Editorial gg 50 de ani de legea lui Moore

Editorial gg Împreună cu întreaga lume progresistă, anul acesta nu ne-am săturat să sărbătorim 50 de ani de la legea lui Moore, care, să vă reamintim, spune: „Numărul de elemente din microcircuite se dublează la fiecare doi ani” (apropo, am avut mai multe articole de lux pe această temă pe care le puteți găsi pe site la subiectul „ 50 de ani de legea lui Moore "). Companiile asociate cu personalitatea lui Gordon Moore nu se plictisesc să o sărbătorească. De exemplu, Intel nu cu mult timp în urmă a rezumat rezultatele multor ani de implementare a teoriei din Lege. Au fost anunțate numere uimitoare, să vă spun. Nu veți ghici niciodată cât de mult mai tare este smartphone-ul tău șchiop în comparație cu computerul super-avansat care a făcut posibilă prima călătorie a omului pe Lună, cât de des companiile trebuie să își reînnoiască complet producția pentru ca laptopul tău să dureze mai mult și cât de aproape suntem. sunt în punctul în care computerele vor deveni mai inteligente decât noi. Totuși, de ce să ghicesc, am scris deja totul!

1. În comparație cu primul procesor Intel 4004 lansat în 1971, procesorul de astăzi are de 5,6 milioane de ori mai mulți tranzistori (1,3 trilioane) și performanță de 3.500 de ori mai rapidă. Eficiența energetică a crescut de 90.000 de ori. Dimensiunile tranzistoarelor moderne sunt măsurate în numărul de atomi, iar un tranzistor nu poate fi văzut cu ochiul liber.

2. Pentru a stabili producția de procesoare folosind un nou proces tehnic, la fiecare doi ani Intel se confruntă cu nevoia de a construi o nouă fabrică. Singurul lucru care rămâne la cerere de la cel vechi este clădirea cu comunicațiile conectate - toate echipamentele trebuie actualizate. Acest lucru nu este doar costisitor în sine, ci necesită și ca veniturile din vânzările fiecărei noi generații de dispozitive cu tehnologie nouă să acopere costurile construirii unei fabrici și mai noi.

3. Acest punct decurge din cel precedent. Cu fiecare nouă generație de procesoare, numărul producătorilor de procesoare scade, acest lucru se datorează unei creșteri semnificative a costului tehnologiei. Mai mult, companiile sunt nevoite să se unească în dezvoltare în numele progresului pentru a reduce cumva costurile. Diapozitivul de mai jos arată câte fabrici au ieșit de pe șine odată cu dezvoltarea progresului.

4. Frecvența de ceas a procesoarelor cu care este echipat un navigator auto modern tipic este de 500 MHz. Prin comparație, nava spațială Apollo din 1966 avea un procesor de 2 MHz. Nu pot să cred că chestia asta ar putea ajunge pe Lună!

5. Smartphone-ul modern din buzunar este mai puternic decât computerul instalat în roverul Curiosity, care a fost lansat pe 6 aprilie 2012. Deși de fapt sunt despărțiți de aproximativ două generații de tehnologie.

6. Acum 20 de ani, supercomputerul Cray-2 avea aceeași putere ca un smartphone modern de 300 de dolari. Și a costat 17 milioane de dolari.

Cea mai mare diferență dintre procesoarele Sandy Bridge și Ivy Bridge este tehnologia procesului. Mai mult, nu numai că am primit o tranziție de la o tehnologie de proces de 32 nm la 22 nm, ci și pentru prima dată am primit un nou tip de tranzistor, cu o poartă tridimensională. Această tehnologie ne permite să reducem curenții de scurgere și să creștem eficiența energetică a procesorului - ca urmare, obținem un procesor economic nu numai datorită reducerii procesului tehnic, ci și datorită tranzistorilor mai eficienți.

Core i7-3770K conține grafică HD integrată 4000 și
1,4 miliarde de tranzistori în total. În cazul Sandy Bridge, numărul de tranzistori a fost de doar 995 de milioane.
În ceea ce privește dimensiunea matriței, Intel a reușit să reducă suprafața de la 216 mm² la 160 mm².

Modelele Ivy Bridge au cu aproximativ 405 milioane de tranzistori mai mulți decât Sandy Bridge. Dar de data aceasta Intel nu a crescut memoria cache sau numărul de nuclee. Și controlerul de memorie a rămas în mare parte neschimbat, agentul de sistem a fost și el același. Unde s-au cheltuit 405 milioane de tranzistori? În cea mai mare parte - pe nucleul grafic integrat Intel. Mai mult, Intel nu numai că a crescut dimensiunea bufferelor, dar și a dublat numărul de unități de calcul de bază.

Este interesant să comparăm dimensiunea: noul cip Ivy Bridge ocupă cu aproximativ 25% mai puțin spațiu pe substrat, dar conține mult mai mulți tranzistori.

Mai multe tranzistoare produc întotdeauna mai multă căldură. Dar datorită tehnologiilor inteligente de economisire a energiei, numai acele zone ale procesorului care sunt utilizate în mod activ consumă energie. În modul inactiv, procesorul poate dezactiva nuclee individuale, memoria cache sau părți ale nucleului grafic integrat. Adăugați tehnologii DDR3 și GT Power Gating. Datorită structurilor mai mici și a tranzistorilor Tri-Gate, Intel a reușit chiar să realizeze economii semnificative în consumul de energie. În plus, procesoarele Intel Ivy Bridge acceptă acum memoria Low Voltage DDR3 (DDR3L), care poate funcționa la 1,35 V, economisind câțiva wați.

