии процессора Pentium III. В это же время компания AMD выпустила системные платы Athlon и наборы микросхем с тактовой частотой 100 МГц, использующие технологию удвоенной передачи данных. Это позволило увеличить скорость передачи данных между процессором Athlon и основным набором микросхем до 200 МГц.

К 2001 году быстродействие шин процессоров AMD Athlon и Intel Itanium увеличилось до 266 МГц, а шины процессора Pentium 4 — до 400 МГц.

Иногда возникает вопрос, почему в мощном процессоре Itanium используется более медленная по сравнению с Pentium 4 шина центрального процессора. Вопрос этот крайне актуален! Ответ, скорее всего, заключается в том, что эти компоненты были созданы совершенно разными группами разработчиков с различными целями и задачами. Процессор Itanium, разработанный совместно с компанией HP (Hewlett Packard), был предназначен для использования памяти с удвоенной скоростью передачи данных (DDR), которая, в свою очередь, работает на более подходящей для семейства серверов тактовой частоте 266 МГц. Соответствие скорости шины центрального процессора и шины памяти позволяет достичь наибольшего быстродействия, поэтому система, использующая DDR SDRAM, работает лучше, если тактовая частота шины CPU (центрального процессора) также равна 266 МГц.

С другой стороны, Pentium 4 разрабатывался для использования RDRAM, следовательно, быстродействие системной шины соответствует скорости RDRAM. Обратите внимание, что быстродействие шины, как и любого процессора, выпущенного компанией Intel, в будущем может измениться.

В современных компьютерах используется генератор переменной частоты, обычно расположенный на системной плате; он генерирует опорную частоту для системной платы и процессора. На большинстве системных плат процессоров Pentium можно установить одно из трех или четырех значений тактовой частоты. Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах, в зависимости от тактовой частоты конкретной системной платы. Например, быстродействие большинства процессоров Pentium в несколько раз превышает быстродействие системной платы.

При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это следует осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов (в частности, от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти). Например, компьютер с более низкой тактовой частотой может работать быстрее, чем вы ожидаете, а быстродействие системы с более высоким значением номинальной тактовой частоты будет ниже, чем следовало бы. Определяющим фактором при этом является архитектура, конструкция и элементная база оперативной памяти системы.

Во время изготовления процессоров проводится тестирование при различных тактовых частотах, значениях температуры и давления. После этого на них наносится маркировка, где указывается максимальная рабочая частота во всем используемом диапазоне температур и давлений, которые могут встретиться в обычных условиях. Система обозначений довольно проста, так что вы сможете в ней самостоятельно разобраться.

ü Эффективность процессоров Cyrix

В маркировке процессоров Cyrix/IBM 6x86 используется шкала PR (Performance Rating — оценка эффективности), значения на которой не равны истинной тактовой частоте в мегагерцах. Например, процессор Cyrix 6x86MX/MII-PR366 фактически работает на тактовой частоте 250 МГц (2,5Ч100 МГц). Тактовая частота системной платы указанного процессора должна быть установлена так, как при установке процессора с тактовой частотой 250, а не 366 МГц (как можно предположить по числу 366 на маркировке).

Обратите внимание, что процессор с Cyrix 6x86MX-PR200 может работать на тактовых частотах 150, 165, 166 или 180 МГц, но не на частоте 200 МГц. Рассматриваемая оценка эффективности предназначена для сравнения с оригинальными процессорами Intel Pentium (Celeron, Pentium II или Pentium III в этой оценке не участвуют).

Предполагается, что оценка эффективности (P-Rating) определяет быстродействие процессора по отношению к Intel Pentium. Но следует заметить, что сравниваемый процессор Cyrix не содержит технологии MMX, его кэш-память первого уровня имеет меньший объем, использованы платформа системной платы и набор микросхем довольно старой версии, не говоря уже о более медленной памяти. По этим причинам шкала P-Rating малоэффективна при сравнении процессоров Cyrix с Celeron, Pentium II или Pentium III, а значит, их лучше оценивать по действительному быстродействию. Другими словами, процессор Cyrix 6x86MX/MII-PR366 работает только на тактовой частоте 250 МГц и может сравниваться с процессорами Intel, имеющими подобное значение тактовой частоты. Я полагаю, что маркировка MII-366 для процессора, который фактически работает с частотой 250 МГц, мягко говоря, несколько обманчива.

