Развитие микропроцессоров в обозримом будущем: направления и технологии

Введение

Актуальность. На сегодняшний день микропроцессоры составляют основу компьютерной техники, и 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.

Быстродействие компьютера зависит, прежде всего, от того, какой центральный процессор в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной. Если же скорости процессора не хватает, то есть риск, что рабочий процесс превратится в нервотрепку как для рядового пользователя, так и для сотрудника научно-исследовательского центра.

Тактовая частота процессора является одной из основных характеристик, но далеко не единственной. К примеру, такая характеристика, как технологический процесс производства (проектная норма процессора), определяет структурный размер тех элементов, из которых состоит процессор. В частности, от него напрямую зависят размеры транзисторов и их характеристики (длина затвора, время переключения, энергопотребление и т. д.)

Величина транзисторов в персональных компьютерах, выпущенных IBM в 1983 году, составляла 10 мкм (микрометров). Сегодня их характерный размер — 0,25 мкм. За это же время тактовая частота процессоров возросла более чем в 50 раз, а плотность транзисторов на кристалле увеличилась в 20 раз.

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. Но бесконечное увеличение скорости вряд ли возможно, ведь существуют чисто физические ограничения. Тем не менее, сотни исследователей, представляющих самые различные организации, упорно трудятся, пытаясь преодолеть технологические барьеры.

Цель выпускной квалификационной работы:

— перечислить и рассмотреть современные достижения в развитии микропроцессоров;

— проанализировать направления развития микропроцессоров;

— выделить новые технологии производства микропроцессоров;

— дать обзор прогнозов развития микропроцессорной техники.

Объект исследования — развитие микропроцессоров в обозримом будущем: направления и технологии.

Предмет исследования — технологии производства микропроцессоров в настоящем и ближайшем будущем, пути развития современных процессоров, развитие концепции двухъядерных и многоядерных процессоров и ее реализации, совершенствование архитектур микропроцессоров, анализ перспектив развития процессоров ведущими фирмами производителями и их планы.

Исследование основывается на общенаучных методах познания: обобщение и систематизация теоретических данных; сравнение, анализ, синтез, изучение и обработка данных эмпирики; построение научных гипотез; моделирование выводов исследования и их классификация. Возможность достижения высоких частот работы современных микропроцессоров напрямую зависит от количества транзисторов. Однако, ее проектирование усложняется факторами, отражающими современные тенденции в полупроводниковой индустрии:

* Переход к новым технологиям. Уменьшение технологических размеров приводит к росту неточности контроля над размерами структур на кристалле в процессе изготовления, негативно влияющих на производительность.

* Увеличение степени интеграции приводит к росту флуктуаций напряжения питания и наводок, увеличению нагрузки на процессор и удлинению пути распространения сигнала.

В конечном итоге эти факторы приводят к снижению производительности микропроцессора и к увеличению накладных расходов на организацию архитектуры. Требуется более сложная методология разработки, которая позволит увеличить мощность и быстродействие.

В практической части выпускной квалификационной работы показаны результаты комплексного анализа процессоров фирм AMD и Intel.

Глава 1. Развитие и производство микропроцессоров

1.1 Определение и функции микропроцессора Микропроцессор — центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). 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.

Быстродействие — это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный — 32 бита и 64 разрядные — 64 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Микропроцессор выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей. Микропроцессор, самостоятельное или входящее в состав микро-ЭВМ устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Микропроцессор и устройства вычислительной техники и автоматики, выполненные на их основе. Микропроцессорная техника применяется в системах автоматического управления технологическим и контрольно-испытательным оборудованием, в космических аппаратах, транспортных средствах, бытовых приборах и т. д. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, этот термин естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960;е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура. Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода / вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. Физическая структура микропроцессора достаточно сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок плавающей запятой, модуль предсказания ветвлений, модуль преобразования CISC-инструкций во внутренний RISC-микрокод, регистры микропроцессорной памяти (в МП типа VLIW до 256 регистров), регистры кэш памяти 1-го уровня (отдельно для данных и инструкций), шинный интерфейс и многое другое.

Функции процессора:

1. Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

2. Программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

1) Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

2) Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций.

КЭШ-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале.

КЭШ первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов. КЭШ второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня. КЭШ второго уровня (L2 cache).

Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая. Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10−15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не поднимет общую производительность работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками. КЭШ-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств — получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно.

1.2 Эволюция процессоров Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки.

Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, 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 (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры).