Tranzistoare Intel de 22 nm cu tehnologie Tri-Gate

Intel a vorbit despre tehnologia procesului de 22 nm la mai multe evenimente anterioare. Dar de data aceasta am primit câteva informații noi despre tehnologia procesului de 22 nm: în esență, toate tranzistoarele plane moderne sunt create conform unui design dezvoltat în 1974. Desigur, i-au fost aplicate diverse îmbunătățiri și optimizări pentru a minimiza curenții de scurgere și pentru a controla funcționarea tranzistoarelor, reducând în același timp procesul tehnic - dar până în 2000 nu au existat probleme speciale cu aceasta, spre deosebire de curenții de scurgere. Cititorii noștri își pot aminti Northwood, Prescott și multe alte procesoare care au avut de a face cu probleme de căldură.

În 2003, Intel a început să treacă la un proces de 90 nm cu tehnologia Strained Silicon pentru tranzistoarele NMOS și PMOS cu porți de oxid, ceea ce le-a îmbunătățit caracteristicile și curentul de antrenare. Odată cu trecerea la tehnologia de proces de 45 nm, Intel a anunțat tranzistori cu porți metalice High-K, adică cu un nou dielectric (SiO2) și porți metalice pe bază de hafniu. Acest lucru a făcut din nou posibilă îmbunătățirea performanței tranzistorilor fără a introduce noi probleme cu curenții de scurgere.

În cazul anunțării tranzistoarelor de 22 nm, însăși structura acestor elemente semiconductoare s-a schimbat.

Un exemplu este slide-ul de proces de 22 nm de la Intel Developer Forum de anul trecut, care arată valorile curentului de scurgere la diferiți curenți de unitate pentru diferite scenarii. Dacă aveți nevoie de un procesor rapid, puteți suporta curenți mari de scurgere. Pe de altă parte, puteți optimiza procesorul pentru curenți de scurgere mai mici. Ca urmare, în funcție de cazul de utilizare, anumite tehnologii pot fi implementate în cip (performanță ridicată, performanță standard, consum redus de energie).

Următoarele sunt principalele avantaje ale procesului Tri-Gate de 22 nm:

• Există un avantaj clar în ceea ce privește curenții de scurgere. La o tensiune mai mică, tranzistorul comută mai repede, astfel încât scurgerea în starea oprită este mult mai mică.
• Când este optimizat pentru un consum mare de energie, este posibil să se obțină aceeași scurgere în stare oprită ca tranzistoarele plane la o viteză de comutare mult mai mare.
• În general, tranzistoarele Tri-Gate oferă o viteză de comutare cu 37% mai mare la 0,7 V - sau, dimpotrivă, reduc consumul de putere activă cu 50%.
• Dacă sunt necesare performanțe mai mari, proiectantul procesorului poate face câteva modificări simple pentru a o atinge.

Structura tranzistoarelor este clar vizibilă în figura de mai sus: poarta tranzistorului „îndoaie” mai bine zona canalului, prevenind curenții serioși de scurgere.

Intel a folosit tehnologia de proces P1270 de 22 nm pentru procesoarele Ivy Bridge. Dar în 2013, este planificată trecerea la tehnologia de proces P1272 de 14 nm, dezvoltată tot de Intel. Compania va produce procesoare noi la cinci fabrici, care vor fi transferate la tehnologia de proces de 22 nm sau care rulează deja pe aceasta. Pe lângă fabricile din Oregon, procesoarele vor fi produse de încă două fabrici din Arizona, precum și de o fabrică din Israel.

Intel va folosi procesul de 22 nm atât pentru procesoarele tradiționale (Core, Xeon, ...) cât și pentru produsele SoC (Atom și altele). Adică, Intel optimizează designurile existente pentru noua tehnologie de proces Tri-Gate. Intel vede beneficiile acestei alinieri a echipelor de proiectare, care se încadrează în inițiativa Unified Design Approach, rezultând în echipele actuale de proiectare (SoC, CPU) să răspundă mai rapid la provocările noilor zone de piață.

Toate componentele electronice calculator construit pe baza tranzistoare. Principiul de funcționare al tranzistorului a fost descoperit de trei oameni de știință la sfârșitul anilor 40, care lucrau la Bell Labs. Acești oameni de știință au fost William Shockley, John Bardeen și Walter Brettain. În 1954 au primit Premiul Nobel. Importanța și semnificația descoperirii tranzistorului pentru evoluțiile ulterioare în industria calculatoarelor este echivalentă cu descoperirea la un moment dat a roții și a metodelor de a face foc.

Primul computer, numit ENIAC (electronic Numeracal Integrator and Computer), a fost dezvoltat la începutul anilor '40.

Calculator ENIAC bazat pe tuburi vid.

Tranzistorii nu fuseseră inventați în acel moment, așa că computerul era făcut din mii de tuburi de vid voluminoase și incomode și necesitau mai multe încăperi pentru a-l adăposti. Greutatea a ajuns la 27 de tone. Tuburile de vid s-au încins foarte tare, erau foarte nesigure și necesitau multă energie electrică. Când ENIAC a fost pornit, luminile orașului din apropiere s-au stins de fiecare dată. ENIAC a îndeplinit doar câteva funcții. Astăzi, aceste operațiuni sunt efectuate de orice calculator de buzunar.

De la inventarea primului tranzistor, s-a făcut un salt uriaș înainte în domeniul tehnologiei computerelor. Tranzistoarele sunt mai ușor de fabricat, mai ieftine, mai ușoare, mai fiabile și consumă mult mai puțină energie.

Primul tranzistor a înlocuit 40 de tuburi vid, a funcționat la o viteză mai mare, a fost mai ieftin și mai fiabil.

Cum putem face ca un tranzistor să funcționeze pentru noi? Pentru a spune simplu, folosim software pentru aceasta, care instruiește computerul să pornească și să oprească tranzistoarele și în cele din urmă duce la rezolvarea problemei. În timpul execuției oricărui program, o secvență de impulsuri electrice (semnale digitale) este generată sub forma a două niveluri de tensiune. Această secvență determină funcționarea tranzistoarelor.

Desigur, cu cât software-ul este mai versatil și cu cât sunt mai mulți tranzistori utilizați, cu atât computerul poate efectua munca mai complexă și mai consumatoare de timp.

