Redakcia gg 50 rokov Moorovho zákona

Redakcia gg Spolu s celým pokrokovým svetom nás tento rok nebaví oslavovať 50. výročie Moorovho zákona, ktorý, pripomeňme, hovorí: „Počet prvkov v mikroobvodoch sa každé dva roky zdvojnásobí“ (mimochodom, mali sme niekoľko luxusných článkov na túto tému, ktoré nájdete na webe v téme “ 50 rokov Moorovho zákona "). Spoločnosti spojené s osobnosťou Gordona Moora sa jej oslavy neunúvajú. Napríklad Intel nedávno zhrnul výsledky mnohých rokov implementácie teórie zo zákona. Poviem vám, boli oznámené úžasné čísla. Nikdy neuhádnete, o koľko chladnejší je váš chromý smartfón v porovnaní so super vyspelým počítačom, vďaka ktorému bola možná prvá cesta človeka na Mesiac, ako často musia spoločnosti úplne prerobiť svoju výrobu, aby váš notebook vydržal dlhšie, a ako blízko sme sú do bodu, keď sa počítače stanú inteligentnejšími ako my. Však načo hádať, všetko sme už napísali!

1. V porovnaní s prvým procesorom Intel 4004 vydaným v roku 1971 má dnešný procesor 5,6 miliónov krát viac tranzistorov (1,3 bilióna) a 3 500 krát rýchlejší výkon. Energetická účinnosť sa zvýšila 90 000-krát. Rozmery moderných tranzistorov sa merajú v počte atómov a jeden tranzistor nie je možné vidieť voľným okom.

2. Aby bolo možné zaviesť výrobu procesorov pomocou nového technického procesu, Intel každé dva roky čelí potrebe postaviť nový závod. Jediná vec, ktorá zostáva v dopyte od starého, je budova s ​​pripojenou komunikáciou - všetko vybavenie je potrebné aktualizovať. To je nielen drahé samo o sebe, ale vyžaduje si to aj to, aby výnosy z predaja každej novej generácie zariadení s novou technológiou pokryli náklady na výstavbu ešte novšieho závodu.

3. Tento bod vyplýva z predchádzajúceho. S každou novou generáciou procesorov sa počet výrobcov procesorov znižuje, je to spôsobené výrazným nárastom nákladov na technológiu. Firmy sú navyše nútené zjednocovať sa vo vývoji v mene pokroku, aby nejako znížili náklady. Snímka nižšie ukazuje, koľko tovární zišlo s vývojom pokroku.

4. Taktovacia frekvencia procesorov, ktorými je vybavená typická moderná autonavigácia je 500 MHz. Pre porovnanie, kozmická loď Apollo v roku 1966 mala 2 MHz procesor. Nemôžem uveriť, že táto vec môže dosiahnuť Mesiac!

5. Moderný smartfón vo vrecku je výkonnejší ako počítač nainštalovaný v roveri Curiosity, ktorý bol uvedený na trh 6. apríla 2012. Aj keď v skutočnosti ich oddeľujú približne dve generácie technológie.

6. Pred 20 rokmi mal superpočítač Cray-2 rovnaký výkon ako moderný smartfón za 300 dolárov. A stálo to 17 miliónov dolárov.

Najväčším rozdielom medzi procesormi Sandy Bridge a Ivy Bridge je procesná technológia. Okrem toho sme dostali nielen prechod z 32 nm procesnej technológie na 22 nm, ale po prvýkrát sme dostali aj nový typ tranzistora s trojrozmerným hradlom. Táto technológia nám umožňuje znížiť zvodové prúdy a zvýšiť energetickú účinnosť procesora - výsledkom je ekonomický procesor nielen vďaka zníženiu technického procesu, ale aj vďaka efektívnejším tranzistorom.

Core i7-3770K obsahuje integrovanú grafiku HD Graphics 4000 a
Celkovo 1,4 miliardy tranzistorov. V prípade Sandy Bridge bol počet tranzistorov iba 995 miliónov.
Čo sa týka veľkosti matrice, Intelu sa podarilo zmenšiť plochu z 216 mm² na 160 mm².