1.3 Основные направления развития микропроцессоров Современные процессоры AMD и Intel хоть и обеспечивают превосходное быстродействие, а также поддерживают огромное число современных технологий, все еще остаются сильно измененными разработками 10-летней давности. Но обе компании уже объявили о своих намерениях представить ЦП на основе принципиально новых архитектур. У AMD это Bulldozer, у Intel — Nehalem. В этом материале рассматриваются их основные возможности и нововведения, а также дальнейшие перспективы развития рынка микропроцессоров. Компания Intel выпустила процессор Pentium II, в основе которого лежали все идеи, реализованные в Pentium и Pentium Pro, и это было единственное решение для компьютеров из middle-end и high-end сегментов. Для бюджетного сектора предназначались уже морально устаревшие Pentium, а также решения от других компаний, в частности от AMD. Вопроса «Что выбрать: Intel или AMD?» тогда не было. Все знали, что процессоры Intel лучшие и все их рекомендовали к приобретению.

Теперь вопрос выбора стоит немного более остро, хотя число производителей ЦП несколько поубавилось. С одной стороны Intel предлагает более скоростные чипы Core 2 Duo, а с другой каждое их обновление требует смены системной платы, да и их стоимость относительно решений AMD у них повыше. Тем не менее, все самые современные процессоры AMD и Intel имеют в своей основе наработки 8−10-летней давности. Чипы Core выросли из Pentium M, которые в свою очередь базируются на архитектуре P6, легшей в основу Pentium Pro и последующих разработок. AMD очень преуспела, выпустив процессор Athlon, основанный на архитектуре K7. K8 хоть и имеет сильные отличия, однако это всего лишь сильно переработанный K7. Ну, а K10 — это эволюционное развитие K8. Однако и Intel и AMD обещают в ближайшие полтора-два года представить принципиально новые процессорные архитектуры. Междоусобная конкуренция заставила пойти обоих производителей ЦП на этот весьма дорогостоящий шаг. Intel стала говорить об этом еще два года назад, а AMD в этом году объявила о намерении представить новый процессор с высокой интеграцией компонентов. В этой статье мы собрали всю имеющуюся информацию о планах этих компаний касательно готовящегося обновления архитектур. Развитие микропроцессорной архитектуры идет по пути постоянного повышения их производительности. Традиционными направлениями являются повышение тактовой частоты работы МП и увеличение количества одновременно выполняемых команд за счет увеличения числа конвейеров (исполнительных устройств) в МП. Однако оба эти направления следует признать экстенсивными, имеющими естественные ограничения. Повышение тактовой частоты, которое в основном обеспечивается путем увеличения количества ступеней в конвейере, приводит к большим потерям времени при необходимости перезагрузки конвейера вследствие конфликтов по управлению или при переключении на новую задачу. Такое увеличение имеет также и физические ограничения, связанные со схемотехникой кристалла БИС. Ограничения определяются также влиянием накладных расходов при передаче частично обработанной команды на следующую ступень конвейера. На больших частотах эти расходы становятся соизмеримыми с длительностью обработки на очередном этапе. Во многом это направление исчерпало себя в микропроцессоре Pentium 4, работающем на частотах, близких к 4 ГГц.

Повышение производительности за счет увеличения числа конвейеров в микропроцессоре можно оценить увеличением числа команд, выполняемых программами за такт (IPC — INsTRuctions Per Cycle). Так, для МП Alpha 21 264 этот показатель равен 6, столько же микроопераций за такт может выдать Pentium 4. Но это предельные значения, а реальные программные коды, в частности, из-за различных взаимозависимостей, дают гораздо более низкое значение IPC.

В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, основными из которых являются:

1. CMP (Chip Multi ProcessINg) — создание на одном кристалле системы из нескольких микропроцессоров (многоядерность);

2. SMT (Simultaneous MultiThreadINg) — многонитевая архитектура;

3. EPIC (Explicitly Parallel INsTRuction ComputINg) — вычисления с явным параллелизмом в командах.

Направление CMP обеспечивается возросшими технологическими возможностями, которые позволяют создать на одном кристалле несколько микропроцессоров и организовать их работу по принципу мультипроцессорных систем.