Într-un computer, un tranzistor funcționează ca un comutator și este format din trei elemente principale: un colector, un emițător și o bază. Să presupunem că colectorul tranzistorului este conectat la polul pozitiv al unei baterii de 6 volți, iar emițătorul la polul negativ. Electronii nu vor trece prin tranzistor (este închis). Dar dacă aplicăm o tensiune mică (de deschidere) la bază, atunci tranzistorulse va deschide și curentul va curge prin el în secțiunea colector-emițător.

Există milioane de tranzistori utilizați într-un computer. De exemplu, procesorul Intel core i7 conține aproximativ un miliard de tranzistori.

Tranzistorii din procesor, placa de bază, diferite plăci de expansiune și periferice răspund la semnalele digitale care vin de la alte dispozitive.

Astfel, un computer modern este un set de comutatoare electronice - tranzistoare.

Probabil că fiecare utilizator care este puțin familiarizat cu computerele a întâlnit o grămadă de caracteristici de neînțeles atunci când a ales un procesor central: proces tehnic, cache, soclu; Am apelat pentru sfaturi la prieteni și cunoștințe care erau competenți în materie de hardware de calculator. Să ne uităm la varietatea diferiților parametri, deoarece procesorul este cea mai importantă parte a computerului dvs., iar înțelegerea caracteristicilor acestuia vă va oferi încredere în achiziționarea și utilizarea ulterioară.

CPU

Procesorul unui computer personal este un cip care este responsabil pentru efectuarea oricăror operațiuni cu date și controlează dispozitivele periferice. Este conținut într-un pachet special de siliciu numit matriță. Pentru o desemnare scurtă, utilizați abrevierea - CPU(unitate centrală de procesare) sau CPU(din limba engleză Unitatea centrală de procesare - dispozitiv central de procesare). Pe piața modernă a componentelor computerelor există două corporații concurente, Intel și AMD, care participă constant la cursa pentru performanța noilor procesoare, îmbunătățind constant procesul tehnologic.

Proces tehnic

Proces tehnic este dimensiunea folosită în producția de procesoare. Determină dimensiunea tranzistorului, a cărui unitate este nm (nanometru). Tranzistorii, la rândul lor, formează miezul intern al procesorului. Concluzia este că îmbunătățirea continuă a tehnicilor de fabricație face posibilă reducerea dimensiunii acestor componente. Ca rezultat, sunt mult mai multe dintre ele plasate pe cipul procesorului. Acest lucru ajută la îmbunătățirea performanței procesorului, astfel încât parametrii acestuia indică întotdeauna tehnologia utilizată. De exemplu, Intel Core i5-760 este realizat folosind o tehnologie de proces de 45 nm, iar Intel Core i5-2500K este realizat folosind un proces de 32 nm. Pe baza acestor informații, puteți judeca cât de modern este procesorul și cât de superior este. este în performanță față de predecesorul său, dar atunci când alegeți, trebuie să luați în considerare și o serie de alți parametri.

Arhitectură

Procesoarele se caracterizează și printr-o astfel de caracteristică precum arhitectura - un set de proprietăți inerente unei întregi familii de procesoare, de obicei produse pe parcursul multor ani. Cu alte cuvinte, arhitectura este organizarea lor sau designul intern al procesorului.

Numărul de nuclee

Miez- cel mai important element al procesorului central. Este o parte a procesorului care poate executa un fir de instrucțiuni. Miezurile diferă în ceea ce privește dimensiunea memoriei cache, frecvența magistralei, tehnologia de fabricație etc. Producătorii le atribuie nume noi cu fiecare proces tehnologic ulterior (de exemplu, nucleul procesorului AMD este Zambezi, iar Intel este Lynnfield). Odată cu dezvoltarea tehnologiilor de producție a procesoarelor, a devenit posibil să plasați mai mult de un nucleu într-un singur caz, ceea ce crește semnificativ performanța procesorului și ajută la îndeplinirea mai multor sarcini simultan, precum și la utilizarea mai multor nuclee în programe. Procesoare multi-core va putea face față rapid arhivării, decodării video, funcționării jocurilor video moderne etc. De exemplu, liniile de procesoare Intel Core 2 Duo și Core 2 Quad, care folosesc procesoare dual-core și, respectiv, quad-core. În prezent, procesoarele cu 2, 3, 4 și 6 nuclee sunt disponibile pe scară largă. Un număr mai mare dintre ele sunt utilizate în soluții de server și nu sunt solicitate de utilizatorul mediu de computer.

Frecvență

Pe lângă numărul de nuclee, performanța este afectată de frecvența ceasului. Valoarea acestei caracteristici reflectă performanța procesorului în numărul de cicluri de ceas (operații) pe secundă. O altă caracteristică importantă este frecvența magistralei(FSB - Front Side Bus) care demonstrează viteza cu care sunt schimbate datele între procesor și perifericele computerului. Frecvența ceasului este proporțională cu frecvența magistralei.

Priză

Pentru ca viitorul procesor să fie compatibil cu placa de bază existentă atunci când faceți upgrade, trebuie să cunoașteți soclul acestuia. Se numește o priză conector, în care procesorul este instalat pe placa de bază a computerului. Tipul de soclu este caracterizat de numărul de picioare și de producătorul procesorului. Socket-uri diferite corespund unor tipuri specifice de procesoare, astfel încât fiecare soclu permite instalarea unui anumit tip de procesor. Intel folosește soclu-ul LGA1156, LGA1366 și LGA1155, în timp ce AMD folosește AM2+ și AM3.

