Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.pdf

Архитектура Skylake (6 поколение) появилась в 2015 году. Процессоры этого поколения производятся по 14 нм техническому процессу, имеют 11 металлических слоев, около 1 750 000 000 транзисторов, что обеспечило более компактные размеры (~9,19мм×11,08мм). Вся сводка усовершенствований представлена на рисунке 5 [18]:

Рисунок 5. Архитектура Skylake

• Многоядерная архитектура повышенной производительности, больше инструкций на такт, сниженное потребление электроэнергии;
• Расширенная кольцевая шина, повышенной пропускной способности;
• Графика с тремя разными конфигурациями с eDRAM и поддержкой OpenCLTM 2.0 API, DirectX 12 и OpenGL 4.4;
• Обновленный контроллер памяти поддерживает более быструю память DDR4, LPDDR3;
• Поддержка разрешения экранов до 4К;
• Поддержка PCLe для внешних графических адаптеров;
• Улучшенный набор микросхем с расширенным набором ввода-вывода для поддержки различных типоразмеров устройств, обновленный цифровой сигнальный процессор звука, новый узел датчиков;
• Повышение пропускной способности в 2 раза благодаря промежуточным подключениям в «системе на кристалле»;
• Процессоры обработки изображений для трансформеров и планшетов без добавления дополнительных компонентов на плату.

Также эти усовершенствования позволили увеличить производительность процессора на 60% по сравнению с процессорами пятилетней давности, возможности графической подсистемы выросли в 11 раз, а перекодировка видео осуществляется в 6 раз быстрее [19].

Архитектура Kaby Lake практически полностью повторила своего предшественника, за исключением незначительного увеличения некоторых параметров. Для более детального анализа, в таблице 2 [19] приведем характеристики процессоров 2-х поколений:

Таблица 2 «Сравнение характеристик процессоров i7-6700K и i7-7700K»

Из таблицы 2 можно сделать вывод, что изменения между процессорами двух последних поколений не значительны. Разница заключается лишь в небольшом увеличении тактовой частоты. Также в новом поколении незначительно увеличилась производительность (рисунок 6 [20]):

Рисунок 6. Сравнение производительности при выполнении различных задач

Развитие процессоров компании Intel не стоит на месте. Учитывая довольно провальные процессоры серии Kaby Lake, в сентябре 2017 года было анонсировано новое поколение с архитектурой Coffe Lake и Cannonlake[19].

2.3.2. Микропроцессор AMD

Два последних поколения процессоров компании AMD представлены архитектурами Bulldozer и Zen, выпущенные соответственно в 2011 и 2016 годах.

Процессоры AMD FX на базе микроархитектуры Bulldozer стали первыми процессорами AMD, выполненными по 32 нм техпроцессу [21]. Отличительной особенностью этих процессоров является высокая тактовая частота и возможность ее «разгона». В свое время, он был даже занесен в «Книгу рекордов Гиннесса», как самый высокочастотный компьютерный процессор. В данных процессорах поддерживается технология динамической оптимизации производительности на уровне процессорных ядер Turbo Core, которая означает увеличение тактовой частоты на несколько ступеней одновременно всех ядер процессора. Они оснащены кэш-памятью L3 размером 8 Мб, помимо этого на каждом ядре располагается кэш L2 размером 1 Мб.

Принцип построения многоядерных процессоров на базе AMD Bulldozer отличается от многоядерной архитектуры Intel, так как он предусматривает модульную архитектуру. Каждый модуль является двухъядерным, например, восьмиядерный процессор FX содержит четыре двухъядерных модуля. При этом модуль нельзя считать, как два отдельных функционирующих ядра, скорее, как вычислительные целочисленные кластеры. Такое архитектурное решение дает возможность одновременно обрабатывать два потока данных, но по эффективности уступает двум отдельным ядрам.

В архитектуре Zen основное внимание направлено на увеличение количества операций за такт – одновременная многопоточность. Переход от модульной архитектуры к полноценным ядрам.