Производители чипов уже не гонятся за частотой, сместив акцент на многоядерную архитектуру, которая позволяет наращивать производительность, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение. Многоядерные процессоры хорошо приспособлены для требовательных мультимедийных задач, таких как обработка видеозаписей, работы с большими базами данных, одновременное выполнение нескольких ресурсоемких заданий, например, компьютерной игры, записи DVD и загрузки файлов из Интернета. При таком подходе задача повышения производительности работы отдельных приложений требует распараллеливания последних, то есть проблема перемещается с аппаратного на программный уровень. На данный момент сложности заключаются в том, что большая часть существующего программного обеспечения создавалась без расчета на использование в многоядерных и многопроцессорных конфигурациях. Другими словами, прогресс в области аппаратных средств на какое-то время опередил прогресс в области программного обеспечения. Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП. Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21 264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10% площади кристалла.

Некоторые микропроцессоры для максимального повышения своей производительности используют оба выше названных подхода. Так, компания Sun Microsystems представила новый процессор ULTRaSPARC T2. Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) — очень длинного командного слова. Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

Использование технологии Hyper Threading в современных микропроцессорах. Hyper-threading (HTT) — это торговая марка компании Intel для реализации технологии «одновременной мульти поточности» на микроархитектуре Pentium 4. Расширенная форма супер поточности, впервые появившаяся в процессорах Intel Xeon и позднее добавленная в процессоры Pentium 4. Эта технология увеличивает производительность процессора при определённых рабочих нагрузках путём предоставления «полезной работы» исполнительным устройствам (англ. execution units), которые иначе будут бездействовать; к примеру, в случаях кэш-промаха.

Процессоры Pentium 4 с включённым Hyper-threading операционная система определяет как два разных процессора вместо одного.

Преимущества Hyper-threading представлены как:

1. Улучшенная поддержка многопоточного кода, позволяя запускать потоки одновременно;

2. Улучшена реакция и время отклика; увеличено количество пользователей, которое может поддерживать сервер.

1.4 Поколения процессоров Существует семь поколений процессоров.

Первое поколение (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) задало архитектурную основу — набор «неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах применялась «малая» конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.

Втрое поколение (80 286 и сопроцессор 80 287) добавило в семейство так называемый «защищённый режим», позволяющий употреблять виртуальную память размером до 1Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищённый режим является основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Производительность процессоров 80 286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера.

Третье поколение (80 386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65 535 или от -32 768 до +32 767, а 32 бита — более четырёх миллиардов) представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65 535 или от -32 768 до +32 767, а 32 бита — более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. На этих процессорах начала широко использоваться система Microsoft Windows.

Четвертое поколение (80 486 также DX и SX) не внесло существенных изменений в архитектуру, зато был принят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах значительно усложнен исполнительный конвейер. В данном поколении отказались от внешнего сопроцессора — он стал размещаться на одном кристалле с центральным (либо его нет совсем).

Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана 64-разрядной, из-за чего их первое время иногда ошибочно называли 64-разрядными процессорами. «На закате» этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions {instruction set} - набор команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension {instruction set} - набор команд для мультимедиа-расширения).

" Традиционные 32-разрядные процессоры способны выполнять сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не употребляются, и потому, например, при одной операции сложения ADD осуществляется просто сложение двух 8-разрядных чисел. Команды ММХ оперируют сразу с 64 разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе одной операции ADD. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Такой принцип получил название SIMD (Single Instruction/Multiple Data — «один поток команд/много потоков данных»).

Новые команды были предназначены в первую очередь для ускорения выполнения мультимедиа программ, но применять их можно не только к задачам, прямо связанным с технологией мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики — с насыщением: если результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или «антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или минимально) возможное значение числа.

Шестое поколение процессоров началось с Pentium Pro и продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD сюда относятся процессоры К6, К6−2, К6−2+, К6-III). Ключевым здесь является динамическое исполнение, под которым понимается исполнение команд не в том порядке, как это предполагается программным кодом, а в том, как «удобно» процессору. Как пятое поколение по ходу развития было дополнено расширением ММХ, так шестое поколение получило расширения, увеличивающие возможности ММХ. У AMD это расширение 3dNnoy!, а у Intel — SSE (Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения SIMD).

Седьмое поколение началось с процессора Athlon (у фирмы AMD). Причисление его к новому поколению обусловлено развитием суперскалярности и суперконвейерности. Седьмое поколение процессоров Intel началось позже с процессора Pentium 4.

1.5 Технология производства 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. Во-первых, сказывается ощущение 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 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). Связано это с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы как токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения.