ü Эффективность процессоров AMD

Аналогичным образом сравнивается эффективность процессоров AMD серии K5. Оценка эффективности серии K6 и Athlon указывает на реальную рабочую частоту. В процессорах семейства Athlon шина работает на удвоенной частоте системной платы (200 МГц).

Шина данных

Одной из самых общих характеристик процессора является разрядность его шины данных и шины адреса. Шина — это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представьте себе пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если вы подсоедините к этим проводам генератор напряжения в 220 Вольт, а вдоль линии расставите розетки, то получится шина. Независимо от того, в какую розетку будет вставлена вилка, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае — 220 Вольт переменного тока. Любую линию передачи (или среду для передачи сигналов), имеющую более одного вывода, можно назвать шиной. В обычном компьютере есть несколько внутренних и внешних шин, а в каждом процессоре — две основные шины для передачи данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессорах 286 и 386SX для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому у них шина данных считается 16-разрядной. У 32-разрядного процессора, например 486 или 386DX, таких соединений вдвое больше, поэтому за единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16-разрядный. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая оригинальный Pentium, Pentium Pro и Pentium II, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бита данных.

Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автострада имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения! Автомагистраль характеризуется количеством полос движения, а процессор — разрядностью его шины данных. Если в руководстве или техническом описании говорится о 32- или 64-разрядном компьютере, то обычно имеется в виду разрядность шины данных процессора. По ней можно приблизительно оценить производительность процессора, а значит, и всего компьютера.

Разрядность шины данных процессора определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium, включая Pentium III и Celeron, считывают из памяти или записывают в память 64 бита одновременно.

ü Кэш-память первого уровня

Во всех процессорах, начиная с 486-го, имеется встроенный (первого уровня) кэш-контроллер с кэш-памятью объемом 8 Кбайт в процессорах 486DX, а также 32, 64 Кбайт и более в современных моделях. Кэш — это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т.е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора.

Использование кэш-памяти уменьшает традиционный недостаток компьютера, состоящий в том, что оперативная память работает более медленно, чем центральный процессор (так называемый эффект “бутылочного горлышка”). Благодаря кэш-памяти процессору не приходится ждать, пока очередная порция программного кода или данных поступит из относительно медленной основной памяти, что приводит к ощутимому повышению производительности.

В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, потому что он часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены.

ü Кэш-память второго уровня

Для того чтобы уменьшить ощутимое замедление системы, возникающее при каждом промахе кэша, задействуется кэш-память второго уровня.

Вторичный кэш для процессоров Pentium находится на системной плате, а для Pentium Рro и Pentium II — внутри корпуса процессора. Переместив вторичный кэш в процессор, можно заставить его работать с более высокой тактовой частотой, чем у системной платы, — такой же, как и у самого процессора. При увеличении тактовой частоты время цикла уменьшается.

На сегодняшний день стандартная тактовая частота системной платы равна 66, 100 или 133 МГц, но некоторые процессоры работают на тактовой частоте 600 МГц или выше. В более новых системах не используется кэш на системной плате, поскольку быстрые модули SDRAM или RDRAM, применяемые в современных системах Pentium II/Celeron/III, могут работать на тактовой частоте системной платы.

Процессоры Celeron с тактовой частотой от 300 МГц и выше, а также процессоры Pentium III, частота которых более 600 МГц, содержат кэш-память второго уровня, скорость которой равна частоте ядра процессора. Встроенная кэш-память процессоров Duron и последних моделей Athlon также работает с частотой процессора. В более ранних версиях процессоров Athlon, а также Pentium II и III, используется внешний кэш с рабочей частотой, равной половине, двум пятым или одной трети тактовой частоты процессора. Как видите, существующий диапазон скоростей кэша, начиная с полной частоты центрального процессора и заканчивая более низкой частотой основной памяти, позволяет минимизировать длительность состояний ожидания, выдерживаемых процессором. Это позволяет процессору работать с частотой, наиболее близкой к его фактическому быстродействию.

ü Технология MMX

В зависимости от контекста, MMX может означать multi-media extensions (мультимедийные расширения) или matrix math extensions (матричные математические расширения). Технология MMX использовалась в старших моделях процессоров Pentium пятого поколения (рис. 2) в качестве расширения, благодаря которому ускоряется компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирование изображением, шифрование и выполнение операций ввода-вывода — почти все операции, используемые во многих современных программах.