Отличительные характеристики архитектуры [22]:

• Два потока на ядро (одновременная многопоточность);
• Инновационный кэш микроопераций;
• Объединенная кэш-память объемом до 20 Мб;
• Два блока со стандартом шифрования AES для обеспечения безопасности;
• Высокоточное увеличение частоты;
• Высокоэффективные транзисторы FinFET.

Для сравнительного анализа двух поколений, представим в таблице 3 процессоры FX-6200 (Bulldozer) и Ryzen 5 1600X (Zen):

Таблица 3 «Сравнение характеристик процессоров FX-6200 и Ryzen 5 1600X»

На основании таблицы 3 можно сделать вывод, что за 5 лет компания AMD значительно изменила подход к разработке. Архитектура Zen была сделана практически с нуля, с учетом всех недоработок предыдущего поколения. Использование новейших разработок: изменение техпроцесса, новый способ организации памяти, увеличение количества операций на такт – все это помогло увеличить производительность.

2.3.3. Отечественный микропроцессор «Эльбрус»

Представителем отечественного производителя, является процессор «Эльбрус». На данный момент компания МЦСТ значительно отстает от ведущих производителей (Intel и AMD), но показывает большие темпы развития. В таблице 4 приведем сравнительную характеристику линейки отечественных процессоров:

Таблица 4 «Характеристики линейки процессоров Эльбрус»

В Эльбрус-8С по сравнению с Эльбрус-4С становится значительно производительнее. Практически вдвое увеличивается тактовая частота, а также происходит усовершенствование архитектуры [23].

В планах у производителя на 2018 год вновь перейти на более современный технологический процесс от 28 нм к 16 нм, также рассматривается возможность выпуска 16-ядерного процессора. Разрядность будет увеличена с 64 до 128 бит. В одном ядре содержится 6 арифметическо-логических каналов, содержит своё отдельное АЛУ и FPU, таким образом ядро сможет выполнять 24 операции с плавающей запятой за такт [24].

Также до 2020 года запланирована разработка 32-ядерного процессора с тактовой частотой до 2 ГГц, техпроцесс 14 нм и производительностью около 2-4 Тфлопс.

На данный момент рядовой пользователь не имеет возможности воспользоваться «отечественной разработкой» по ряду причин:

• Отсутствие аппаратной периферии (материнская плата, чипсет и т.д.);
• Отсутствие функционирующего программного обеспечения (разработки ведутся на базе ОС Linux);
• Отсутствует совместимость с другими производителями;
• Высокая стоимость.

Поэтому данный процессор пока что могут использовать только научно-исследовательские центры и военные структуры. Но исходя из скорости развития, можно предположить, что в недалеком будущем, для настольного ПК мы сможем использовать процессор «Эльбрус».

Прогресс в области микроэлектроники шагает достаточно стремительно, по сравнению с другими сферами деятельности. Даже самый современный процессор достаточно быстро устаревает. «Гиганты-производители» Intel и AMD довольно успешно шагают в ногу со временем, развиваются и модернизируются, благодаря рыночной конкуренции.

Уже десятки лет основным материалом для производства кристаллов процессора является кремний, но и его возможности не безграничны. Возможно в будущем производство достигнет технологических лимитов этого материала. В последних разработках (технология менее 5 нм), к кремнию добавят дисуфид гафния или диселенид циркония, что станет основой новых сверхтонких полупроводников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание устройств на микропроцессорах довольно сложный и трудоемкий процесс. Однако, трудность освоения открывает большие возможности по реализации идей и поиску проектных решений. Это позволяет решать сложные задачи в соответствии с умелым сочетанием аппаратных средств и стандартных программных процедур.

В данной курсовой работе была подробно рассмотрена структура, классификация и основные характеристики микропроцессора в общем и их применение в современном ПК.

