Курсовая работа (т): Основные направления развития микропроцессоров

‒       специализированные микропроцессоры (сигнальные);

‒       микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров.

Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах. Ведущими производителями считаются фирмы Sun Microsystems и MIPS Computer Systems.

В последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC - совместная разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. В мобильных устройствах широко используются ARM (Advanced RISC Machine) - процессоры.

Еще одно преимущество технологии RISC заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости персональных компьютеров типа IBM PC и Macintosh фирмы Apple.

Среди процессоров также различают процессоры-клоны - это процессор, выпускаемый не фирмой-разработчиком, в том числе и по лицензии или без нее.

Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium II, Pentium III и другие, выпускаемые другими фирмами - не Intel.

Как правило, клоны представляют собой собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью, так и только частично совместимы с оригинальной продукцией корпорации Intel, иметь отличные от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними.

Так, компания Multiclet разрабатывает и производит на сторонних мощностях микропроцессоры по запатентованой ею мультиклеточной технологии. В 2012 году компанией был представлен универсальный микропроцессор, ориентированный на задачи управления и цифровой обработки сигналов, пиковая производительность которого составила 32 бита.

Пользовательские характеристики процессоров отражают его производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость.

К основным характеристикам современных процессоров относятся:

. Тактовая частота процессора

Этот показатель, по которому определяется количество тактов (операций) которое может сделать процессор за секунду времени. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту (быстродействие) - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

. Количество ядер

Большинство современных компьютерных процессоров имеет по два или более ядра, исключение могут составить только самые бюджетные модели. Однако, в некоторых приложениях повышение производительности действительно может быть обусловлено количеством ядер, но в других приложениях многоядерный процессор может уступить своему предшественнику с меньшим количеством ядер.

Объем кэш-памяти

Для того чтобы повысить скорость обмена данными с оперативной памятью компьютера, на производимые процессоры устанавливают дополнительные блоки памяти с высокой скоростью.

Некоторые приложения при большом объеме кэш-памяти дают заметный прирост производительности <#"786583.files/image004.gif">

Рисунок 2.1 - Рейтинг поставщиков полупроводников по объему выручки на начало 2013 года, миллиардов долларов

Компания Intel в 2012 году показала рекордную убыль выручки на 3,1% в сравнении с 2011 годом из-за спада продаж персональных компьютеров. Тем не менее, это не помешало компании сохранить за собой лидерство на рынке, которое принадлежит ей уже несколько десятилетий подряд.

Вторым по объему выручки от продаж микропроцессор стала компания Samsung. Отдельно аналитики отметили успехи компании Qualcomm, которой удалось показать максимальный рост выручки - на 31,8%.

Таким образом, прогнозируя уровень спроса, производителям полупроводников нужно принимать не только сегодняшних лидеров рынка потребительской электроники, но и новых перспективных игроков, которые могут стать лидерами в ближайшее будущее.

Каждое следующее поколение процессоров делает существенный шаг вперед, предлагая все больше функциональных возможностей, причем иногда с большим заделом на будущее, а также обеспечивая плацдарм для дальнейшего развития и совершенствования прочих комплектующих персональных компьютеров.

По мнению независимых экспертов, Intel Core i7-3960X Extreme Edition - лучший процессор от компании Intel, который можно найти в продаже на данный момент. Тактовая частота данного шестиядерного чипа равняется 3,3 ГГц. Объем кэш памяти первого и второго уровня составляет 384 Кбайт и 1,5 Мбайт соответственно, а объем кэша третьего уровне составляет 15 Мбайт. [15. C. 15]

Более бюджетным вариантом является процессор Intel Core i7-3930K. Единственным отличием от предыдущей описанной модели является более низкая тактовая частота в 3,2 ГГц и объем кэша третьего уровня 12 Мбайт против 15 Мбайт у 3960X.