Рис.2. Вид процессора Intel Pentium MMX сверху и снизу. Фотография публикуется с разрешения Intel

В архитектуре процессоров MMX есть два основных усовершенствования.

Первое, фундаментальное, состоит в том, что все микросхемы MMX имеют больший внутренний встроенный кэш, чем их собратья, не использующие эту технологию. Это повышает эффективность выполнения каждой программы и всего программного обеспечения независимо от того, использует ли оно фактически команды MMX.

ü Технология SSE

В феврале 1999 года Intel представила общественности процессор Pentium III, содержащий обновление технологии MMX, получившей название SSE (Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения SIMD). До этого момента инструкции SSE носили имя Katmai New Instructions (KNI), так как первоначально они были включены в процессор Pentium III с кодовым именем Katmai. Процессоры Celeron 533A и выше, созданные на основе ядра Pentium III, тоже поддерживают инструкции SSE. Более ранние версии процессора Pentium II, равно как Celeron 533 и ниже (созданные на основе ядра Pentium II), SSE не поддерживают.

Новые технологии SSE позволяют более эффективно работать с трехмерной графикой, потоками аудио- и видеоданных (DVD-воспроизведение), а также приложениями распознавания речи. В целом SSE обеспечивает следующие преимущества:

- более высокое разрешение/качество при просмотре и обработке графических изображений;

- улучшенное качество воспроизведения звуковых и видеофайлов в формате MPEG2, а

- также одновременное кодирование и декодирование формата MPEG2 в мультимедийных приложениях;

- уменьшение загрузки процессора и повышение точности/скорости реагирования при

- выполнении программного обеспечения для распознавания речи.

Инструкции SSE и SSE2 особенно эффективны при декодировании файлов формата MPEG2, который является стандартом сжатия звуковых и видеоданных, используемым в DVD-дисках.

Одним из основных преимуществ SSE по отношению к MMX является поддержка операций SIMD с плавающей запятой, что очень важно при обработке трехмерных графических изображений. Технология SIMD, как и MMX, позволяет выполнять сразу несколько операций при получении процессором одной команды.

ü Технология 3DNow и Enhanced 3DNow

Технология 3DNow разработана компанией AMD в ответ на реализацию поддержки инструкций SSE в процессорах Intel. Впервые (май 1998 года) 3DNow реализована в процессорах AMD K6, а дальнейшее развитие — Enhanced 3DNow — эта технология получила в процессорах Athlon и Duron. Аналогично SSE, технологии 3DNow и Enhanced 3DNow предназначены для ускорения обработки трехмерной графики, мультимедиа и других интенсивных вычислений.

Производство процессоров

Основным химическим элементом, используемым при производстве процессоров, является кремний, самый распространенный элемент на земле после кислорода. Это базовый компонент, из которого состоит прибрежный песок (кремниевый диоксид); однако в таком виде он не подходит для производства микросхем.

Чтобы кремний можно было использовать в качестве материала для изготовления микросхем, необходим длительный технологический процесс, который начинается с получения кристаллов чистого кремния по методу Жокральски (Czochralski). По этой технологии сырье, в качестве которого используется в основном кварцевая порода, преобразуется в электродуговых печах в металлургический кремний. Затем для удаления примесей полученный кремний плавится, дистиллируется и кристаллизуется в виде полупроводниковых слитков с очень высокой степенью чистоты (99,999999%). После механической нарезки слитков полученные заготовки загружаются в кварцевые тигли и помещаются в электрические сушильные печи для вытяжки кристаллов, где плавятся при температуре более 2500° по Фаренгейту. Для того чтобы предотвратить образование примесей, сушильные печи обычно устанавливаются на толстом бетонном основании. Бетонное основание, в свою очередь, устанавливается на амортизаторах, что позволяет значительно уменьшить вибрацию, которая может негативно сказаться на формировании кристалла.

