Класифікація та базова архітектура мікропроцесорів

Наявність MAU у поєднанні з вищезгаданими особливостями організації шин процесора дозволяє DSP за одну команду повністю виконати один крок рекурентного алгоритму і підготувати початкові дані для наступного кроку. Іншим додатковим обчислювальним пристроєм є “багаторозрядний регістр зсуву” S (Shifter), здатний виконувати операції зсуву над числами, розрядність яких перевищує розрядність АЛП. Спільна робота цих обчислювальних пристроїв дозволяє досягти на виконанні рекурентних алгоритмів обчислювальної продуктивності, незрівняної з будь-якими іншими процесорами. Прикладами сучасних DSP можуть служити:

сімейство ADSP-21XX фірми Analog Devices – 16-розрядні DSP з фіксованою точкою, продуктивність до 30 MIPS;

сімейство TMS320C3X фірми Texas Instruments – 32-розрядні DSP з плаваючою точкою, продуктивність до 30 MIPS, 60 MFLOPS.

TMS320C240 фірми Texas Instruments – 16-розрядний DSP з фіксованою точкою, адаптований для завдань управління приводом, продуктивність до 20 MIPS, 12-канальний вбудований ШИМ, два 8-канальних 10-розрядних АЦП.

Кешування – це використання додаткової швидкодіючої пам'яті (кеш-пам’яті) для зберігання копій блоків інформації з основної (оперативної) пам'яті, вірогідність звернення до яких найближчим часом велика. Розрізняють кеші 1-, 2- і 3-го рівнів. Кеш 1-го рівня має найменшу латентність (час доступу), але малий розмір, крім того кеші першого рівня часто робляться багатопортовими. Так, процесори AMD K8 уміли проводити 64 біт запису + 64 біт читання або два 64-біт читання за такт, процесори Intel Core можуть проводити 128 біт запису + 128 біт читання за такт. Кеш 2-го рівня зазвичай має значно великі латентності доступу, але його можна зробити значно більше за розміром. Кеш 3-го рівня найбільший за об'ємом і досить повільний, але все таки він набагато швидший, ніж оперативна пам'ять.

Архітектура фон Неймана має той недолік, що вона послідовна. Який би величезний масив даних не потрібно було обробити, кожен його байт повинен буде пройти через центральний процесор, навіть якщо над усіма байтами потрібно провести одну і ту ж операцію. Цей ефект називається вузькою шийкою фон Неймана. Для подолання цього недоліку пропонувалися і пропонуються паралельні архітектури процесорів.

Паралельні процесори використовуються в суперкомп’ютерах. Можливими варіантами паралельної архітектури можуть служити (за класифікацією Флінна) :

SISD – один потік команд, один потік даних;

SIMD – один потік команд, багато потоків даних;

MISD – багато потоків команд, один потік даних;

MIMD – багато потоків команд, багато потоків даних.

Багатоядерні процесори містять декілька процесорних ядер в одному корпусі (на одному або декількох кристалах). Процесори, призначені для роботи однієї копії операційної системи на декількох ядрах, є високоінтегрованою реалізацією системи «Мультипроцесор».

На даний момент масово доступні процесори з двома ядрами, зокрема Intel Core 2 Duo на ядрі Conroe і Athlon64X2 на базі мікроархітектури K8. У листопаді 2006 року вийшов перший чотириядерний процесор Intel Core 2 Quad на ядрі Kentsfield, що є збіркою з двох кристалів Conroe в одному корпусі.

10 вересня 2007 роки були випущені в продаж нативні (у вигляді одного кристала) чотириядерні процесори для серверів, що мали в процесі розробки кодову назву AMD Opteron Barсelona. 19 листопада 2007 вийшов в продаж чотириядерний процесор для домашніх комп'ютерів AMD Quad-Core Phenom. Ці процесори реалізують нову мікроархітектуру K8L (K10).