Аналогом этих чипов от компании AMD может послужить процессор под названием FX-8150. Данный восьмиядерный процессор работает на частоте 3,6 ГГц, объем кэш памяти первого уровня составляет 386 Кбайт, а кэш второго и третьего уровней 8 Мбайт.

Одним из главных событий 2012 года стал выход нового семейства процессоров APU Trinity от компании AMD, нацеленные на массовый сегмент рынка: настольные компьютеры, системы для домашнего кинотеатра и игровые платформы.

Ниже приведена сравнительная таблица характеристик процессоров нового поколения APU Trinity от компании AMD (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Сравнительная таблица характеристик процессоров нового поколения APU Trinity от компании AMD

Альтернативным вариантом флагманского процессора A10-5800K от компании AMD является чип Core i3-3220 компании Intel.

В следующей таблице приведены актуальные модели процессоров Core от Intel, которые являются преемниками процессоров предыдущего поколения, представленных моделями Pentium и Celeron (см. таблицу 2.2).

Таблица 2.2 - Сравнительные характеристики семейства процессоров Core от Intel

Таким образом, в архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.

.2 Мобильные процессоры: высокие технологии XXI века

Мобильные чипсеты (процессоры) - важная часть большинства нетбуков, смартфонов и коммуникаторов. Огромный модельный ряд мобильных устройств и особенности региональных рынков сбыта привели к широкому выбору линеек мобильных процессоров того или иного вендора.

Площадь мобильных чипов составляет 12×12 мм, а настольных 45×43 мм. Однако по структуре и принципу работы большинство первых радикально отличаются от вторых. По сути дела, все настольные процессоры от ведущих производителей до сих пор используют разработанную еще в далеком 1978 году архитектуру х86 и соответствующий ей набор команд CISC.

В планшетных компьютерах, которые, как правило, работают под управлением операционных систем Android или iOS, напротив, используются процессоры типа RISC. Именно такие чипы отвечают за значительно меньший объем команд, например при открытии какого-либо приложения они загружают только его основные функции, а необходимые модули подгружают по ходу работы.

Мобильные микрочипы состоят из тех же элементов, что и настольные. Микрочип обеспечивает выполнение всех последовательностей команд на телефоне или планшетном компьютере. Мобильные процессоры отвечают также за работу всех компонентов, размещенных на системной плате смартфонов и планшетов.

Производители мобильной техники предъявляют к микрочипам гораздо более высокие требования, чем к настольным процессорам.

В апреле 2012 года была запущена новая архитектура Ivy Bridge от компании Intel с уклоном в минимизацию используемых технологий. Заметно меньшие чипсеты с первых дней своего появления стали пользоваться большой популярностью у производителей портативных игровых устройств. Процессоры новой архитектуры получили улучшение и в производительности, что позволило Intel Core i7 в модельной комплектации 3920XM, 3820QM и 3720QM возглавить рейтинги многих обозревателей.

Таким образом, корпорация Intel сохраняет лидирующие позиции на рынке мобильных центральных процессоров: значительную его часть занимают чипы семейства Core i3/i5/i7, перешедшие на модернизированную архитектуру Ivy Bridge. [16. C. 32]

Чипы Ivy Bridge представляют собой модернизацию предыдущего поколения десктопных процессоров, которая заключается, прежде всего, в переходе с 32-нм на более тонкий 22-нм технологический процесс, позволяющий снизить энергопотребление и разместить на той же площади большее число транзисторов и тем самым повысить производительность, в использовании 3D-транзисторов.

Мобильные процессоры Ivy Bridge отличаются от десктопных более низкими частотами, уменьшенным энергопотреблением и некоторыми особенностями системы энергосбережения.

Рейтинг мобильных процессоров по объему продаж на начало 2013 года представлен на рисунке 2.2. [16. C. 33]

Рисунок 2.2 - Рейтинг мобильных процессоров по объему продаж на начало 2013 года, миллиардов долларов

Гораздо чаще, в мобильных устройствах можно наблюдать именно процессоры Intel.