Cache

Cache- cantitatea de memorie cu o viteză de acces foarte mare, necesară pentru a accelera accesul la datele aflate permanent în memorie cu o viteză de acces (RAM) mai mică. Atunci când alegeți un procesor, rețineți că creșterea dimensiunii cache-ului are un efect pozitiv asupra performanței majorității aplicațiilor. Cache-ul CPU are trei niveluri ( L1, L2 și L3), situat direct pe miezul procesorului. Acesta primește date din RAM pentru o viteză mai mare de procesare. De asemenea, merită luat în considerare faptul că pentru procesoarele multi-core este indicată cantitatea de memorie cache de prim nivel pentru un nucleu. Cache-ul L2 îndeplinește funcții similare, dar este mai lent și mai mare. Dacă intenționați să utilizați procesorul pentru sarcini care necesită mult resurse, atunci un model cu un cache mare de nivel al doilea va fi de preferat, având în vedere că pentru procesoarele multi-core este indicată dimensiunea totală a cache-ului L2. Cele mai puternice procesoare, precum AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon, sunt echipate cu cache L3. Cel de-al treilea nivel cache este cel mai puțin rapid, dar poate ajunge la 30 MB.

Consumul de energie

Consumul de energie al unui procesor este strâns legat de tehnologia sa de fabricație. Odată cu scăderea nanometrilor procesului tehnic, creșterea numărului de tranzistori și creșterea frecvenței de ceas a procesoarelor, consumul de energie al procesorului crește. De exemplu, procesoarele Intel Core i7 necesită până la 130 de wați sau mai mult. Tensiunea furnizată miezului caracterizează în mod clar consumul de energie al procesorului. Acest parametru este deosebit de important atunci când alegeți un procesor pe care să îl utilizați ca centru multimedia. Modelele de procesoare moderne folosesc diverse tehnologii care ajută la combaterea consumului excesiv de energie: senzori de temperatură încorporați, sisteme de control automat pentru tensiunea și frecvența nucleelor ​​de procesor, moduri de economisire a energiei atunci când sarcina procesorului este ușoară.

Caracteristici suplimentare

Procesoarele moderne au dobândit capacitatea de a funcționa în moduri cu 2 și 3 canale cu RAM, ceea ce îi afectează în mod semnificativ performanța și, de asemenea, acceptă un set mai mare de instrucțiuni, ridicându-și funcționalitatea la un nou nivel. GPU-urile procesează video pe cont propriu, descarcând astfel CPU-ul, datorită tehnologiei DXVA(din limba engleză DirectX Video Acceleration - accelerare video prin componenta DirectX). Intel folosește tehnologia de mai sus Turbo Boost pentru a schimba dinamic frecvența de ceas a procesorului central. Tehnologie Pas de viteză gestionează consumul de energie al procesorului în funcție de activitatea procesorului și Tehnologia de virtualizare Intel hardware-ul creează un mediu virtual pentru utilizarea mai multor sisteme de operare. De asemenea, procesoarele moderne pot fi împărțite în nuclee virtuale folosind tehnologie Hyper Threading. De exemplu, un procesor dual-core este capabil să împartă viteza de ceas a unui nucleu în două, rezultând o performanță ridicată de procesare folosind patru nuclee virtuale.

Când vă gândiți la configurația viitorului dumneavoastră computer, nu uitați de placa video și de aceasta GPU(din limba engleză Graphics Processing Unit - unitate de procesare grafică) - procesorul plăcii dvs. video, care este responsabil de randare (operații aritmetice cu obiecte geometrice, fizice etc.). Cu cât frecvența de bază și de memorie este mai mare, cu atât va fi mai puțină sarcina procesorului central. Jucătorii ar trebui să acorde o atenție deosebită GPU-ului.

Este foarte greu să surprinzi consumatorul modern de electronice. Suntem deja obișnuiți cu faptul că buzunarul nostru este pe drept ocupat de un smartphone, un laptop este în geantă, un ceas inteligent ne numără ascultător pașii pe mână, iar căștile cu sistem activ de reducere a zgomotului ne mângâie urechile.

Este un lucru amuzant, dar suntem obișnuiți să purtăm cu noi nu unul, ci două, trei sau mai multe computere deodată. La urma urmei, asta este exact ceea ce poți numi un dispozitiv care are CPU. Și nu contează deloc cum arată un anumit dispozitiv. Un cip miniatural, care a depășit o cale de dezvoltare turbulentă și rapidă, este responsabil pentru funcționarea acestuia.

De ce am adus în discuție subiectul procesoarelor? E simplu. În ultimii zece ani, a avut loc o adevărată revoluție în lumea dispozitivelor mobile.

Există doar o diferență de 10 ani între aceste dispozitive. Dar Nokia N95 ni se părea un dispozitiv spațial pe atunci, iar astăzi privim ARKit cu o oarecare neîncredere

Dar totul s-ar fi putut dovedi altfel, iar bătutul Pentium IV ar fi rămas visul suprem al cumpărătorului obișnuit.

Am încercat să evităm termenii tehnici complexi și să spunem cum funcționează procesorul și să aflăm ce arhitectură este viitorul.

1. Cum a început totul

Primele procesoare au fost complet diferite de ceea ce puteți vedea când deschideți capacul unității de sistem a computerului dvs.

În loc de microcircuite în anii 40 ai secolului XX, au folosit relee electromecanice, completat cu tuburi vidate. Lămpile acționau ca o diodă, a cărei stare putea fi reglată prin scăderea sau creșterea tensiunii din circuit. Astfel de structuri arătau astfel:

Pentru a opera un computer gigantic, erau necesare sute, uneori mii de procesoare. Dar, în același timp, nu ați putea rula nici măcar un editor simplu precum NotePad sau TextEdit din setul standard Windows și macOS pe un astfel de computer. Pur și simplu computerul nu ar avea suficientă putere.

2. Apariția tranzistoarelor

Primul tranzistoare cu efect de câmp a apărut în 1928. Dar lumea s-a schimbat abia după apariția așa-zisului tranzistoare bipolare, deschis în 1947.

La sfârșitul anilor 1940, fizicianul experimental Walter Brattain și teoreticianul John Bardeen au dezvoltat primul tranzistor punct-punct. În 1950, a fost înlocuit cu primul tranzistor plan, iar în 1954, cunoscutul producător Texas Instruments a anunțat un tranzistor de siliciu.