Один из альтернативных выходов — это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое относительно недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Плюсов — масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках — раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения — это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток — три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим — до 50%. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится 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. И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот — это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые процессоры 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. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году. Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если производители собираются уменьшать длину канала (размер транзистора), то надо уменьшать его толщину, причем, весьма быстрыми темпами. К слову говоря, за последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть свой конец — как утверждал все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3. нм, иначе утечка приобретет просто нереальные величины. Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось, сейчас ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно сказывается — на сохранении требуемой эффективности транзистора. Приходится, соответственно, поднимать рабочий ток, со всеми вытекающими последствиями.

Основные этапы производства.

Изготовление микропроцессора — это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния — подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров. Однако корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 300 мм. Новые пластины позволяют получить почти в 4 раза больше кристаллов, и выход годных значительно выше. Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно циклически повторяясь производят термическое оксидирование, фотолитографию, эпитаксию.

В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование и изготовление.

Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей.

Процесс производства микропроцессора начинается с «выращивания» на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи. Затем следует фотолитография — процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала — фоторезист, на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния. Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется «травлением». Затем убирают оставшийся фотослой, в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. В результате ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника.

В ходе следующей операции, называемой «легированием», открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.

Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом процессе корпорация Intel применила медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий — отличные проводники электричества. При использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.

Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20−25 раз в течение нескольких недель.

Тестирование.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому прежде чем разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на обратную сторону «похудевшей» пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Кроме того, этот слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки. После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Если обнаруживаются неисправности, данные о них анализируют, чтобы понять, на каком этапе обработки возник сбой.

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

Изготовление корпуса.

После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Для разделения пластины используют специальную прецизионную пилу. Неработающие кристаллы отбраковываются. 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. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. Теперь электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно. После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

1.6 Технологические этапы производства микропроцессоров Как создаются чипы.

Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным «узором» на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Что касается производства подложек, то из цельного монокристалла-цилиндра их необходимо нарезать тонкими «блинами», чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. Для тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отсеиваются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.

Всё начинается с подложек.

Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате.

Кстати, важно отметить, что подобное технологичное производство представляет собой скопление огромного капитала на квадратный метр. На постройку современного завода со всем оборудованием легко «улетают» 2−3 млрд. долларов, да и на тестовые прогоны новых технологий требуется несколько месяцев. Только затем завод может серийно выпускать процессоры. В общем, процесс производства чипов состоит из нескольких шагов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в итоге будут разрезаны на отдельные кристаллы.

Производство подложек.

Первый этап — выращивания монокристалла. Для этого затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно (примерно день), чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами. Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся. Монокристалл разрезается на «блины» с помощью кольцевой очень точной алмазной пилы, которая не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. Конечно, при этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому нужны дополнительные операции. Монокристаллы представлены на рисунке 1. (Приложение А).

Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала (такого, как оксид алюминия), снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу. Последний шаг — полировка, которая сглаживает поверхность до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется с помощью смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.

Сегодня подложки для микропроцессоров имеют диаметр 200 или 300 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. Следующим шагом будут 450-мм подложки, но раньше 2013 года ожидать их не следует. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

Легирование и диффузия.

Легирование, которое выполняется во время роста монокристалла, уже упоминалось. Но легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это позволяет менять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла. Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.

Создание маски.

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска. Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный.

Фотолитография.

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать. Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается. Принцип действия фотолитографии представлен на рисунке 2. (Приложение Б) Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов — могут использоваться все эти источники света или энергии.

УФ-излучение и газовые лазеры.

Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску. Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить иные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера. Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы — газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.

После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии.

Тест подложек представлен на рисунке 3. (Приложение В) 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. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра. Разрезание подложки представлено на рисунке 4. (Приложение Г). С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.

Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал. После этого нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл.

Проводное соединение подложки представлены на рисунке 5. (Приложение Д) Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение.

Упаковка процессора представлена на рисунке 6. (Приложение Е).

Глава 2. Перспективы развития микропроцессоров

2.1 Ближайшее будущее микропроцессоров

Intel выпустит 12 новых процессоров на микроархитектуре Haswell, пять из них — семейства Pentium.

Компания Intel готовит к выпуску несколько новых CPU на микроархитектуре Haswell. Так, наряду с моделями Core i7−4820K, i7−4930K и i7−4960X, о которых мы уже писали ранее, компания добавит в свой каталог модель Core i7−4771.

Core i7−4771 будет отличаться от текущей модели Core i7−4770 лишь чуть большей номинальной тактовой частотой: 3,5 ГГц против 3,4 ГГц. В остальном характеристики этих CPU одинаковы.