Как только заготовка начинает плавиться, в расплавленный кремний помещается небольшой медленно вращающийся затравочный кристалл (рис. 3). По мере удаления затравочного кристалла от поверхности расплава вслед за ним вытягиваются кремниевые нити, которые, затвердевая, образуют требуемую кристаллическую структуру. Изменяя скорость перемещения затравочного кристалла (10–40 мм в час) и температуру (примерно 2500° по Фаренгейту), получаем кристалл кремния малого начального диаметра, который затем наращивается до нужной величины. В зависимости от размеров микросхем, выращенный кристалл достигает 8–12 дюймов (20–30 мм) в диаметре и 5 футов (около 1,5 м) в длину. Вес выращенного кристалла достигает нескольких сотен фунтов.

Заготовка вставляется в цилиндр диаметром 200 мм (текущий стандарт), часто с плоской вырезкой на одной стороне для точности позиционирования и обработки. Затем каждая заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек толщиной менее миллиметра (рис. 4). После этого подложка полируется до тех пор, пока ее поверхность не станет зеркально гладкой.

Рис. 3. Цилиндрическая кремниевая заготовка создается при большой температуре и высоком давлении

Рис. 4. При изготовлении процессора заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек

В производстве микросхем используется процесс, называемый фотолитографией. Технология этого процесса такова: на полупроводник, служащий основой чипа, один за другим наносятся слои разных материалов; таким образом создаются транзисторы, электронные схемы и проводники (дорожки), по которым распространяются сигналы. В точках пересечения специфических схем можно создать транзистор или переключатель (вентиль). Фотолитографический процесс начинается с покрытия подложки слоем полупроводника со специальными добавками, затем этот слой покрывается фоторезистивным химическим составом, после чего изображение микросхемы проектируется на ставшую теперь светочувствительной поверхность. В результате добавления к кремнию (который, естественно, является диэлектриком) донорных примесей получается полупроводник. Проектор использует специальный фотошаблон (маску), который является, по сути, картой данного конкретного слоя микросхемы. (Микросхема процессора Pentium III содержит пять слоев; другие современные процессоры могут иметь шесть или больше слоев. При разработке нового процессора потребуется спроектировать фотошаблон для каждого слоя микросхемы.)

Проходя через первый фотошаблон, свет фокусируется на поверхности подложки, оставляя отпечаток изображения этого слоя. (Каждое изображение на микросхеме называется кристаллом.) Затем специальное устройство несколько перемещает подложку, а тот же фотошаблон (маска) используется для печати следующей микросхемы. После того как микросхемы будут отпечатаны на всей подложке, едкая щелочь смоет те области, где свет воздействовал на фоторезистивное вещество, оставляя отпечатки фотошаблона (маски) конкретного слоя микросхемы и межслойные соединения (соединения между слоями), а также пути прохождения сигналов. После этого на подложку наносится другой слой полупроводника и вновь немного фоторезистивного вещества поверх него, затем используется следующий фотошаблон (маска) для создания очередного слоя микросхемы. Таким способом слои наносятся один поверх другого до тех пор, пока не будет полностью изготовлена микросхема.

Финальная маска добавляет так называемый слой металлизации, используемый для соединения всех транзисторов и других компонентов. В большинстве микросхем для этого слоя используют алюминий, но в последнее время стали использовать медь. Например, при производстве процессоров компании AMD на фабрике в Дрездене используется медь. Это объясняется лучшей проводимостью меди по сравнению с алюминием. Однако для повсеместного использования меди необходимо решить проблему коррозии.

Когда обработка круговой подложки завершится, на ней будет фотоспособом отпечатано максимально возможное количество микросхем. Микросхема обычно имеет форму квадрата или прямоугольника, по краям подложки остаются некоторые “свободные” участки, хотя производители стараются использовать каждый квадратный миллиметр поверхности. В настоящее время стандартный размер подложки — 200 мм в диаметре. Общая площадь подложки приблизительно равна 31 416 мм2. В процессоре Pentium II 300 МГц содержится 7,5 млн транзисторов, для их изготовления используется 0,35-микронная технология (один микрон — миллионная доля метра). При изготовлении по этой технологии сторона квадратного кристалла равна 14,2 мм, а площадь — 202 мм2. Таким образом, из одной подложки диаметром 200 мм можно получить приблизительно 150 микросхем Pentium II 300 МГц.