Dar adevărata revoluție a venit în 1959, când omul de știință Jean Henri a dezvoltat primul tranzistor planar (plat) de siliciu, care a devenit baza circuitelor integrate monolitice.

Da, este puțin complicat, așa că hai să săpăm puțin mai adânc și să înțelegem partea teoretică.

3. Cum funcționează un tranzistor

Deci, sarcina unei astfel de componente electrice ca tranzistor este de a controla curentul. Pur și simplu, acest mic întrerupător dificil controlează fluxul de electricitate.

Principalul avantaj al unui tranzistor față de un comutator convențional este că nu necesită prezență umană. Acestea. Un astfel de element este capabil să controleze curentul independent. În plus, funcționează mult mai rapid decât ați porni sau opri singur un circuit electric.

Probabil vă amintiți de la cursul de informatică din școală că un computer „înțelege” limbajul uman prin combinații de doar două stări: „pornit” și „oprit”. În înțelegerea mașinii, aceasta este starea „0” sau „1”.

Sarcina computerului este de a reprezenta curentul electric ca numere.

Și dacă anterior sarcina de comutare a stărilor era îndeplinită de relee electrice stângace, voluminoase și ineficiente, acum tranzistorul și-a asumat această muncă de rutină.

De la începutul anilor 60, tranzistoarele au început să fie fabricate din siliciu, ceea ce a făcut posibilă nu numai ca procesoarele să fie mai compacte, ci și creșterea semnificativă a fiabilității acestora.

Dar mai întâi, să ne ocupăm de diodă

Siliciu(alias Si - „siliciu” în tabelul periodic) aparține categoriei de semiconductori, ceea ce înseamnă că, pe de o parte, trece curentul mai bine decât un dielectric, pe de altă parte, o face mai rău decât metalul.

Fie că ne place sau nu, pentru a înțelege munca și istoria ulterioară a dezvoltării procesoarelor, va trebui să ne plonjăm în structura unui atom de siliciu. Nu vă fie teamă, o vom face pe scurt și foarte clar.

Sarcina tranzistorului este de a amplifica un semnal slab folosind o sursă de alimentare suplimentară.

Atomul de siliciu are patru electroni, datorită cărora formează legături (mai precis - legături covalente) cu aceiași trei atomi în apropiere, formând o rețea cristalină. În timp ce majoritatea electronilor sunt legați, o mică parte dintre ei se pot deplasa prin rețeaua cristalină. Din cauza acestei tranziții parțiale a electronilor, siliciul este clasificat ca semiconductor.

Dar o astfel de mișcare slabă a electronilor nu ar permite ca tranzistorul să fie folosit în practică, așa că oamenii de știință au decis să mărească performanța tranzistoarelor prin dopaj, sau mai simplu spus, adăugarea rețelei cristaline de siliciu cu atomi de elemente cu un aranjament caracteristic de electroni.

Așa că au început să folosească o impuritate de fosfor 5-valent, datorită căreia au obținut tranzistoare de tip n. Prezența unui electron suplimentar a făcut posibilă accelerarea mișcării lor, crescând fluxul de curent.

La dopajul tranzistorilor tip p Borul, care conține trei electroni, a devenit un astfel de catalizator. Datorită absenței unui electron, în rețeaua cristalină apar găuri (acționând ca o sarcină pozitivă), dar datorită faptului că electronii sunt capabili să umple aceste găuri, conductivitatea siliciului crește semnificativ.

Să presupunem că am luat o placă de siliciu și am dopat o parte cu un dopant de tip p și cealaltă parte cu un dopant de tip n. Deci am primit diodă– elementul de bază al tranzistorului.

Acum, electronii aflați în partea n vor tinde să se deplaseze în găurile situate în partea p. În acest caz, partea n va avea o ușoară sarcină negativă, iar partea p va avea o ușoară sarcină pozitivă. Câmpul electric, o barieră, formată ca urmare a acestei „gravitații” va împiedica mișcarea ulterioară a electronilor.

Dacă conectați o sursă de alimentare la diodă în așa fel încât „–” să atingă partea p a plăcii și „+” să atingă partea n, fluxul de curent va fi imposibil datorită faptului că găurile vor fi atrase. la contactul negativ al sursei de energie, iar electronii vor fi atrași de pozitiv, iar conexiunea dintre electronii laterali p și n se va pierde din cauza expansiunii stratului combinat.

Dar dacă conectați puterea cu o tensiune suficientă invers, de exemplu. „+” de la sursă la partea p și „-” - la partea n, electronii plasați pe partea n vor fi respinși de polul negativ și împinși în afară spre partea p, ocupând găuri în regiunea p.

Dar acum electronii sunt atrași de polul pozitiv al sursei de alimentare și continuă să se miște prin găurile p. Acest fenomen a fost numit polarizarea directă a diodei.

Dioda + dioda = tranzistor

Tranzistorul însuși poate fi considerat ca două diode conectate între ele. În acest caz, regiunea p (cea în care sunt situate găurile) devine comună între ele și se numește „bază”.

Un tranzistor N-P-N are două n-regiuni cu electroni suplimentari - ele sunt, de asemenea, „emițătorul” și „colectorul” și o regiune slabă cu găuri - regiunea p, numită „bază”.

Dacă conectați o sursă de alimentare (să o numim V1) la n-regiuni ale tranzistorului (indiferent de pol), o diodă va deveni polarizat invers și tranzistorul va fi închis.

Dar, de îndată ce conectăm o altă sursă de alimentare (să o numim V2), setând contactul „+” la regiunea p „centrală” (bază) și contactul „–” la regiunea n (emițător), unii electroni vor curge prin lanțul format din nou (V2), iar o parte va fi atrasă de regiunea n pozitivă. Ca rezultat, electronii vor curge în zona colectorului și curentul electric slab va fi amplificat.

Hai să expirăm!

4. Deci, cum funcționează un computer?

Si acum cel mai important.