Modely Ivy Bridge majú približne o 405 miliónov viac tranzistorov ako Sandy Bridge. Tentoraz ale Intel nezväčšil vyrovnávaciu pamäť ani počet jadier. A pamäťový radič zostal do značnej miery nezmenený, systémový agent bol tiež rovnaký. Kde sa minulo 405 miliónov tranzistorov? Z väčšej časti - na integrovanom grafickom jadre Intel. Intel navyše nielen zväčšil veľkosť vyrovnávacích pamätí, ale aj zdvojnásobil počet základných výpočtových jednotiek.

Zaujímavé je porovnanie veľkosti: nový čip Ivy Bridge zaberá na substráte asi o 25 percent menej miesta, no obsahuje podstatne viac tranzistorov.

Viac tranzistorov zvyčajne vždy produkuje viac tepla. Ale vďaka inteligentným technológiám na úsporu energie spotrebúvajú energiu iba tie oblasti procesora, ktoré sa aktívne využívajú. V nečinnom režime môže procesor deaktivovať jednotlivé jadrá, vyrovnávaciu pamäť alebo časti integrovaného grafického jadra. Pridajte technológie DDR3 a GT Power Gating. Vďaka menším štruktúram a Tri-Gate tranzistorom sa Intelu dokonca podarilo dosiahnuť výrazné úspory v spotrebe energie. Procesory Intel Ivy Bridge teraz navyše podporujú nízkonapäťovú pamäť DDR3 (DDR3L), ktorá môže pracovať pri napätí 1,35 V, čím ušetrí niekoľko wattov.

22nm tranzistory Intel s technológiou Tri-Gate

Intel o 22nm procesnej technológii hovoril už na niekoľkých predchádzajúcich podujatiach. Ale tentoraz sme získali čerstvé informácie o 22nm procesnej technológii: v zásade sú všetky moderné planárne tranzistory vytvorené podľa návrhu vyvinutého v roku 1974. Samozrejme, boli na ňom aplikované rôzne vylepšenia a optimalizácie, aby sa minimalizovali zvodové prúdy a riadila sa činnosť tranzistorov pri znížení technického procesu - ale do roku 2000 s tým na rozdiel od zvodových prúdov neboli žiadne špeciálne problémy. Naši čitatelia si možno spomenú na Northwood, Prescott a mnoho ďalších procesorov, ktoré museli riešiť problémy s teplom.

V roku 2003 začal Intel prechádzať na 90nm proces s technológiou Strained Silicon pre NMOS a PMOS tranzistory s oxidovými hradlami, čo zlepšilo ich charakteristiky a budiaci prúd. S prechodom na 45 nm procesnú technológiu Intel oznámil tranzistory s High-K kovovými hradlami, teda s novým dielektrikom (SiO2) a kovovými hradlami na báze hafnia. To opäť umožnilo zlepšiť výkon tranzistorov bez zavedenia nových problémov so zvodovými prúdmi.

V prípade ohlásenia 22-nm tranzistorov sa zmenila samotná štruktúra týchto polovodičových prvkov.

Príkladom je snímka 22nm procesu z minuloročného fóra Intel Developer Forum, ktorá zobrazuje hodnoty unikajúceho prúdu pri rôznych prúdoch pohonu pre rôzne scenáre. Ak potrebujete rýchly procesor, môžete sa zmieriť s vysokými zvodovými prúdmi. Na druhej strane môžete optimalizovať procesor pre nižšie zvodové prúdy. Výsledkom je, že v závislosti od prípadu použitia môžu byť do čipu implementované určité technológie (vysoký výkon, štandardný výkon, nízka spotreba energie).