Было установлено, что микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией. Фактически – это «мозг» любой компьютерной системы. Он управляет потоками данных, организуя как сами вычисления (выполняет арифметические и логические операции), так и их требуемую последовательность. Основные характеристики микропроцессора заключены в значениях тактовой частоты и разрядности.

Был пройден путь от создания микропроцессора в 1971 году до наших дней, а также немного заглянули в возможное ближайшее будущее. Сравнили последние поколения современных процессоров главных производителей, используемых в ПК. Установлено, что с развитием микроэлектроники к микропроцессору предъявляется всё больше требований: универсальность, многозадачность, совершенствование и удешевление производства и другие. Ввиду этого производителям приходится находить принципиально новые проектные и технологические решения.

Современный микропроцессор в настольном ПК может предложить широкий спектр возможностей для рядового пользователя. Это высокая скорость обработки текстов, изображений, видео и т.д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Апгрейд компьютера. Популярный самоучитель/ А. Ватаманюк. – СПб.: Питер, 2005
2. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 4-е издание/ В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – СПб.: Питер, 2011
3. Железо ПК 2012/ В. Г. Соломенчук, П. В. Соломенчук. –СПб.: БХВ-Петербург, 2012
4. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и структура: Справочник/ В. С. Борисов, А. А. Васенков, Б. М. Малашевич и др.; Под ред. А. А. Васенкова, В. А. Шахиова. – М.: Радио и связь, 1982
5. Микропроцессоры и микроЭВМ: Учебное пособие/ Д. Ю. Муромцев, Е. Н. Яшин. – Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013
6. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / А. С. Басманов, Ю. Ф. Широков; Под ред. В. Г. Домрачева – М.: Энергоатомиздат, 1988
7. Микропроцессоры, микроЭВМ и их применение для автоматизации машин, оборудования и проборов: Учеб. пособие для автотранспортных техникумов/Г. А. Костикова, Е. Р. Кочанова, С. В. Праг и др.; Под ред. Г. А. Костиковой. – М.: Высш. шк., 1988
8. МикроЭВМ, микропроцессоры и основы программирования: Учеб.пособие/ А. Н. Морозевич, А. Н. Дмитриев, В. Н. Мухаметов и др; Под общ. ред. А. Н. Морозевича. – МН.: Выш. шк.; 1990
9. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 3-е издание. Стандарт третьего поколения/ С. А. Орлов, Б. Я. Цилькер. – СПб.: Питер, 2014
10. Основы компьютерной электроники: Учебное пособие/ Д. В. Фомин. – М. – Берлин: Директ-Медиа, 2014
11. Самое главное о … Выбор компьютера/ М. Кутузов, А. Преображенский. – СПб.: Питер, 2005
12. Assembler. Учебник для вузов. 2-е издание/ В. И. Юров – СПб.: Питер, 2010
13. Электронный ресурс – ru.wikipedia.org
14. Электронный ресурс - https://geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/266820/
15. Электронный ресурс http://asmworld.ru/uchebnik/ - Учебный курс программирования на ассемблере.
16. Электронный ресурс - https://ru.wikipedia.org/wiki/Кэш/
17. Электронный ресурс - https://ark.intel.com/ru/products/88196/Intel-Core-i7-6700-Processor
18. Электронный ресурс - https://geektimes.ru/company/intel/blog/275964/
19. Электронный ресурс - https://intel.com/
20. Электронный ресурс - https://www.igromania.ru/article/28703/Sem_faktov_o_Kaby_Lake_Testiruem_novoe_pokolenie_processorov_Intel.html
21. Электронный ресурс - http://compress.ru/article.aspx?id=22572
22. Электронный ресурс - https://www.amd.com/ru/technologies/zen-core
23. Электронный ресурс - http://digital-boom.ru/hardware/rossijskie-protsessory.html
24. Электронный ресурс - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D1%8C%D0%B1%D1%80%D1%83%D1%81-16%D0%A1