Линейка Core i5 пополнится моделями Core i5−4440 и Core i5−4440S. Оба CPU — четырехъядерные, с поддержкой памяти DDR3−1600 МГц и интегрированным видеоядром Intel HD Graphics 4600 (до 1100 МГц). Тактовая частота и TDP модели Core i5−4440 — 3,1−3,3 ГГц и 84 Вт, модели Core i5−4440s — 2,8−3,3 и 65 Вт соответственно.

Линейка Core i3, по аналогии, прирастет моделями Core i3−4130 и Core i3−4130T, Core i3−4330 и Core i3−4330T.

Core i3−4130 и Core i3−4130T получат поддержку технологии Hyper-Threading, GPU Intel HD Graphics 4400 с максимальной частотой 1150 МГц и по 3 МБ кэш-памяти. Различие между ними — в частотах и TDP: Core i3−4130 — 3,4 ГГц и 54 Вт, Core i3−4130T — 2,9 и 35 Вт.

Core i3−4330 и Core i3−4330T получили по 4 МБ кэш-памяти и Intel HD Graphics 4600, остальные их характеристики соответствуют характеритистикам Core i3−4130 и Core i3−4130T. Частота и TDP Intel Core i3−4330 — 3,5 ГГц и 54 Вт, Core i3−4330T — 3,0 ГГц и 35 Вт.

Линейка Pentium пополнится моделями G3220, G3420 и G3430, которые, очевидно, придут на смену CPU G2030, G2130 и G2140 соответственно. Все они получат по два вычислительных ядра, двухканальный контроллер оперативной памяти (DDR-1600 МГц в случае старших моделей и DDR3−1333 МГц — в случае младшей), 3 МБ кэш-памяти и интегрированное видеоядро, максимальная частота которого составит 1100 МГц. Тактовая частота CPU Pentium G3430 составит 3,3 ГГц, G3420 — 3,2 ГГц, G3220 — 3,0 ГГц. TDP всех трех процессоров — 54 Вт.

Энергоэффективные Pentium G3420T и G3220T будут отличаться меньшей тактовой частотой (2,7 и 2,6 ГГц соответственно) и меньшим значением TDP (35 Вт).

О цене новых процессоров Intel данных пока нет.

Процессор AMD FX-9370.

Компанию AMD можно критиковать по несметному количеству причин. Потоки недовольства могут быть легко направлены в адрес её нерасторопности в проектировании новых микроархитектур, затягивания внедрения новых технологических процессов, неверной расстановки приоритетов при создании современных процессорных дизайнов, безалаберности в исполнении собственных планов, перехода на автоматизированное проектирование компоновки полупроводниковых кристаллов, наплевательского отношения к собственным инженерным кадрам, многочисленных маркетинговых просчётов и многого другого. Однако в чём AMD упрекнуть совершенно невозможно, так это в отсутствии боевого духа. Несмотря на то, что, объективно говоря, в распоряжении компании нет достойных процессорных дизайнов, которые она могла бы противопоставить высокопроизводительным модификациям интеловских процессоров Core, AMD пытается сохранить хорошую мину при плохой игре и прилагает недюжинные усилия к тому, чтобы при сборке настольных систем у энтузиастов всё-таки оставалась какая-то возможность выбора. В ход идут все доступные средства, начиная с ценового маневрирования и заканчивая внесением в микроархитектуру не требующих коренных переделок оптимизаций. И если до недавних пор у AMD неплохо получалось сохранять достаточно весомую армию сторонников, которых вполне устраивало, что старшие процессоры серии FX обеспечивают производительность на уровне Core i5, заставляя при этом полностью забыть о каком-либо энергосбережении, то теперь эта ситуация начала угрожающе изменяться. Появление интеловских процессоров с микроархитектурой Haswell подняло планку производительности современных настольных систем, неминуемо оттесняя линейку FX в сторону бюджетных и недорогих предложений. Однако ответное снижение цен уже вряд ли может считаться достаточной контрмерой. Возможно, компания AMD и способна к самоиронии, но выпуск бюджетных восьмиядерных процессоров — шутка не особенно смешная, особенно если принять во внимание площадь их полупроводникового кристалла и вытекающую из этого себестоимость. Поэтому для поддержания ослабевающих позиций AMD и на более отчаянные шаги — расширение линейки процессоров FX двумя новыми представителями с повышенными тактовыми частотами: FX-9590 и FX-9370.