Toto sú hlavné výhody 22nm Tri-Gate procesu:

• Existuje jasná výhoda z hľadiska zvodových prúdov. Pri nižšom napätí sa tranzistor spína rýchlejšie, takže jeho únik v stave vypnutia je oveľa nižší.
• Pri optimalizácii na vysokú spotrebu energie je možné dosiahnuť rovnaký únik vo vypnutom stave ako planárne tranzistory pri oveľa vyššej rýchlosti spínania.
• Celkovo tranzistory Tri-Gate poskytujú o 37 % vyššiu rýchlosť spínania pri 0,7 V – alebo naopak znižujú spotrebu Active Power o 50 %.
• Ak je potrebný vyšší výkon, dizajnér procesora môže vykonať niekoľko jednoduchých zmien, aby ho dosiahol.

Štruktúra tranzistorov je jasne viditeľná na obrázku vyššie: brána tranzistora lepšie „ohýba“ oblasť kanála, čím zabraňuje vážnym zvodovým prúdom.

Intel použil 22nm procesnú technológiu P1270 pre procesory Ivy Bridge. V roku 2013 sa však plánuje prechod na 14-nm procesnú technológiu P1272, ktorú vyvinul aj Intel. Spoločnosť bude vyrábať nové procesory v piatich továrňach, ktoré prejdú na 22nm procesnú technológiu alebo na nej už bežia. Okrem závodov v Oregone budú procesory vyrábať ďalšie dva závody v Arizone, ako aj závod v Izraeli.

Intel použije 22nm proces pre tradičné procesory (Core, Xeon, ...) aj SoC produkty (Atom a iné). To znamená, že Intel optimalizuje existujúce návrhy pre novú procesnú technológiu Tri-Gate. Intel vidí výhodu tohto zosúladenia dizajnérskych tímov, ktoré zapadá do iniciatívy Unified Design Approach, čo vedie k tomu, že súčasné dizajnérske tímy (SoC, CPU) rýchlejšie reagujú na výzvy nových oblastí trhu.

Všetky elektronické komponenty počítač postavený na základe tranzistory. Princíp fungovania tranzistora objavili traja vedci koncom 40. rokov pracujúci v Bell Labs. Týmito vedcami boli William Shockley, John Bardeen a Walter Brettain. V roku 1954 im bola udelená Nobelova cena. Význam a význam objavu tranzistora pre ďalší vývoj v počítačovom priemysle je ekvivalentný objavu kolesa a metód zakladania ohňa naraz.

Prvý počítač s názvom ENIAC (elektronický numerický integrátor a počítač) bol vyvinutý začiatkom 40-tych rokov.

Počítač ENIAC na báze vákuových elektrónok.

Tranzistory neboli v tom čase vynájdené, takže počítač bol vyrobený z tisícov objemných a nepohodlných vákuových trubíc a vyžadoval si niekoľko miestností na jeho umiestnenie. Hmotnosť dosiahla 27 ton. Vákuové trubice boli veľmi horúce, boli veľmi nespoľahlivé a vyžadovali veľa elektriny. Keď bol ENIAC zapnutý, svetlá neďalekého mesta zakaždým stmavli. ENIAC vykonával len niekoľko funkcií. Dnes tieto operácie vykonáva akákoľvek vrecková kalkulačka.

Od vynálezu prvého tranzistora sa v oblasti výpočtovej techniky urobil obrovský skok vpred. Tranzistory sa ľahšie vyrábajú, sú lacnejšie, ľahšie, spoľahlivejšie a spotrebujú oveľa menej energie.

Prvý tranzistor nahradil 40 elektrónok, pracoval pri vyššej rýchlosti, bol lacnejší a spoľahlivejší.

Ako môžeme dosiahnuť, aby nám tranzistor fungoval? Zjednodušene povedané, používame na to softvér, ktorý prikáže počítaču zapínať a vypínať tranzistory a v konečnom dôsledku vedie k vyriešeniu problému. Počas vykonávania akéhokoľvek programu sa generuje sekvencia elektrických impulzov (digitálnych signálov) vo forme dvoch napäťových úrovní. Táto sekvencia určuje činnosť tranzistorov.

Prirodzene, čím je softvér všestrannejší a čím viac tranzistorov sa používa, tým zložitejšiu a časovo náročnejšiu prácu môže počítač vykonávať.

