Файл: Перспективы развития технологий ПК.pdf

Еще одна важная задача - расширение коммуникационной функции ПК. Проникновение в наши офисы и дома новых телекоммуникационных технологий, таких как VoIP, а также рост пропускной способности сетей требует обработки огромного количества пакетов данных, но это не должно влиять на скорость работы основных приложений. Многоядерные процессоры помогут справиться с этой задачей, правильно распределив ресурс вычислительных ядер для обработки сетевых пакетов и выполнения других приложений.

Многоядерные процессоры Intel в сочетании с другими компонентами платформ предоставляют расширенные возможности для управления и для обеспечения безопасности. Они позволяют уменьшить время отклика системы во время одновременной работы нескольких управляющих или профилактических программ, таких как антивирусная проверка, обновление ПО, проверка конфигурации или запрос на инвентаризацию. Более того, используя технологию виртуализации, поддерживаемую многими платформами Intel, можно одновременно запустить несколько операционных систем без снижения производительности приложений в каждой из них.

2.2.1 Развития процессоров

ЭВМ представляет собой систему процессоров. Каждый процессор состоит из некоторой совокупности запоминающих устройств, устройств управления и операционного устройства. Эти составные части процессора связаны между собой определенным образом. Связь между процессорами осуществляется за счет наличия общих запоминающих устройств, которые могут служить для передачи информации (в этом случае они называются буферными ЗУ) и для передачи управляющих сигналов (в этом случае они называются контактными ЗУ).

Одни процессоры машины называют центральными, другие - периферийными. К периферийным относят процессоры, предназначенные для ввода или вывода информации. Способы контакта и обмена с ними в реальных ЭВМ очень разнообразны. Но общий принцип действия всех процессоров одинаков.

Одной из плодотворных находок явилась система прерываний - замечательный союз программных и аппаратных (внутримашинных) средств, предназначенных для быстрой реакции машины на чрезвычайные события. Действия этой системы направлены на то, чтобы «зафиксировать» ситуацию, имеющую место в ЭВМ в момент возникновения прерывания. Под прерыванием, таким образом, понимается временное прекращение выполнения текущей программы центральными устройствами ЭВМ с запоминанием точки, в которой прервана данная программа со всей относящейся к ней информацией и одновременный переход к выполнению другой программы. Программа, прерванная ранее и находящаяся в состоянии «ожидания», может вернуться в состояние «счет» после устранения причины, вызвавшей ее прерывание.

За счет большого числа центральных процессоров среднее число операций, которые может выполнять ЭВМ в единицу времени, т.е. быстродействие машины, возрастает. Для многопроцессорной ЭВМ программу решения задач иногда можно составить так, чтобы различные части этой программы выполняли разные центральные процессоры.

Составление таких программ получило название параллельного программирования (точнее: программирование с расчетом на параллельное выполнение программ). Поскольку ЭВМ представляет собой систему процессоров, то можно говорить о «коллективе исполнителей».

Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, направляющих работу компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать и очистить. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.

Развитие микропроцессора происходит в процессе повышения тактовой частоты. Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.

Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их преобладание в микропроцессорах.

Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5В до 2,5-3В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25мкм на 0,18мкм и 0,12мкм и стремятся использовать уникальную 0,07мкм технологию (см. Таблица 1).

Таблица 1 - Тенденции изменений характеристик памяти

При минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. Практически все свойства твердого тела, включая его электропроводность, резко изменяются и «сопротивляются» дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера «съедают» до 90% сигнала по уровню и мощности.

Уменьшение длины межсоединений актуально для повышения тактовой частоты работы, так как длительность такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264 предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы микропроцессора.

Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность, исключив существовавший ранее перегрев кристаллов.

2.2.2 Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти

Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью.

Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин, так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором, кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.

Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется по-разному:

- внешние кэш-памяти данных и команд с двухтактовым временем доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем доступа 2 такта в HP PA-8000;

- отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня, размещенный в одном корпусе в Pentium Pro;

- размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.

Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня.

2.2.3 Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств

Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).

Широко используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.

2.2.4 Системы на одном кристалле и новые технологии

В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные на одном кристалле - SOC (System On Chip). Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.

Основной технологический прорыв в области SOC удалось сделать корпорации IBM, которая смогла реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии используется конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). Конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.

Для создания SOC IBM использует самые современные технологические решения, одним из которых являются медные межсоединения (copper interconnect). По сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%. Обычно эта технология дополняется еще одной новинкой: технологией кремний на изоляторе - КНИ (SOI, Silicon On Insulator). Она уменьшает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовую частоту работы транзисторов также можно увеличить. Возрастание скорости от использования КНИ приближается к 20-30%. Таким образом, общий рост производительности в идеальном случае может достигнуть 50%.

2.3 Современный российский ПК

Современный ПК собирается из очень небольшого числа электронных блоков, монтируемых в корпусе компьютера. В итоге «портрет» компьютера складывается из «изображений» его составных частей. Как показывает практика, каждый тип комплектующих для ПК эволюционирует неровно «волнами» и зачастую независимо от компонентов других типов. И было бы ошибкой утверждать, что качество комплектующих всех типов для ПК возрастало в последнее время одинаково быстро.

Системная память перешла в разряд ОЗУ для ПК начального уровня и активно вытесняется DDR333 SDRAM - последняя успешно применяется в мощных ПК, и на сегодня ПК-индустрия фактически готова к ее массовому использованию.

RDRAM-пaмять пока не спешит сдавать позиции - на смену РС800 пришла PC 1066 RDRAM, которая значительно обгоняет DDR333 SDRAM по скорости работы и устанавливается в графические и видеомонтажные станции начального уровня.

Также появились системные платы, работающие с DDR266 SDRAM в двухканальном режиме (на базе НМС Intel E7205), а в этом случае по «скорострельности» она не уступает PC 1066 RDRAM.

Последние модели графических адаптеров оснащаются интерфейсом AGP 8X, который работает вдвое быстрее предшествовавшего ему AGP 4X.

В развитии жестких дисков виден рост объема кэш-буфера (на сегодня - стандартно 2 Мбайт у всех без исключения накопителей со скоростью вращения 7200 и 5400 об/мин и до 8 Мбайт у моделей на 7200 об/мин (год назад - от 128 Кбайт до 2 Мбайт у дисков на 5400 об./мин и до 2 Мбайт - у моделей на 7200 об./мин), выпуск компанией Maxtor накопителей с интерфейсом Ultra/ATA и уменьшение уровня шума за счет использования двигателей на жидкостных подшипниках.