În funcție de tensiunea aplicată, tranzistorul poate fi fie deschis, sau închis. Dacă tensiunea este insuficientă pentru a depăși bariera de potențial (aceeași la joncțiunea plăcilor p și n), tranzistorul va fi în stare închisă - în starea „oprit” sau, în limbajul sistemului binar, „ 0”.

Când este suficientă tensiune, tranzistorul se deschide și obținem valoarea „pornit” sau „1” în sistemul binar.

Această stare, 0 sau 1, este numită „bit” în industria calculatoarelor.

Acestea. obținem proprietatea principală a comutatorului care a deschis calea către computere pentru umanitate!

Primul computer digital electronic ENIAC, sau mai simplu spus, primul computer, folosea aproximativ 18 mii de lămpi triode. Calculatorul avea dimensiunea unui teren de tenis și cântărea 30 de tone.

Pentru a înțelege cum funcționează un procesor, trebuie să înțelegeți încă două puncte cheie.

Momentul 1. Deci, noi am decis ce este pic. Dar cu ajutorul lui putem obține doar două caracteristici ale ceva: fie „da”, fie „nu”. Pentru ca computerul să învețe să ne înțeleagă mai bine, au venit cu o combinație de 8 biți (0 sau 1), pe care i-au numit octet.

Folosind un octet, puteți codifica un număr de la zero la 255. Folosind aceste 255 de numere - combinații de zerouri și unu, puteți codifica orice.

Momentul 2. A avea cifre și litere fără nicio logică nu ne-ar da nimic. Acesta este motivul pentru care a apărut conceptul operatori logici.

Conectând doar doi tranzistori într-un anumit mod, puteți realiza mai multe acțiuni logice simultan: „și”, „sau”. Combinația dintre tensiunea pe fiecare tranzistor și tipul de conexiune vă permite să obțineți diferite combinații de zerouri și unu.

Prin eforturile programatorilor, valorile zerourilor și unuurilor, sistemul binar, au început să fie convertite în zecimale, astfel încât să putem înțelege ce anume „spune” computerul. Și pentru a introduce comenzi, ar trebui să reprezentăm acțiunile noastre obișnuite, cum ar fi introducerea literelor de la tastatură, ca un lanț binar de comenzi.

Mai simplu spus, imaginați-vă că există un tabel de căutare, să zicem, ASCII, în care fiecare literă corespunde unei combinații de 0 și 1. Ați apăsat un buton de pe tastatură, iar în acel moment pe procesor, datorită programului, tranzistori comutați astfel încât acesta să apară pe ecran litera scrisă pe cheie.

Aceasta este o explicație destul de primitivă a principiului de funcționare a procesorului și a computerului, dar înțelegerea acestui lucru ne permite să mergem mai departe.

5. Și a început cursa tranzistorilor

După ce inginerul radio britanic Jeffrey Dahmer a propus plasarea celor mai simple componente electronice într-un cristal semiconductor monolit în 1952, industria calculatoarelor a făcut un pas înainte.

Din circuitele integrate propuse de Dahmer, inginerii au trecut rapid la microcipuri, care se bazau pe tranzistori. La rândul lor, mai multe astfel de cipuri au fost deja formate CPU.

Desigur, dimensiunile unor astfel de procesoare nu seamănă prea mult cu cele moderne. În plus, până în 1964, toate procesoarele au avut o singură problemă. Au necesitat o abordare individuală - un limbaj de programare diferit pentru fiecare procesor.

• 1964 IBM System/360. Computer compatibil cu Universal Code. Setul de instrucțiuni pentru un model de procesor poate fi folosit pentru altul.
• anii 70. Apariția primelor microprocesoare. Procesor cu un singur cip de la Intel. Intel 4004 – 10 microni TC, 2.300 tranzistori, 740 KHz.
• 1973 Intel 4040 și Intel 8008. 3.000 de tranzistori, 740 kHz pentru Intel 4040 și 3.500 de tranzistori la 500 kHz pentru Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 microni TC și 6000 tranzistoare. Frecvența ceasului este de aproximativ 5.000 kHz. Acest procesor a fost folosit în computerul Altair-8800. Copia internă a Intel 8080 este procesorul KR580VM80A, dezvoltat de Institutul de Cercetare a Microdispozitivelor din Kiev. 8 biți.
• 1976 Intel 8080. TC de 3 microni și tranzistoare de 6500. Frecvența ceasului 6 MHz. 8 biți.
• 1976 Zilog Z80. TC de 3 microni și tranzistoare 8500. Frecvența ceasului de până la 8 MHz. 8 biți.
• 1978 Intel 8086. TC de 3 microni și 29.000 de tranzistori. Frecvența ceasului este de aproximativ 25 MHz. Sistemul de instrucțiuni x86, care este folosit și astăzi. 16 biți.
• 1980 Intel 80186. TC de 3 microni și 134.000 de tranzistori. Frecvența ceasului - până la 25 MHz. 16 biți.
• 1982 Intel 80286. TC de 1,5 microni și 134.000 de tranzistori. Frecvență - până la 12,5 MHz. 16 biți.
• 1982 Motorola 68000. 3 microni și 84.000 de tranzistori. Acest procesor a fost folosit în computerul Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. TP de 1,5 microni și 275.000 de tranzistori.Frecvență – până la 33 MHz în versiunea 386SX.

S-ar părea că lista ar putea fi continuată la nesfârșit, dar apoi inginerii Intel s-au confruntat cu o problemă serioasă.

6. Legea lui Moore sau modul în care producătorii de cipuri pot merge mai departe

Este sfârșitul anilor 80. La începutul anilor '60, unul dintre fondatorii Intel, Gordon Moore, a formulat așa-numita „Lege lui Moore”. Sună așa:

La fiecare 24 de luni, numărul de tranzistori plasați pe un cip de circuit integrat se dublează.

Este dificil să numim această lege lege. Ar fi mai corect să o numim observație empirică. Comparând ritmul dezvoltării tehnologiei, Moore a concluzionat că s-ar putea forma o tendință similară.