V počítači funguje tranzistor ako spínač a pozostáva z troch hlavných prvkov: kolektor, žiarič a základňa. Predpokladajme, že kolektor tranzistora je pripojený na kladný pól 6-voltovej batérie a emitor na záporný pól. Elektróny cez tranzistor neprejdú (je uzavretý). Ale ak privedieme malé (otváracie) napätie na bázu, tak na tranzistorsa otvorí a v sekcii kolektor-emitor ním pretečie prúd.

V počítači sa používajú milióny tranzistorov. Napríklad procesor Intel core i7 obsahuje približne miliardu tranzistorov.

Tranzistory v procesore, základnej doske, rôznych rozširujúcich kartách a perifériách reagujú na digitálne signály prichádzajúce z iných zariadení.

Moderný počítač je teda súbor elektronických spínačov - tranzistorov.

Pravdepodobne každý používateľ, ktorý sa málo vyzná v počítačoch, sa pri výbere centrálneho procesora stretol s množstvom nepochopiteľných charakteristík: technický proces, vyrovnávacia pamäť, zásuvka; Obrátil som sa o radu na priateľov a známych, ktorí boli kompetentní vo veci počítačového hardvéru. Pozrime sa na rozmanitosť rôznych parametrov, pretože procesor je najdôležitejšou súčasťou vášho PC a pochopenie jeho vlastností vám dodá istotu pri kúpe a ďalšom používaní.

CPU

Procesor osobného počítača je čip, ktorý je zodpovedný za vykonávanie akýchkoľvek operácií s údajmi a riadi periférne zariadenia. Je obsiahnutý v špeciálnom silikónovom obale nazývanom matrica. Pre krátke označenie použite skratku - CPU(centrálna spracovateľská jednotka) príp CPU(z anglického Central Processing Unit – centrálne spracovateľské zariadenie). Na trhu moderných počítačových komponentov existujú dve konkurenčné spoločnosti, Intel a AMD, ktorí sa neustále zúčastňujú pretekov o výkon nových procesorov, neustále zlepšujúcich technologický proces.

Technický proces

Technický proces je veľkosť používaná pri výrobe procesorov. Určuje veľkosť tranzistora, ktorého jednotkou je nm (nanometer). Tranzistory zase tvoria vnútorné jadro CPU. Pointa je, že neustále zlepšovanie výrobných techník umožňuje zmenšiť veľkosť týchto komponentov. Vďaka tomu je ich na čipe procesora umiestnených oveľa viac. To pomáha zlepšovať výkon CPU, takže jeho parametre vždy označujú použitú technológiu. Napríklad Intel Core i5-760 je vyrobený pomocou 45 nm procesnej technológie a Intel Core i5-2500K je vyrobený pomocou 32 nm procesu. Na základe týchto informácií môžete posúdiť, aký moderný je procesor a aký je lepší je výkonovo k svojmu predchodcovi, no pri výbere musíte brať do úvahy aj množstvo ďalších parametrov.

Architektúra

Procesory sa vyznačujú aj takou charakteristikou, akou je architektúra - súbor vlastností, ktoré sú vlastné celej rodine procesorov, zvyčajne vyrábaných počas mnohých rokov. Inými slovami, architektúra je ich organizácia alebo vnútorný dizajn CPU.

Počet jadier

Jadro- najdôležitejší prvok centrálneho procesora. Je to časť procesora, ktorá dokáže vykonávať jedno vlákno inštrukcií. Jadrá sa líšia veľkosťou vyrovnávacej pamäte, frekvenciou zbernice, výrobnou technológiou atď. Výrobcovia im pri každom ďalšom technologickom procese priraďujú nové mená (napríklad jadro procesora AMD je Zambezi a Intel je Lynnfield). S rozvojom technológií výroby procesorov je možné umiestniť viac ako jedno jadro do jedného puzdra, čo výrazne zvyšuje výkon CPU a pomáha vykonávať niekoľko úloh súčasne, ako aj používať niekoľko jadier v programoch. Viacjadrové procesory bude schopný rýchlo zvládnuť archiváciu, dekódovanie videa, prevádzku moderných videohier atď. Napríklad rady procesorov Intel Core 2 Duo a Core 2 Quad, ktoré využívajú dvojjadrové a štvorjadrové CPU. V súčasnosti sú bežne dostupné procesory s 2, 3, 4 a 6 jadrami. Väčšie množstvo z nich sa používa v serverových riešeniach a bežný používateľ PC ich nevyžaduje.