Отдельная категория мобильных процессоров, производимых корпорацией Intel, - это Atom: такие чипы предназначены для установки в нетбуки и неттопы - недорогие портативные и настольные компьютеры, ориентированные преимущественно на работу в интернете. Однако с распространением планшетных компьютеров спрос на нетбуки резко пошел на спад, и на сегодняшний день остались лишь два процессора Atom, которые используются в выпускающихся ныне моделях недорогих субноутбуков.

С помощью новой энергоэффективной архитектуры компания Intel надеется закрепиться на рынке тонких ноутбуков и планшетов, где маленькая батарея и пассивное охлаждение не дает их быстрым и производительным процессорам возможности конкурировать с экономичными чипами других производителей.

Следует отметить, что в области мобильных процессоров компания Apple догоняет Intel.

В 2012 году калифорнийской компанией было поставлено около 176 миллионов процессоров в таких устройствах, как iPad и iPhone, что составляет 13,5% рынка мобильных процессоров. Intel заняла первое место с 181 миллионов процессоров в мобильных устройствах, таких как ноутбуки, - 13,9% рынка.

Интересно, что в цепочке поставок процессоров Apple нигде не упоминается южнокорейская компания Samsung, которой, по сути, принадлежит 100% процессоров iOS-устройств.

На сегодняшний день последней разработкой компании Samsung является чип Samsung-Intrinsity S5PC110, выпущенный в 2010 году. Особенностями мобильного процессора являются:

‒       поддержка последних мобильных технологий;

‒       мощный графический 3D-ускоритель;

‒       аппаратное декодирование HD-видео.

Примерами аппаратного исполнения являются Iphone 3GS, Samsung GT-i9000 Galaxy S, GT-S8500 Wave.

Другим производителем мобильных процессоров, занимающим лидирующие позиции на рынке, является компания Qualcomm, представившая в конце 2012 года новые процессоры Snapdragon для мобильных устройств, которые можно считать пропорциональным ответом на появление конкурентного мобильного процессора от Intel.

Мобильный процессор нового поколения Snapdragon 800 обещает оказаться на 75% производительнее процессоров предыдущего поколения. В настоящий момент разрабатывается порядка полусотни моделей на основе новых процессоров Qualcomm.

Старшие модели Snapdragon 800 будут иметь до 4 ядер с частотой до 2,3 ГГц, модернизированный сигнальный процессор и новую графическую подсистему Adreno 330.

Из других особенностей новых решений Qualcomm можно отметить возможность работать в сетях Wi-Fi «гигабитного» стандарта 802.11ac WiFi и поддержку технологии беспроводной передачи видео. [18. C. 43]

Линейки мобильных процессоров AMD намного реже встречаются в ноутбуках.

Мобильные процессоры Phenom II являются достаточно интересным решением. Мобильные версии этих процессоров, в отличие от десктопных лишены кэша третьего уровня, что является основной причиной снижения их производительности. При однопоточных нагрузках мобильные Phenom II X4, показывают в тестах уровень процессоров Core 2 Duo.

Подводя итог, можно сделать вывод, что, как правило, мобильные процессоры состоят из компонентов разных производителей. Главный элемент почти всех моделей - это центральный процессор на архитектуре ARM, дополненный вендорами соответствующими графическими и аудиопроцессорами. Изменив дизайн и некоторые пользовательские характеристики, производители выпускают конечный продукт на рынок.

.3 Наноэра - новый этап развития процессоров

Будучи одним из наиболее перспективных направлений современного этапа развития науки и техники, нанотехнологии в наибольшей степени видоизменяют и преобразуют представление об окружающем мире.

В отличие от других научно-технических направлений, развивающихся в какой-либо одной конкретной отрасли, нанотехнологии охватывают широкий спектр технических достижений в различных областях науки.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин.

