Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Назначение и история создания процессора).pdf

Оптимизация работы КЭШ памяти^[19] — Вышеописанные технологии увеличения скорости обработки команд и данных дают неплохой результат но быстро обрабатывать данные и команды недостаточно, нужно еще сделать так чтобы эти данные быстро загружались из оперативной памяти. В первых процессорах данные и команды напрямую загружались из оперативной памяти, но с усложнением и ускорением ядра стало ясно что скорость загрузки из оперативной памяти которая сделана по технологии DRAM слишком медленная . Тогда инженеры стали использовать дорогую высокоскоростную память небольшого объема (КЭШ-память) сделанную по технологии SRAM в качестве промежуточного буфера между ОЗУ и блоком выборки команд и данных. В дальнейшем для оптимизации работы стали добавлять дополнительные промежуточные уровни КЭШ — памяти в результате чего выстроилась разная по скорости и объему иерархическая система буферной памяти. На рисунке 6

изображена принципиальная схема иерархии КЭШ- памяти на примере трех уровневой КЭШ-памяти современного многоядерного процессора.

Рисунок 6 Иерархия КЭШ-памяти в современном процессоре

КЭШ- память первого уровня самая малая по объему но самая быстродействующая, способна работать на частоте ядра. Она находится в непосредственной близости к блоку выборки команд и данных у каждого ядра своя. В зависимости от архитектуры она делится на два отдельных сегмента один для данных и один для команда, или один общий.
КЭШ-память второго уровня у каждого ядра тоже своя но она менее быстрая чем память первого уровня но больше ее по объему.

КЭШ-память третьего уровня самая большая по объему и получает данные не посредственно из ОЗУ и обычно общая для всех ядер. Благодаря КЭШ-памяти часто используемые данные и команды хранятся в месте быстрого доступа для блока выборки что значительно ускоряет процесс работы. Но обычно КЭШ- память не превышает четырех уровней из-за дороговизны и сложности в организации в многоядерных процессорах.

2.2. Совершенствование технологии производства процессоров

Увеличение производительности процессоров описанное в предыдущей главе было бы невозможно без совершенствования технологических процессов производства. Поскольку сложность микроархитектуры возрастает то и количество транзисторов в составе процессора уже на протяжении десятков лет увеличивается в двое каждые два года. В современных процессорах выполненных по технологии 45нм плотность транзисторов такая высокая что на площади кремния равной срезу человеческого волоса их размещается порядка 2000 штук. Для размещения такого количества транзисторов на пластине кремния и дальнейшего увеличения их количества инженеры вынужденны двигаться в трех направлениях:^[20]

1. Уменьшение размера транзистора — Размеры транзисторов размещенных на пластине кремния в процессоре измеряют в нанометрах ( Нм ) , 1 нанометр равен одной миллиардной части метра. И вот на протяжении 30 лет инженерам удается постоянно ставить новые рекорды миниатюризации. Так например один из первых процессоров Intel 8086 выпущенный в 1979 г. имел транзисторы выполненные по технологии 3 Нм. В 2006 году Intel выпустило процессор 65 Нм, а в 2008 г. это уже было 45 Нм. На сегодняшний день ( 2018г.) компания Intel ^[21]остается лидером миниатюризации транзисторов и уже выпущен серийный процессор Intel Core I3 8121U выполненный по технологии 10 Нм. Также ведутся исследования направленные на освоения технологий 7, 5 и менее нанометров. Но при исследованиях инженеры сталкиваются с новыми проблемами связанными с недостатками использования старых материалов. Так на сегодняшний день в университете Беркли в США создан самый маленький транзистор в мире, он имеет затвор размером 1 Нм. это практически размер одного атома. Но этот транзистор создан с использованием совсем новых материалов.
2. Использование новых материалов - При уменьшении размера транзистора возникают различные проблемы связанные с физическими возможностями тех материалов которые классически применяются для их производства. Так при уменьшении размера транзистора необходимо также уменьшать емкость изоляции затвора, то есть его толщину. Раньше для этих целей использовали диоксид кремния (SiO2), но при уменьшении толщины изоляции на его основе меньше 1.5 Нм (порядка 5 атомов) начинает возникать эффект квантового туннелирования, что преводит к нестабильности в работе транзистора. По этой причине необходимо использовать материал с более низкой проводимостью. И таким материалом стал диоксид редкоземельного металла гафния чья диэлектрическая проницаемость ниже в 5 раз. Правда он был плохо совместим с поликремниевым затвором, но в дальнейшем затвор сделали медным.( см .рисунок 7)

Рисунок 7 Транзистор. С изолятором из оксида кремния и затвором из поликремния (слева). С медным затвором и изолятором из диоксида гафния (справа)

А инженеры университета Беркли работая над созданием своего самого маленького транзистора ( Затвор =1 Нм ), полностью отказались от использования кремниевой подложки а использовали дисульфида молибдена (MoS2). Затвор был изготовлен на основе нано-трубки из углерода. Таким образом была доказана работоспособность полупроводников менее 5 Нм. Кроме применения новых соединений в производстве также совершенствуется способ их нанесения. Например технология атомарного нанесения, где материал наносится слоями толщиной в один атом.