Frekvencia

Výkon ovplyvňuje okrem počtu jadier aj frekvencia hodín. Hodnota tejto charakteristiky odráža výkon CPU v počte hodinových cyklov (operácií) za sekundu. Ďalšou dôležitou vlastnosťou je frekvencia zbernice(FSB - Front Side Bus) demonštrujúca rýchlosť výmeny dát medzi procesorom a periférnymi zariadeniami počítača. Frekvencia hodín je úmerná frekvencii zbernice.

Zásuvka

Aby bol budúci procesor pri inovácii kompatibilný s existujúcou základnou doskou, musíte poznať jeho päticu. Volá sa zásuvka konektor, v ktorom je CPU nainštalovaný na základnej doske počítača. Typ zásuvky je charakterizovaný počtom nožičiek a výrobcom procesora. Rôzne pätice zodpovedajú konkrétnym typom CPU, takže každá pätica umožňuje inštaláciu konkrétneho typu procesora. Intel používa päticu LGA1156, LGA1366 a LGA1155, zatiaľ čo AMD používa AM2+ a AM3.

Cache

Cache- množstvo pamäte s veľmi vysokou prístupovou rýchlosťou, potrebné na zrýchlenie prístupu k údajom, ktoré sú trvalo umiestnené v pamäti s nižšou prístupovou rýchlosťou (RAM). Pri výbere procesora nezabúdajte, že zvýšenie veľkosti vyrovnávacej pamäte má pozitívny vplyv na výkon väčšiny aplikácií. Cache CPU má tri úrovne ( L1, L2 a L3), ktorý sa nachádza priamo na jadre procesora. Prijíma dáta z RAM pre vyššiu rýchlosť spracovania. Za zváženie tiež stojí, že pre viacjadrové procesory je uvedené množstvo vyrovnávacej pamäte prvej úrovne pre jedno jadro. Vyrovnávacia pamäť L2 vykonáva podobné funkcie, je však pomalšia a má väčšiu veľkosť. Ak plánujete používať procesor na úlohy náročné na zdroje, potom bude vhodnejší model s veľkou vyrovnávacou pamäťou druhej úrovne, pretože pre viacjadrové procesory je uvedená celková veľkosť vyrovnávacej pamäte L2. Najvýkonnejšie procesory, ako AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon, sú vybavené vyrovnávacou pamäťou L3. Cache tretej úrovne je najmenej rýchla, ale môže dosiahnuť 30 MB.

Spotreba energie

Spotreba energie procesora úzko súvisí s jeho výrobnou technológiou. S ubúdajúcimi nanometrami technického procesu, zvyšovaním počtu tranzistorov a zvyšovaním taktovacej frekvencie procesorov sa zvyšuje spotreba CPU. Napríklad procesory Intel Core i7 vyžadujú až 130 wattov alebo viac. Napätie dodávané do jadra jasne charakterizuje spotrebu procesora. Tento parameter je obzvlášť dôležitý pri výbere CPU, ktoré sa má použiť ako multimediálne centrum. Moderné modely procesorov využívajú rôzne technológie, ktoré pomáhajú bojovať proti nadmernej spotrebe energie: vstavané teplotné senzory, automatické riadiace systémy pre napätie a frekvenciu jadier procesora, režimy šetrenia energie pri nízkej záťaži procesora.

