Курсовая работа (т): Основные направления развития микропроцессоров

Основные направления развития микропроцессоров

Содержание

Введение

1. Развитие и производство микропроцессоров

1.1 История появления процессоров

.2 Современные микропроцессорные технологии

.3 Типы процессоров, их характеристики и принцип действия

. Перспективы развития микропроцессоров

.1 Ведущие производители на рынке микропроцессоров

.2 Мобильные процессоры: высокие технологии XXI века

.3 Наноэра - новый этап развития процессоров

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современная микропроцессорная техника является важнейшим средством при решении самых разнообразных задач в области сбора и обработки данных, а также разработки систем автоматического управления.

Микропроцессорная техника в науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве, военной отрасли, быту и других областях жизнедеятельности человека становится все более востребованной. Практически любая электронная система, обладающая достаточной функциональной сложностью, реализуется с помощью микропроцессорных устройств.

Быстродействие компьютерной техники зависит, прежде всего, от того, какой центральный процессор в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед электронной системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной.

История развития микропроцессорной техники насчитывает более тридцати лет. Процесс совершенствования микропроцессорной технологии есть результат постоянного стремления повысить производительность процессора за счет применения все более тонких технологических процессов.

На протяжении многих десятилетий не прекращается острое соперничество ведущих электронных фирм за лидерство в этой высокоперспективной области. Результатом борьбы за лидирующие позиции на рынке информационных технологий является разработка новых семейств и типов микропроцессоров, расширение их функциональных возможностей, быстрый рост производительности и снижение стоимости.

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.

В настоящее время 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. Таким образом, знания и практические исследования в этой области становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Цель данной работы - охарактеризовать основные направления развития микропроцессоров в ближайшем будущем.

Реализация поставленной цели обуславливает необходимость решения следующих задач:

‒       изучение истории развития и производства процессоров;

‒       определение понятия и принципа действия современных микропроцессорных технологий;

‒       проведение сравнительного анализа эксплуатационных характеристик микропроцессоров;

‒       изучение новых технологий изготовления микропроцессоров.

Объектом исследования в данной работе выступает совокупность технологических этапов развития микропроцессоров.

Предметом исследования выступают особенности современного рынка микропроцессоров.

Информационная база исследования - литература по теме исследования, информационные издания, периодические издания, а также практический материал, полученный из разных источников.

1. Развитие и производство микропроцессоров

.1 История появления процессоров

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Таким образом, процессор - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем. Этапы развития и производства процессоров представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Этапы развития и производства процессоров

Первый этап создания микропроцессорной технологии основывается на внедрении процессоров с использованием электромеханических реле <#"786583.files/image002.jpg">

Рисунок 1.2 - Основные микропроцессорные семейства фирмы Intel

Последующей эволюцией в развитии микропроцессоров стало появление первого процессора со встроенным математическим сопроцессором i80486 в 1989 году и Pentium в 1993 году.

В 1995 году был разработан процессор Pentium Pro (150 МГц, 512 Кбайт кэш), позиционирующийся как серверный. Отличительными особенностями данного процессора являлись:

‒       большой объем кэш-памяти;

‒       технология динамического исполнения с возможностью переупорядоченного исполнения инструкций;

‒       высокая эффективность процессора - количество команд, выполняемых за такт.

В 1998 году был выпущен процессор Pentium II Xeon. Системы, основанные на этом процессоре, могли быть сконфигурированы из 4, 8 и более процессоров. А год спустя на рынке появился Pentium III.

В конце ноября 2000 года Intel представляет процессор Pentium IV, архитектура которого коренным образом отличается от своих предшественников. Основным отличием было увеличение частоты процессора и добавление 144 дополнительных инструкций.

Конец 2003 года ознаменовался массовым выпуском в продажу микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD, отличительной особенностью которого являлась возможность работать как с 32-битными приложениями, так и с 64-битными.

Самым значимым событием 2005 года стало появление двухъядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные процессоры практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты.

Таким образом, дальнейший путь развития процессоров на ближайшие годы имеет экстенсивный характер, и их производители вынуждены осваивать совершенно новые способы повышения производительности продукции.

1.2 Современные микропроцессорные технологии

Достижения ведущих производителей в искусстве проектирования и производства полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры в все более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время работают с комплиментарным технологическим процессом метал - оксид полупроводник с разрешением менее, чем микрон.

Долгое время процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от мельчайших встраиваемых систем <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0> и мобильных устройств до огромных суперкомпьютеров <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80>.

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, обусловленное:

‒       низкой активностью конкурентов на рынке в виду достаточной прибыльности продаж их предшественников;

‒       доминирующим положением цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний;

‒       необходимостью внедрения принципиально новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. [2. C. 156]

Тем не менее, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Несколько десятилетий назад первые процессоры Pentium производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году.

Основные этапы производства процессоров представлены на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Основные этапы производства процессоров

Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Затем следует фотолитография - процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются пространства, которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. 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.

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

После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. 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. Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. [10. C. 104] Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла.

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных.

При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Ведущие разработчики мира намерены заменить эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.

По мнению экспертов, увеличение числа ядер и компонентов в процессорах ведет к снижению эффективности соединительных проводов, которые переполняются данными и становятся слабым каналом связи.

Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в сотни раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью.

Преимуществом подобной технологии является отсутствие требований по применению внутри процессоров огромного количества тонких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.

Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2016 году.

Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.

В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители намерены использовать в вертикальных слоях как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, другие разработчики создают многослойные 3D-структуры внутри чипов.

Вместо того, чтобы впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, компания Tabula использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат восемь разных слоев, свойства которых можно изменить всего за 80 пкс, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд. [17. C. 16]

Быстродействие современных процессоров достигает около сотни или более миллионов команд (или инструкций) в секунду.

Для решения задач, требующих разработки систем с повышенной производительностью, широкое распространение получили многоядерные микропроцессорные системы. До последнего времени одним из основных методов повышения производительности было повышение тактовой частоты процессоров при одновременном совершенствовании систем буферизации обмена данными с основной памятью.

Однако в настоящее время такой путь развития стал достаточно трудной задачей в силу действия ограничений, определяемых законами физики. Например, скорость доступа к памяти растет не так быстро, как скорость работы вычислительных устройств, что может свести на нет преимущества от повышения частоты процессора.

Практически единственным решением этой задачи в рамках существующих технологий является распараллеливание вычислений, суть которого состоит в том, что программа на уровне исходного программного ода может быть разделена на несколько независимых потоков команд, выполняемых на самостоятельных вычислительных блоках. Варианты построения таких систем были известны и проработаны достаточно давно. Сейчас же эти варианты переносятся с уровня законченных процессорных блоков на уровень микросхем процессоров; при этом многопроцессорность дополняется суперскалярностью.

1.3 Типы процессоров, их характеристики и принцип действия

Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд, скоростью выполнения команд, размерами обрабатываемых слов и объемом адресуемой памяти.

В процессе многолетнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров:

‒       универсальные микропроцессоры с CISC (Complex Instruction Set Computer) - архитектурой;

‒       универсальные микропроцессоры с RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer) - архитектурой;