В последнее время наблюдается тенденция к увеличению подложки и уменьшению размера элементов на кристалле микросхемы. В названии технологии указан размер отдельно взятых элементов схем и транзисторов. Например, при изготовлении процессоров Pentium II 333–450 МГц используется 0,25-микронная технология; размер кристалла, изготовленного по этой технологии, меньше: кристалл имеет форму квадрата со стороной всего лишь 10,2 мм, а площадь микросхемы равна 104 мм2. Теперь на той же подложке диаметром 200 мм может разместиться приблизительно 300 микросхем Pentium II, т.е. в два раза больше, чем при использовании старой 0,35-микронной технологии.

При изготовлении процессоров Pentium III 600 МГц и более производительных используется 0,18-микронная технология; при этом площадь микросхемы равна 104 мм2, а сторона квадратного кристалла — 10,2 мм. Таким образом, кристалл процессора Pentium III имеет те же размеры, что и кристалл Pentium II, но в то же время содержит 28,1 млн транзисторов (для сравнения: Pentium II содержит 7,5 млн транзисторов).

Сейчас перешли с 0,18-микронной технологии к 0,13-микронной и увеличили размер подложки с 200 до 300 мм. Это привело к существенному увеличению количества микросхем на одной подложке и позволило выпускать микросхемы с 200 млн транзисторов. Например, процессор Pentium III Xeon с 2 Мбайт встроенного кэша содержит 140 млн транзисторов. В настоящее время используются подложки 300 мм.

При вводе новой поточной линии не все микросхемы на подложке будут годными. Но по мере совершенствования технологии производства данной микросхемы возрастет и процент годных (работающих) микросхем, который называется выходом годных. В начале выпуска новой продукции выход годных может быть ниже 50%, однако ко времени, когда выпуск продукта данного типа прекращается, он составляет уже 90%. Большинство изготовителей микросхем скрывают реальные цифры выхода годных, поскольку знание фактического отношения годных к бракованным может быть на руку их конкурентам. Если какая-либо компания будет иметь конкретные данные о том, как быстро увеличивается выход годных у конкурентов, она может скорректировать цены на микросхемы или спланировать производство так, чтобы увеличить свою долю рынка в критический момент.

По завершении обработки подложки специальное устройство проверяет каждую микросхему на ней и отмечает некачественные, которые позже будут отбракованы. Затем микросхемы вырезаются из подложки с помощью высокопроизводительного лазера или алмазной пилы. После того как кристаллы вырезаны из подложек, каждая микросхема испытывается отдельно, упаковывается и снова проходит тест. Процесс упаковки называется соединением: после того как кристалл помещается в корпус, специальная машина соединяет тонюсенькими золотыми проводами выводы кристалла со штырьками (или контактами) на корпусе микросхемы. Затем микросхема упаковывается в специальный пакет — контейнер, который, по существу, предохраняет ее от неблагоприятных воздействий внешней среды.

После того как выводы кристалла соединены со штырьками на корпусе и микросхема упакована, выполняется заключительное тестирование, чтобы определить правильность функционирования и номинальное быстродействие. Разные микросхемы одной и той же серии зачастую обладают различным быстродействием. Специальные тестирующие приборы заставляют каждую микросхему работать в различных условиях (при разных давлениях, температурах и тактовых частотах), определяя значения параметров, при которых прекращается корректное функционирование микросхемы. Параллельно определяется максимальное быстродействие; после этого микросхемы сортируются по быстродействию и распределяются по приемникам: микросхемы с близкими параметрами попадают в один и тот же приемник. Например, микросхемы Pentium III 750, 866 и 1 000 МГц представляют собой одну и ту же микросхему, т.е. все они были напечатаны с одного и того же фотошаблона, кроме того, сделаны они из одной и той же заготовки, но в конце производственного цикла были отсортированы по быстродействию.

Поскольку в процессе производства, естественно, совершенствуется линия по сборке микросхем, процент версий с более высоким быстродействием возрастает. Это означает, что, если на подложке всего 150 микросхем, скорее всего, более 100 из них будут работать с тактовой частотой 1 000 МГц и только несколько не будут обладать таким быстродействием. Парадокс состоит в том, что Intel продает намного больше дешевых микросхем, маркированных частотами 933 и 866 МГц. Вероятно, это происходит потому, что процессоры, которые могли бы работать на частоте 1 000 МГц, на основе результатов тестирования автоматически направляются в приемник для процессоров, предназначенных для работы на частотах 933 или 866 МГц. Далее эти микросхемы соответствующим образом маркируются и продаются по более низкой цене. Пользователи, обнаружив, что многие из этих дешевых чипов фактически работают на гораздо более высокой тактовой частоте, чем указанная в маркировке, стали повышать частоту, на которой работает процессор.