Pridané vlastnosti

Moderné procesory získali schopnosť pracovať v 2- a 3-kanálovom režime s pamäťou RAM, čo výrazne ovplyvňuje jeho výkon, a tiež podporujú väčšiu sadu inštrukcií, čím sa ich funkčnosť zvyšuje na novú úroveň. GPU vďaka technológii spracovávajú video samy, a tým zaťažujú CPU DXVA(z anglického DirectX Video Acceleration - zrýchlenie videa komponentom DirectX). Intel používa vyššie uvedenú technológiu Turbo zrýchlenie dynamicky meniť taktovaciu frekvenciu centrálneho procesora. Technológia Rýchlostný krok riadi spotrebu CPU v závislosti od aktivity procesora a Virtualizačná technológia Intel hardvér vytvára virtuálne prostredie na používanie viacerých operačných systémov. Moderné procesory možno tiež rozdeliť na virtuálne jadrá pomocou technológie Hyper Threading. Napríklad dvojjadrový procesor je schopný rozdeliť takt jedného jadra na dve, výsledkom čoho je vysoký výpočtový výkon pri použití štyroch virtuálnych jadier.

Pri premýšľaní o konfigurácii vášho budúceho počítača nezabudnite na grafickú kartu a jej GPU(z anglického Graphics Processing Unit - grafická procesorová jednotka) - procesor vašej grafickej karty, ktorý je zodpovedný za vykresľovanie (aritmetické operácie s geometrickými, fyzickými objektmi atď.). Čím vyššia je frekvencia jeho jadra a frekvencia pamäte, tým menšie bude zaťaženie centrálneho procesora. Hráči by mali venovať osobitnú pozornosť GPU.

Moderného spotrebiteľa elektroniky je veľmi ťažké prekvapiť. Už sme si zvykli, že naše vrecko právom okupuje smartfón, v taške notebook, inteligentné hodinky poslušne počítajú kroky na ruke a uši nás hladia slúchadlá s aktívnym systémom redukcie hluku.

Je to smiešna vec, ale sme zvyknutí nosiť so sebou nie jeden, ale dva, tri alebo viac počítačov naraz. Koniec koncov, presne takto sa dá nazvať zariadenie, ktoré má CPU. A vôbec nezáleží na tom, ako konkrétne zariadenie vyzerá. Za jeho chod je zodpovedný miniatúrny čip, ktorý prekonal búrlivú a rýchlu cestu vývoja.

Prečo sme otvorili tému procesorov? Je to jednoduché. Za posledných desať rokov došlo vo svete mobilných zariadení k skutočnej revolúcii.

Medzi týmito zariadeniami je rozdiel len 10 rokov. No Nokia N95 nám vtedy pripadala ako vesmírne zariadenie a dnes sa na ARKit pozeráme s istou nedôverou

Všetko však mohlo dopadnúť inak a ošúchané Pentium IV by zostalo konečným snom bežného kupca.

Snažili sme sa vyhnúť zložitým technickým výrazom a povedať, ako procesor funguje a zistiť, ktorá architektúra je budúcnosť.

1. Ako to všetko začalo

Prvé procesory boli úplne odlišné od toho, čo môžete vidieť, keď otvoríte kryt systémovej jednotky vášho počítača.

Namiesto mikroobvodov v 40. rokoch XX storočia používali elektromechanické relé, doplnený o vákuové trubice. Lampy fungovali ako dióda, ktorej stav bolo možné regulovať znižovaním alebo zvyšovaním napätia v obvode. Takéto návrhy vyzerali takto:

Na prevádzku jedného gigantického počítača boli potrebné stovky, niekedy aj tisíce procesorov. Zároveň by ste však na takomto počítači nemohli spustiť ani jednoduchý editor ako NotePad alebo TextEdit zo štandardnej sady Windows a macOS. Počítač by jednoducho nemal dostatok energie.

2. Vznik tranzistorov

najprv tranzistory s efektom poľa sa objavil v roku 1928. Svet sa ale zmenil až po príchode tzv bipolárne tranzistory, otvorený v roku 1947.

Koncom štyridsiatych rokov vyvinuli experimentálny fyzik Walter Brattain a teoretik John Bardeen prvý bodový tranzistor. V roku 1950 ho nahradil prvý planárny tranzistor a v roku 1954 známy výrobca Texas Instruments ohlásil kremíkový tranzistor.

Ale skutočná revolúcia prišla v roku 1959, keď vedec Jean Henri vyvinul prvý kremíkový planárny (plochý) tranzistor, ktorý sa stal základom pre monolitické integrované obvody.

