Материал: 5180

56

операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В микропроцессорах с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как правило, используются 20разрядные адресные регистры, адресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ до 4 ГБ памяти. Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью.

Одним из важных параметров МП является внутренняя тактовая частота его работы и ее согласованность с частотой системной шиной, которая обычно задается внешними генераторами. Для процессоров Pentium стандартными являются частоты системной шины 66, 100, 133, 266, 400, 533, 800, 1066 МГц, а собственная частота микропроцессора уже достигла 3,8 ГГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10—20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и запись результата в память. Поэтому нельзя определять быстродействие ПК только тактовой частотой процессора.

Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и

57

набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз на ближайшие десять лет стал определять развитие микроэлектроники. По прогнозу Мура, количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

Конечно, строго говоря, никакого закона Мура не существует. Но тем не менее его придерживаются на протяжении почти сорока лет.

Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы на их основе будут все дешевле, мощнее и доступнее.

Точнее, сам факт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения их размеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говорить просто о количестве транзисторов в одной микросхеме (табл. 6), то со времени 30-транзисторных компонентов 1965 года это количество возросло на много порядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i80486 содержал 1,4 млн транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн транзисторов в одном кристалле. В процессоре Intel Pentium 4 на основе 90– нанометрового технологического процесса количество транзисторов

58

насчитывает уже около 125 млн, а в недалеком будущем технология производства интегральных микросхем позволит увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно.

Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых — скорость, производительность и энергопотребление. Так, процессор i80486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеют тактовые частоты уже более 3 ГГц. Процессор с миллиардом транзисторов, как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц.

Однако законы физики ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и, хотя частоты растут каждый год, это не может дать того прироста производительности, что было до настоящего времени. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый такт. Развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Большинство процессоров сегодня имеют 32-разрядную архитектуру, и активно продвигаются процессоры с 64-разрядной архитектурой.

Процесс производства. Кремний или силикон – это основной материал для производства чипов. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

Сначала выращивается кремневое основание. Оно должно иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. На следующей стадии заготовка разрезается на слои, называемые пластинами. Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров.

Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния – это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов – это и называется присадкой.

59

Таблица 6 Технологический процесс производства микропроцессоров компании

INTEL

Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выставленные на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем.

Этот процесс повторяется, по слою за один раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста — а это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы.

В прежние времена производство полупроводников приводило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции намного выше и достигает до 90%. После тестирования

60

хорошие чипы упаковываются в PGA-корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство людей принимают за процессор.

МП Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наименьшие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегодняшним стандартам это огромные размеры. Если предположить, что Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы размером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0,13–,0,09– микронную технологию, и в работе уже и 0,065–, 0,45–микронный процесс. Основные характеристики отображены в табл. 7 и 8