ü Корпуса процессоров

Корпус PGA

Корпус типа PGA до недавнего времени был самым распространенным. Он использовался начиная с 80-х годов для процессоров 286 и сегодня применяется для Pentium и Pentium Pro. На нижней части корпуса микросхемы имеется массив штырьков, расположенных в виде решетки. Корпус PGA вставляется в гнездо типа ZIF (Zero Insertion Force — нулевая сила вставки). Гнездо ZIF имеет рычаг для упрощения процедуры установки и удаления чипа.

Для большинства процессоров Pentium используется разновидность PGA — SPGA (Staggered Pin Grid Array — шахматная решетка массива штырьков), где штырьки на нижней стороне чипа расположены в шахматном порядке, а не в стандартном — по строкам и столбцам. Это было сделано для того, чтобы разместить штырьки ближе друг к другу и уменьшить занимаемую микросхемой площадь. Справа на рис. 5 показан корпус Pentium Pro, на котором штырьки расположены по двойному шаблону SPGA; рядом с ним — обычный корпус процессора Pentium 66. Обратите внимание, что на верхней половине корпуса Pentium Pro имеются дополнительные штырьки, которые расположены среди других строк и столбцов в шахматном порядке.

Рис. 5. Pentium 66 в корпусе PGA (слева) и Pentium Pro в корпусе SPGA,на котором штырьки расположены по двойному шаблону (справа)

Корпус FCPGA

В октябре 1999 года Intel анонсировала процессоры Pentium III с интегрированной кэш-памятью, которые подключались к гнезду Socket 370. В них использовался корпус FCPGA (Flip Chip Pin Grid Array). Скорее всего, именно этот корпус будет использоваться в последующих версиях процессоров Intel.

ü Напряжение питания процессоров

В последнее время явно прослеживается тенденция к снижению напряжения питания процессоров. Наиболее очевидным следствием этого является снижение потребляемой мощности. Конечно, если потребляемая мощность меньше, то функционирование системы обходится дешевле; еще более важным является снижение потребляемой мощности для переносных систем, так как благодаря этому компьютер может работать намного дольше на одной и той же батарее. Именно значительное удлинение срока службы батареи, вызванное снижением потребляемой мощности, повлекло за собой множество усовершенствований, направленных на понижение напряжения питания процессора.

Еще одним преимуществом является то, что при пониженном напряжении, а следовательно, и при более низкой потребляемой мощности выделяется меньше тепла. Процессор и вентилятор можно размещать ближе к другим компонентам, т.е. упаковка системы может быть более плотной; кроме того, срок службы процессора возрастает. К преимуществам можно отнести и то, что процессор вместе с вентилятором потребляет меньшую мощность, а потому может работать быстрее.

Именно благодаря снижению напряжения удалось повысить тактовую частоту процессоров. До выпуска портативных компьютеров на базе Pentium и Pentium MMX в большинстве процессоров использовалось одно и то же напряжение и для процессора, и для схем вводавывода. Вначале большинство процессоров, а также схемы ввода-вывода работали при напряжении, равном 5 В, которое позже было снижено до 3,5 или 3,3 В (в целях уменьшения потребляемой мощности). Когда один и тот же уровень напряжения используется для процессора, его внешней шины и сигналов схем ввода-вывода, говорят, что такой процессор использует единственный, или унифицированный, уровень напряжения.

При создании процессора Pentium для переносных компьютеров компанией Intel был разработан способ, применяя который можно значительно уменьшить потребляемую мощность при сохранении совместимости с существующими наборами микросхем системной логики, микросхемами логики шины, микросхемами памяти и другими компонентами, рассчитанными на 3,3 В. Благодаря этому был создан компьютер с двумя уровнями напряжения, или с расщеплением уровня напряжения, в котором процессор использовал более низкое напряжение, а схемы ввода-вывода работали при напряжении 3,3 В. Это новшество стали называть технологией уменьшения напряжения (Voltage Reduction Technology — VRT); оно появилось в портативных вариантах процессора Pentium в 1996 году. Позже два уровня напряжения использовались также в процессорах для настольных систем; например, в Pentium MMX использовалось напряжение 2,8 В, а схемы ввода-вывода работали при напряжении 3,3 В. Теперь в большинстве современных процессоров как для переносных, так и для настольных компьютеров используются два уровня напряжения. В некоторых современных процессорах типа Mobile Pentium II используется напряжение 1,6 В, хотя все еще поддерживается совместимость с компонентами ввода-вывода, работающими при напряжении 3,3 В.