Dar deja în timpul dezvoltării celei de-a patra generații de procesoare Intel i486, inginerii s-au confruntat cu faptul că atinsese deja plafonul de performanță și nu mai puteau găzdui mai multe procesoare în aceeași zonă. La acea vreme, tehnologia nu permitea acest lucru.

Ca soluție, a fost găsită o opțiune folosind o serie de elemente suplimentare:

• memorie cache;
• transportor;
• coprocesor încorporat;
• multiplicator

O parte din sarcina de calcul a căzut pe umerii acestor patru noduri. Drept urmare, apariția memoriei cache, pe de o parte, a complicat designul procesorului, pe de altă parte, a devenit mult mai puternică.

Procesorul Intel i486 consta deja din 1,2 milioane de tranzistori, iar frecvența maximă de operare a ajuns la 50 MHz.

În 1995, AMD sa alăturat dezvoltării și a lansat cel mai rapid procesor compatibil i486 Am5x86 pe o arhitectură pe 32 de biți la acel moment. A fost deja fabricat folosind un proces tehnic de 350 de nanometri, iar numărul de procesoare instalate a ajuns la 1,6 milioane de unități. Frecvența ceasului a crescut la 133 MHz.

Dar producătorii de cipuri nu au îndrăznit să urmărească o creștere suplimentară a numărului de procesoare instalate pe un cip și dezvoltarea arhitecturii deja utopice CISC (Complex Instruction Set Computing). În schimb, inginerul american David Patterson a propus optimizarea funcționării procesoarelor, lăsând doar cele mai necesare instrucțiuni de calcul.

Așa că producătorii de procesoare au trecut la platforma RISC (Reduced Instruction Set Computing), dar acest lucru s-a dovedit a fi insuficient.

În 1991, a fost lansat procesorul R4000 pe 64 de biți care funcționează la 100 MHz. Trei ani mai târziu, apare procesorul R8000, iar după alți doi ani, R10000 cu o frecvență de ceas de până la 195 MHz. În același timp, s-a dezvoltat și piața procesoarelor SPARC, a cărei caracteristică arhitecturală a fost absența instrucțiunilor de multiplicare și împărțire.

În loc să se lupte pentru numărul de tranzistori, producătorii de cipuri au început să-și reconsidere arhitectura muncii lor. Refuzul comenzilor „inutile”, executarea instrucțiunilor într-un singur ciclu de ceas, prezența registrelor de valoare generală și pipelining au făcut posibilă creșterea rapidă a frecvenței de ceas și a puterii procesoarelor fără a distorsiona numărul de tranzistori.

Iată doar câteva dintre arhitecturile apărute între 1980 și 1995:

• SPARC;
• BRAŢ;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Acestea s-au bazat pe platforma RISC și, în unele cazuri, pe utilizarea parțială, combinată, a platformei CISC. Dar dezvoltarea tehnologiei i-a împins din nou pe producătorii de cipuri să continue extinderea procesoarelor.

În august 1999, AMD K7 Athlon, fabricat folosind o tehnologie de proces de 250 de nanometri și care include 22 de milioane de tranzistori, a intrat pe piață. Ulterior, ștacheta a fost ridicată la 38 de milioane de procesoare. Apoi până la 250 de milioane.

Procesorul tehnologic a crescut, frecvența ceasului a crescut. Dar, așa cum spune fizica, există o limită la orice.

7. Sfârșitul competițiilor de tranzistori este aproape

În 2007, Gordon Moore a făcut o declarație foarte puternică:

Legea lui Moore va înceta să se aplice în curând. Este imposibil să instalați un număr nelimitat de procesoare la infinit. Motivul pentru aceasta este natura atomică a materiei.

Se observă cu ochiul liber că cei doi producători de cipuri AMD și Intel au încetinit în mod clar ritmul de dezvoltare a procesoarelor în ultimii câțiva ani. Precizia procesului tehnologic a crescut la doar câțiva nanometri, dar este imposibil să găzduiești și mai multe procesoare.

Și în timp ce producătorii de semiconductori amenință să lanseze tranzistori multistrat, făcând o paralelă cu 3DN și memoria, arhitectura x86, care a lovit un perete în urmă cu 30 de ani, avea un concurent serios.

8. Ce așteaptă procesoarele „obișnuite”.

Legea lui Moore a fost invalidată din 2016. Acest lucru a fost anunțat oficial de cel mai mare producător de procesoare Intel. Producătorii de cipuri nu mai sunt capabili să dubleze puterea de calcul cu 100% la fiecare doi ani.

Și acum producătorii de procesoare au mai multe opțiuni nepromițătoare.

Prima opțiune este computerele cuantice. Au existat deja încercări de a construi un computer care să folosească particule pentru a reprezenta informația. Există mai multe dispozitive cuantice similare în lume, dar pot face față doar algoritmilor de complexitate redusă.

În plus, lansarea în serie a unor astfel de dispozitive în următoarele decenii este exclusă. Scump, ineficient și... lent!

Da, computerele cuantice consumă mult mai puțină energie decât omologii lor moderni, dar vor fi mai lente până când dezvoltatorii și producătorii de componente vor trece la noua tehnologie.

A doua opțiune sunt procesoarele cu straturi de tranzistori. Atât Intel, cât și AMD se gândesc serios la această tehnologie. În loc de un singur strat de tranzistori, intenționează să folosească mai mulți. Se pare că în următorii ani pot exista procesoare în care nu numai numărul de nuclee și viteza de ceas, ci și numărul de straturi de tranzistori va fi important.

Soluția are dreptul la viață și astfel monopoliștii vor putea să mulgă consumatorul încă două decenii, dar, în cele din urmă, tehnologia va atinge din nou plafonul.

Astăzi, înțelegând dezvoltarea rapidă a arhitecturii ARM, Intel a anunțat în liniște cipuri din familia Ice Lake. Procesoarele vor fi fabricate folosind o tehnologie de proces de 10 nanometri și vor deveni baza pentru smartphone-uri, tablete și dispozitive mobile. Dar asta se va întâmpla în 2019.