27 вересня 2006 р. Intel продемонструвала прототип 80-ядерного процесора. Передбачається, що масове виробництво подібних процесорів стане можливе не раніше переходу на 32-нанометровий техпроцес, а це у свою чергу очікується до 2010 року.

 

 

У сучасних комп'ютерах процесори виконані у вигляді компактного модуля (розмірами близько 5*5*0, 3 см) що вставляється в zif-сокет. Велика частина сучасних процесорів реалізована у вигляді одного напівпровідникового кристала, що містить мільйони, а з недавнього часу навіть мільярди транзисторів. У перших комп'ютерах процесори були громіздкими агрегатами, що займали часом цілі шафи і навіть кімнати, і були виконані на великій кількості окремих компонентів.

Найбільш популярні процесори сьогодні виготовляють фірми, AMD і IBM. Серед процесорів від Intel: 8086, i286, i486, Pentium (i586) і т. д.

Основним хімічним елементом, що використовується при виробництві процесорів, є кремній, найпоширеніший елемент на землі після кисню. Це базовий компонент, з якого складається прибережний пісок (кремнієвий діоксид) ; проте у такому вигляді він не підходить для виробництва мікросхем. Щоб використовувати кремній як матеріал для виготовлення мікросхеми, необхідний тривалий технологічний процес, який починається з отримання кристалів чистого кремнію за методом Жокральські (Czochralski).

За цією технологією сировина, в якості якої використовується в основному кварцева порода, перетвориться в печах електродуг в металургійний кремній. Потім для видалення домішок отриманий кремній плавиться, дистилюється та кристалізується у вигляді напівпровідникових злитків з дуже високим ступенем чистоти (99, 999999%).

Після механічної нарізки злитків отримані заготовки завантажуються в кварцові тиглі і занурюються в електричні сушильні печі для витяжки кристалів, де плавляться при температурі більш 2500° за Фаренгейтом. Для того, щоб запобігти утворенню домішок, сушильні печі зазвичай встановлюються на товстій бетонній підставі. Бетонна підставка, у свою чергу, встановлюється на амортизаторах, що дозволяє значно зменшити вібрацію, яка може негативно позначитися на формуванні кристала.

Як тільки заготовка починає плавитися, в розплавлений кремній розміщується невеликий кристал «затравка», що поволі обертається. По мірі видалення затравочного кристалу від поверхні розплаву услід за ним витягуються кремнієві нитки, які тверднучи, утворюють кристалічну структуру. Змінюючи швидкість переміщення затравочного кристалу (10-40 мм на годину) і температуру (приблизно 1300°), отримуємо кристал кремнію малого початкового діаметру, який потім нарощується до потрібної величини.

Залежно від розмірів мікросхем, що виготовляються, вирощений кристал досягає 8-12 дюймів (20-30 мм) в діаметрі і 5 футів (близько 1, 5 м) в довжину. Вага вирощеного кристалу досягає декількох сотень фунтів. Заготівка вставляється в циліндр діаметром 200 мм (або 300 мм), часто з плоскою вирізкою на одному боці для точності позиціонування і обробки.

Потім кожна заготівка розрізається діамантовою пилою більш ніж на тисячу кругових підкладок завтовшки менш міліметру. Після цього підкладка полірується до тих пір, поки її поверхня не стане дзеркально гладкою.

У виробництві мікросхем використовується процес, що називається фотолітографією. Технологія цього процесу така: на напівпровідник, що служить основою чіпа, один за іншим наносяться шари різних матеріалів; таким чином створюються транзистори, електронні схеми і провідники (доріжки), по яких розповсюджуються сигнали. В точках перетину специфічних схем можна створити транзистор або перемикач (вентиль).

Процес фотолітографії починається з покриття підкладки шаром напівпровідника з спеціальними домішками, потім цей шар покривається фоторезистивним хімічним складом, а після цього зображення мікросхеми проектується на світлочутливу поверхню.