Процессоры Pentium Pro, Celeron и Pentium II/III/IV автоматически устанавливают величину напряжения питания, управляя встроенным в системную плату преобразователем напряжения через контакты Voltage ID (VID).

ü Перегрев и охлаждение

В компьютерах с быстродействующими процессорами могут возникать серьезные проблемы, связанные с перегревом микросхем. Более быстродействующие процессоры потребляют большую мощность и соответственно выделяют больше тепла. Для отвода тепла необходимо принимать дополнительные меры, поскольку встроенного вентилятора может оказаться недостаточно.

Для охлаждения процессора нужно приобрести дополнительный теплоотвод (радиатор). В некоторых случаях может потребоваться нестандартный теплоотвод с большей площадью поверхности (с удлиненными ребрами).

Теплоотводы бывают пассивными и активными. Пассивные теплоотводы являются простыми радиаторами, а активные содержат небольшой вентилятор, требующий дополнительного питания.

Теплоотводы могут быть прижатыми к микросхеме или приклеенными к ее корпусу. В первом случае для улучшения теплового контакта между радиатором и корпусом микросхемы их поверхности следует смазать теплопроводящей пастой. Она заполнит воздушный зазор, обеспечив лучшую передачу тепла. На рис. 6 показаны способы соединения теплоотвода и процессора. Эффективность теплоотводов определяется отношением температуры радиатора к рассеиваемой мощности. Чем меньше это отношение, тем эффективность рассеивания тепла выше. Для увеличения эффективности радиатора в него встраивают вентиляторы. Такие теплоотводы называются активными (рис. 7). Разъем питания вентилятора похож на обычный разъем питания накопителя, но в последнее время выпускаются радиаторы с вентилятором, который подключается к системной плате.

Активные теплоотводы со встроенным вентилятором выпускаются для быстродействующих процессоров, однако в случае отказа такого теплоотвода процессор быстро перегревается. Вентиляторы обычно подключаются к разъему питания дисковода или специальному разъему питания 12 В для вентилятора на системной плате. Однако нередко эти вентиляторы представляют собой дешевые устройства на подшипниках с гарантией работы всего на один год. Когда подшипники изнашиваются, вентилятор начинает издавать скрежет и останавливается, что приводит к перегреву процессора и выходу его из строя.

Рис.6. Пассивные теплоотводы прикрепляются к процессору несколькими способами

Рис. 7. Активные теплоотводы

Надежность пассивных теплоотводов стопроцентная, поскольку они не имеют никаких механических компонентов, выходящих из строя. В большинстве случаев они представляют собой алюминиевый радиатор, который рассеивает тепло через конвекцию. Однако пассивные радиаторы не охлаждают процессор в достаточной степени, если через их пластины не протекает поток воздуха, обычно создаваемый вентилятором блока питания или дополнительным вентилятором, установленным в корпусе. Если корпус и блок питания разработаны с учетом распределения температур, то можно использовать менее дорогой пассивный теплоотвод вместо активного.

Для эффективной работы радиатора необходимо обеспечить надежный контакт с корпусом процессора. Даже небольшая воздушная прослойка между процессором и радиатором приведет к перегреву процессора и выходу его из строя. Для надежности соединения теплоотводных элементов иногда используются специальные крепежные материалы, например теплопроводный клей. Один из примеров крепления радиатора показан на рис. 8.

В большинстве новых систем используется улучшенный формфактор системной платы, называемый ATX. В системах с системной платой и корпусом этого типа улучшено охлаждение процессора: он установлен близко от источника питания, а вентилятор источника питания в большинстве систем ATX установлен так, что обдувает процессор. И потому в таких системах можно использовать пассивный теплоотвод (т.е. обойтись без вентилятора процессора).

Рис. 8. Крепление радиатора с помощью теплопроводной клейкой пластины

Вопросы для самоконтроля

1. Назначение центрального компьютера

2. Характеристики центрального процессора

3. Основные элементы центрального процессора

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.42-47/