1. Совершенствование форм и структур полупроводников^[22] — также в связи с использованием новых материалов стремление инженеров направленно на поиск новых форм компоновки как самих полупроводников так и структур их организации и связей. В направлении от двумерной послойной структуры к сложной трехмерной и многослойной.

2.3. Будущее производства процессоров

В 1965 году один из основателей компании INTEL Гордон Мур выдвинул ампирическое наблюдение, что количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. В будущем это наблюдение станет известно как Закон Мура. А другой сотрудник INTEL Давид Хаус спрогнозировал удвоение производительности в два раза каждые 18 месяцев. Как в последствии стало понятно они оба оказались правы и предсказанная ими тенденция продолжается

и по сей день. Но миниатюризация технологического процесса уже перешагнула отметку в 10 Нм и движется дальше. Возможность освоения технологии в 1 Нм уже доказана экспериментально и по прогнозам Мура должна появится в серийных изделиях уже к 2030 году. К сожалению транзистор размером меньше 1 Нм физически не возможен. Получается что в 2030 году производители процессоров окажутся в крайне не простом положении. Что нас ждет дальше ?
Это сложный вопрос но по мнению автора этого текста силы будут направлены на поиски материалов с более высокой подвижностью носителей заряда. Также будут исследоваться новые более эффективные архитектуры логических схем самого процессора, совершенствование программного обеспечения с целью обеспечения полной поддержки многоядерности и параллельной обработки. Но и в связи с массовым использованием носимой электроники в проектировании процессоров будет увеличиваться тенденция встраивания периферийных устройств в корпус процессора, по принципу «все в одном».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе написания данной курсовой работы нам удалось получить новые знания и умения по основам проведения и оформления исследовательских работ. А также получить информацию и провести ее анализ в такой интересной и востребованной теме в современном мире как вычислительные системы а в частности современные процессоры их развитие и дальнейшие перспективы. В первой главе курсовой работы мы познакомились с такой немаловажной частью как история появления процессора. Выяснили что послужило толчком к их появлению и какие идеи были заложены в основу первых систем .
Изучили устройство современного процессора а также устройство вычислительного ядра. Получили исчерпывающую информацию о принципах работы как ядра так и самого процессора в целом. Ознакомились с видами архитектуры современных процессоров их типами и назначением в быту, науке и производстве. В окончании первой главы был брошен взгляд на ключевых производителей процессоров и занимаемая ими доля рынка.
Во второй части курсовой работы было акцентировано внимание на ключевой теме курсовой работы — Современные тенденции развития процессоров. Так в первой части мы рассмотрели те инженерные решения которые принимают производители для увеличения производительности процессоров а также их технических показателей и те трудности с которыми им приходится сталкиваться. Коснулись также такой наукоемкую темы как технология производства процессоров. Узнали какие материалы и технологии использовали раньше и какие используют сегодня. Разобрались с какими проблемами и сложностями сталкиваются ученые при миниатюризации производственного процесса и как им и приходится решать.
В заключительной части курсовой работы мы постарались сделать выводы о будущем которое ждет производство процессоров после 2030г. Так как технологические возможности дальнейшей миниатюризации технологий производства будут сильно ограничены физическими, автор курсовой работ делает предположения о направлениях дальнейшего развития и тенденций в производстве процессоров.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Источники на русском языке

Ланина. Э. П. История развития вычислительной техники. Иркутск: ИрГТУ, 2001. 166с.

Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. "КИТ" ПТОО "А.С.К.", 1995. - 384с

Ю.Носов. Транзистор – наше все. К истории великого открытия . Журнал ЭЛЕКТРОНИКА Выпуск #2/2008

М.Гук . Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II. Питер 1998. 224с

Таненбаум Остин. Архитектура компьютера Питер 2019. 816c

Анатолий Жмакин. Архитектура ЭВМ. Учебное пособие . БХВ 2010. 352c

Б.В. Костпов В.Н. Ручкин Архитектура микропроцессорных систем Диалог МИФИ 2007 стр. 304

Х. Крейгон Архитектура компьютеров и ее реализация Издательство МИР 2004 стр. 675