9. ARM este viitorul

Deci, arhitectura x86 a apărut în 1978 și aparține tipului de platformă CISC. Acestea. în sine, presupune prezența instrucțiunilor pentru toate ocaziile. Versatilitatea este punctul forte al x86.

Dar, în același timp, versatilitatea a jucat și o glumă crudă cu aceste procesoare. x86 are mai multe dezavantaje cheie:

• complexitatea comenzilor și complexitatea lor totală;
• consum mare de energie și generare de căldură.

Performanța ridicată a trebuit să spună la revedere eficienței energetice. Mai mult, două companii lucrează în prezent la arhitectura x86, care poate fi considerată cu ușurință monopoliste. Acestea sunt Intel și AMD. Numai ei pot produce procesoare x86, ceea ce înseamnă că doar ei controlează dezvoltarea tehnologiei.

În același timp, mai multe companii dezvoltă ARM (Arcon Risk Machine). În 1985, dezvoltatorii au ales platforma RISC ca bază pentru dezvoltarea ulterioară a arhitecturii.

Spre deosebire de CISC, RISC presupune dezvoltarea unui procesor cu numărul minim necesar de instrucțiuni, dar optimizare maximă. Procesoarele RISC sunt mult mai mici decât CISC, mai eficiente energetic și mai simple.

Mai mult, ARM a fost creat inițial doar ca un concurent pentru x86. Dezvoltatorii au stabilit sarcina de a construi o arhitectură mai eficientă decât x86.

Începând cu anii 40, inginerii au înțeles că una dintre sarcinile prioritare rămâne să lucreze la reducerea dimensiunii computerelor și, în primul rând, a procesoarelor în sine. Dar este puțin probabil ca acum aproape 80 de ani cineva să-și fi imaginat că un computer cu drepturi depline ar fi mai mic decât o cutie de chibrituri.

Arhitectura ARM a fost odată susținută de Apple, care a lansat producția de tablete Newton bazate pe familia de procesoare ARM6 ARM.

Vânzările de computere desktop sunt în scădere, în timp ce numărul de dispozitive mobile vândute anual se ridică deja la miliarde. Adesea, pe lângă performanță, atunci când alege un gadget electronic, utilizatorul este interesat de mai multe criterii:

• mobilitate;
• autonomie.

Arhitectura x86 este puternică în performanță, dar odată ce renunți la răcirea activă, procesorul puternic va părea jalnic în comparație cu arhitectura ARM.

10. De ce ARM este liderul incontestabil

Este puțin probabil să fii surprins de faptul că smartphone-ul tău, fie că este un simplu Android sau un flagship Apple din 2016, este de zeci de ori mai puternic decât computerele cu drepturi depline de la sfârșitul anilor 90.

Dar cu cât mai puternic este același iPhone?

Compararea a două arhitecturi diferite în sine este un lucru foarte dificil. Măsurătorile aici pot fi luate doar aproximativ, dar puteți înțelege avantajul enorm pe care îl oferă procesoarele pentru smartphone-uri construite pe arhitectura ARM.

Un asistent universal în această problemă este testul de performanță artificial Geekbench. Utilitarul este disponibil atât pe computere desktop, cât și pe platformele Android și iOS.

Laptopurile mid-range și entry-level rămân clar în urma performanței iPhone 7. În segmentul de sus, totul este puțin mai complicat, dar în 2017 Apple lansează iPhone X cu noul cip A11 Bionic.

Acolo, arhitectura ARM vă este deja familiară, dar scorurile Geekbench aproape s-au dublat. Laptopurile din „cel mai înalt eșalon” sunt tensionate.

Dar a trecut doar un an.

Dezvoltarea ARM progresează cu salturi și limite. În timp ce Intel și AMD demonstrează an de an o creștere a performanței cu 5-10%, în aceeași perioadă producătorii de smartphone-uri reușesc să crească puterea procesoarelor de două până la două ori și jumătate.

Utilizatorii sceptici care trec prin primele linii ale Geekbench ar dori doar să li se reamintească: în tehnologiile mobile, dimensiunea este ceea ce contează cel mai mult.

Așezați pe masă un computer all-in-one cu un procesor puternic cu 18 nuclee, care „fărâmă arhitectura ARM”, apoi plasați iPhone-ul lângă el. Simți diferența?

11. În loc de retragere

Este imposibil să acoperiți istoria de 80 de ani a dezvoltării computerelor într-un singur material. Dar după ce ați citit acest articol, veți putea înțelege cum funcționează elementul principal al oricărui computer – procesorul – și la ce să vă așteptați de la piață în următorii ani.

Desigur, Intel și AMD vor lucra pentru a crește și mai mult numărul de tranzistori pe un cip și pentru a promova ideea elementelor multistrat.

Dar tu, ca consumator, ai nevoie de acest tip de putere?

Este puțin probabil să fiți nemulțumit de performanța iPad Pro sau a modelului iPhone X. Nu cred că sunteți nemulțumit de performanța multicooker-ului în bucătărie sau de calitatea imaginii de pe televizorul dvs. 4K de 65 de inchi. Dar toate aceste dispozitive folosesc procesoare bazate pe arhitectura ARM.

Windows a anunțat deja oficial că se uită către ARM cu interes. Compania a inclus suport pentru această arhitectură în Windows 8.1 și acum lucrează activ la un tandem cu producătorul de cipuri ARM Qualcomm.

Google a aruncat o privire și la ARM – sistemul de operare Chrome OS acceptă această arhitectură. Au apărut mai multe distribuții Linux care sunt și ele compatibile cu această arhitectură. Și acesta este doar începutul.

Și încercați doar pentru un moment să vă imaginați cât de plăcut ar fi să combinați un procesor ARM eficient din punct de vedere energetic cu o baterie cu grafen. Tocmai această arhitectură va face posibilă obținerea de gadgeturi mobile ergonomice care vor putea dicta viitorul.