Микропроцессоры сейчас быстро приближаются к технологическим пределам своей производительности. Поэтому в последние годы идет активный поиск новых направлений развития процессорной техники, отличных от доминирующих сегодня технологий. [4. C. 87]

Элементы новых процессоров должны иметь размеры порядка нанометров, и, соответственно, решения для их создания лежат в области нанотехнологий. Следует отметить, что именно в наномасштабах проявляются свойства материалов, позволяющие реализовать новые подходы к созданию процессорных устройств. Один из таких подходов разрабатывает компания Hewlett Packard для создания прототипа процессора, основанного на архитектуре, получившей название «кроссбары».

Кроссбар представляет собой набор параллельных проволок шириной около 50 нм, которые пересекаются другим набором нанопроволок. Между ними находятся прокладки из материала, который под действием приложенного напряжения может изменять свою проводимость. Регулярная структура из пересекающихся нанопроволок делает их изготовление достаточно простым, особенно в сравнении со сложной структурой современных процессоров на основе традиционных технологий. [9. C. 32] В свою очередь, это позволит максимально гибко адаптировать отработанные архитектурные решения к новым материалам.

В настоящее время разработчики компании Hewlett Packard внедряют архитектуру, позволяющую использовать много слоев кроссбаров За счет этого можно в разы увеличить плотность памяти, а также отношение производительность/энергопотребление. Чипы с такой архитектурой получили название «нанохранилища».

По мнению ведущих экспертов Hewlett Packard, нанохранилища должны стать основой будущих компьютеров, в том числе серверов. Стадии коммерческого применения нанохранилища, по мнению представителей компании, достигнут примерно через пять лет.

Однако, уже сегодня можно отметить внедрение нанотехнологий в технологический процесс создания микрочипов. В 2011 году группа исследователей из Бельгийского центра Imecна представили первый в мире пластиковый (или органический) микропроцессор, который способен выполнять около 6 инструкций в секунду.

Восьмибитный чип из 4000 транзисторов по характеристикам напоминает кремниевые микросхемы 70-ых годов, но разница в том, что он сделан на пластиковой подложке, на которую наносят последовательно слой золота, органический диэлектрик, второй слой золота и органический полупроводник из пентацена. Получается пленка толщиной 25 мкм, которую можно приклеить на любую поверхность.

Возможно, такой процессор найдет применение в дешевых гибких дисплеях и в сенсорах, которые будут встраивать в одежду, стройматериалы, еду, лекарства.

По мнению разработчиков, такие процессоры могут быть примерно в десять раз дешевле кремниевых аналогов, если конечно наладить крупномасштабное коммерческое производство. Правда, органические процессоры никогда не смогут вместить сотни миллионов транзисторов, как у кремниевых чипов. Кроме того, на сегодняшний день они не способны преодолеть главную проблему - непредсказуемое поведение таких транзисторов, вызванное отсутствием прочной монокристаллической структуры.

Ученые из Университета Бристоля предлагают производителям компьютерной техники перейти на выпуск совершенно новых устройств - программируемых квантовых процессоров.

Суть квантового процессора сводится к набору элементов, которые под воздействием электродов и волноводов способны принимать взаимозависимые квантовые состояния. В плане производства такие устройства не требуют дополнительных ресурсов, как и большинство современных процессоров они создаются на основе кремния.

С помощью электродов внутри устройства происходят вычислительные операции над квантовыми битами (кубитами). Такой механизм работы с одной стороны делает процессор многоцелевым, а с другой позволяет значительно уменьшить его габариты.

Однако, создатели нового вида процессоров отмечают, что определенная схожесть с обычными процессорами не делает их совместимыми. Другими словами, если в устройстве используется квантовый процессор, то и само устройство должно быть полностью перестроено под требования процессора. [13. C. 101]

С одной стороны такой подход позволяет перейти на новую ступень развития электроники, с другой - такой переход практически невозможен без поддержки мировых гигантов в области производства компьютеров.