Александров Е.К. Микропроцессорные системы Политехника 2005 стр. 935

Электронные ресурсы

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана 1c

https://ru.bmstu.wiki/Intel_4004 (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале. Процессоры ARM: производители и модели. https://itc.ua/articles/protsessoryi-arm-proizvoditeli-i-modeli/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале Программные продукты и системы №2 2007 . Авторы кандидаты технических наук Дикарев Н. И. Шабанов Б.Н. Архитектура процессора и ее влияние на производительность супер ЭВМ. http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=373

(Дата обращения 18.04.2020)

Статья компании AMD для интернет журнала Микропроцессоры. Методы повышения производительности процессора https://otmpblog.wordpress.com/2011/ (Дата обращения 16.04.2020)

Статья компании INTEL. Технологии, определенные для процессоров Intel для мобильных инастольных компьютеров . https://www.intel.ru/content/w (Дата обращения 18.04.2020)

Научная статья в интернет журнале. Результаты экспериментального исследования эффективности КЭШ памяти микропроцессорных систем Томачев В.В. к.т.н Военно-космическая Академия им. А.Ф. Можайского https://cyberleninka.ru/article/n/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья компании Intel . Трудности производства процессоров https://habr.com/ru/company/intel/blog/108615/ (Дата обращения 18.04.2020)

1. Статья. Перспективы развития центральных процессоров . https://habr.com/ru/post/114579/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале CHIP. Какое будущее ждет индустрию процессоров ? https://ichip.ru/tekhnologii/akkumulyatory (Дата обращения 18.04.2020)

19. Ежегодное исследование рынка встраиваемых систем http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews_146 (Дата обращения 16.04.2020)

1. Ланина. Э. П. История развития вычислительной техники.—Иркутск: ИрГТУ, 2001.—56с. ↑

2. Малиновский Б.Н.История вычислительной техники в лицах. К.: фирма "КИТ",ПТОО "А.С.К.", 1995. - 123с ↑

3. Ю.Носов. Транзистор – наше все. К истории великого открытия Журнал ЭЛЕКТРОНИКА Выпуск #2/2008 ↑

4. Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана https://ru.bmstu.wiki/Intel_4004 ↑

5.   М.Гук . Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II Питер 1998 стр.68 ↑

6. Рисунок из свободного доступа сети Internet ↑

7. Таненбаум Остин: Архитектура компьютера Питер 2019 стр. 78 ↑

8. Рисунок из свободного доступа сети Internet ↑

9. Анатолий Жмакин: Архитектура ЭВМ. Учебное пособие БХВ 2010 стр. 81 ↑

10. Б.В. Костпов В.Н. Ручкин Архитектура микропроцессорных систем Диалог МИФИ 2007 стр. 44 ↑

11. Х. Крейгон Архитектура компьютеров и ее реализация Издательство МИР 2004 стр. 302 ↑

12. Александров Е.К. Микропроцессорные системы Политехника 2005 стр. 467 ↑

13. Ежегодное исследование рынка встраиваемых систем http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews_146.html

    ↑

14. Статья в интернет журнале Процессоры ARM: производители и модели https://itc.ua/articles/protsessoryi-arm-proizvoditeli-i-modeli/ ↑

15. Рисунок из свободного доступа в Internet ↑

16. Архитектура процессора и ее влияние на производительность суперЭВМ Статья в интернет журнале Программные продукты и системы №2 2007 Авторы кандидаты технических наук Дикарев Н. И. Шабанов Б.Н. http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=373 ↑

17. Методы повышения производительности процессора Статья компании AMD для интернет журнала Микропроцессоры https://otmpblog.wordpress.com/2011/12/16/%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B-%D0%BF%D0%BE%D0%B2 ↑

18. Официальная статья компании INTEL Технологии, определенные для процессоров Intel для мобильных инастольных компьютеров https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/support/articles/000006513/processors.html ↑

19. Научная статья Результаты экспериментального исследования эффективности КЭШ памяти микропроцессорных систем Томачев В.В. к.т.н Военно-космическая Академия им. А.Ф. Можайского https://cyberleninka.ru/article/n/rezultaty-eksperimentalnogo-issledovaniya-effektivnosti-kesh-pamyati-mikroprotsessornyh-sistem-na-osnove-imitatsionnogo/viewer ↑

20. Интернет статья компании Intel Трудности производства процессоров https://habr.com/ru/company/intel/blog/108615/ ↑

21. 1. Перспективы развития центральных процессоров . Статья https://habr.com/ru/post/114579/

    ↑

22. Статья в интернет журнале CHIP Какое будущее ждет индустрию процессоров ? https://ichip.ru/tekhnologii/akkumulyatory-novogo-pokoleniya-49237 ↑