В перспективе компания IBM сможет заменить медные внутричиповые проводники соединениями на основе оптических линий связи, и это существенно ускорит работу современных процессоров.

Оптические переключатели различного типа созданы достаточно давно, но именно ученые из IBM смогли миниатюризовать их до требуемых размеров. Это стало возможным с использованием кремниевых нанострун с особыми оптическими свойствами.

Исследователи из IBM создали самый маленький в мире фотонный переключатель. Это устройство может произвести революцию в оптических вычислениях и производстве компактных нанофотонных чипов. [14. C. 24]

Ранние версии подобных квантовых процессоров проектировались под конкретную задачу, поэтому их функциональные возможности были крайне ограничены рамками небольшого подмножества простейших операций для двух кубитов

Особенно большое влияние новый нанопереключатель окажет на архитектуру современных многоядерных процессоров - именно этого хотели добиться специалисты IBM. Обмен данными между ядрами процессоров будет приоритетным развитием технологии оптических нанопереключателей.

Работы по созданию квантовых микропроцессоров ведутся уже относительно давно. Преимуществом этой технологии, пока исключительно в теории, является огромная скорость обработки информации, которая должна позволить им в дальнейшем решать задачи, непосильные даже для самых современных суперкомпьютеров.

Таким образом, квантовые компьютеры - это новая техническая революция в мире. Новый квантовый процессор может стать основой для сверхмощной вычислительной техники.

Процессор является эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.

Сфера применения микропроцессоров постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными и микропроцессорными устройствами управления. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники и микропроцессорной техники.

Менее четверти века насчитывает история развития микропроцессорной техники, однако за это короткое время произошли поистине гигантские изменения, связанные с совершенствованием архитектуры микропроцессоров, расширением их функциональных возможностей, увеличением разрядности, повышением степени интеграции и быстродействия.

Действительно, современные микропроцессоры уже имеют 64-разрядную архитектуру и по производительности приближаются к мощным суперЭВМ.

Кроме того, с появлением технологических возможностей размещения на одном кристалле совместно с процессорным ядром памяти таймерных секций, периферийных узлов, средств сопряжения с внешней средой в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем - однокристальных микроконтроллеров, предназначенных для интеллектуализации оборудования различного назначения.

Тем не менее, в архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.

Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности таких систем, создаваемых в различных областях науки и техники.

Микропроцессоры сейчас быстро приближаются к технологическим пределам своей производительности. Поэтому в последние годы идет активный поиск новых направлений развития процессорной техники, отличных от доминирующих сегодня технологий.

Элементы новых процессоров должны иметь размеры порядка нанометров, и, соответственно, решения для их создания лежат в области нанотехнологий.

микропроцессор рынок полупроводник

Список использованных источников

1.   Алехина Г.В. Информатика. Базовый курс : учебное пособие / Под ред. Г.В. Алехиной. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Издательская группа «МедиаПро», 2010. - 731 с.

.     Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. / Б. Байцер. - М.: Издательский центр «Мир», 2011. - 241 с.

3.      Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / Под А.С. Басманов, Ю.Ф. Широков. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - 127 с.

4.   Блюмин А.М. Мировые информационные ресурсы: учебное пособие / А.М. Блюмин, Н.А. Феоктистов; Институт государственного управления, пра-ва и инновационных технологий - М.: Издательство «Дашков и К⁰», 2012. - 295 с.

.     Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 272 с.

6.      Ибрагимов И.М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 336с.

.        Информатика: Базовый курс: учебное пособие / под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Издательство «Питер», 2010. - 391 с.

.        Информатика. Общий курс: учебник / Соавт.: А.Н. Гуда, М.А. Бутакова, Н.М. Нечитайло, А.В. Чернов; под общ. ред. В.И. Колесникова. - М.: Издательство «Дашков и К⁰», 2011. - 290 с.