Áno, je to trochu komplikované, takže poďme trochu hlbšie a pochopme teoretickú časť.

3. Ako funguje tranzistor

Takže úlohou takého elektrického komponentu, ako je tranzistor je ovládať prúd. Jednoducho povedané, tento malý zložitý spínač ovláda tok elektriny.

Hlavnou výhodou tranzistora oproti bežnému spínaču je, že nevyžaduje prítomnosť človeka. Tie. Takýto prvok je schopný nezávisle riadiť prúd. Navyše to funguje oveľa rýchlejšie, ako keby ste sami zapínali alebo vypínali elektrický obvod.

Pravdepodobne si pamätáte zo svojho školského kurzu informatiky, že počítač „rozumie“ ľudskému jazyku prostredníctvom kombinácií iba dvoch stavov: „zapnutý“ a „vypnutý“. V chápaní stroja je to stav „0“ alebo „1“.

Úlohou počítača je reprezentovať elektrický prúd ako čísla.

A ak predtým úlohu spínania stavov vykonávali nemotorné, objemné a neúčinné elektrické relé, teraz túto rutinnú prácu prevzal tranzistor.

Od začiatku 60. rokov sa tranzistory začali vyrábať z kremíka, čo umožnilo nielen urobiť procesory kompaktnejšie, ale aj výrazne zvýšiť ich spoľahlivosť.

Najprv sa však poďme zaoberať diódou

kremík(aka Si - „kremík“ v periodickej tabuľke) patrí do kategórie polovodičov, čo znamená, že na jednej strane prechádza prúdom lepšie ako dielektrikum, na druhej strane horšie ako kov.

Či sa nám to páči alebo nie, na pochopenie práce a ďalšej histórie vývoja procesorov sa budeme musieť ponoriť do štruktúry jedného atómu kremíka. Nebojte sa, povieme to stručne a veľmi jasne.

Úlohou tranzistora je zosilniť slabý signál pomocou prídavného zdroja energie.

Atóm kremíka má štyri elektróny, vďaka ktorým vytvára väzby (aby som bol presný - kovalentné väzby) s rovnakými blízkymi tromi atómami, ktoré tvoria kryštálovú mriežku. Zatiaľ čo väčšina elektrónov je vo väzbe, malá časť z nich sa môže pohybovať cez kryštálovú mriežku. Práve kvôli tomuto čiastočnému prechodu elektrónov je kremík klasifikovaný ako polovodič.

Ale taký slabý pohyb elektrónov by neumožnil tranzistor použiť v praxi, preto sa vedci rozhodli zvýšiť výkon tranzistorov o doping, alebo zjednodušene povedané, adícia kryštálovej mriežky kremíka s atómami prvkov s charakteristickým usporiadaním elektrónov.

Začali teda používať 5-valentnú fosforovú nečistotu, vďaka ktorej získali tranzistorov typu n. Prítomnosť dodatočného elektrónu umožnila urýchliť ich pohyb a zvýšiť tok prúdu.

Pri dopovaní tranzistorov p-typu Takýmto katalyzátorom sa stal bór, ktorý obsahuje tri elektróny. V dôsledku absencie jedného elektrónu sa v kryštálovej mriežke objavujú diery (pôsobiace ako kladný náboj), no vďaka tomu, že elektróny sú schopné tieto diery vyplniť, výrazne sa zvyšuje vodivosť kremíka.

Povedzme, že sme zobrali kremíkovú doštičku a jednu časť sme dopovali dopantom typu p a druhú časť dopantom typu n. Tak sme dostali dióda– základný prvok tranzistora.

Teraz budú mať elektróny umiestnené v n-časti tendenciu presúvať sa do otvorov umiestnených v p-časti. V tomto prípade bude mať n-strana mierne záporný náboj a p-strana mierne kladný náboj. Elektrické pole, bariéra, vytvorená ako výsledok tejto „gravitácie“, zabráni ďalšiemu pohybu elektrónov.

Ak pripojíte zdroj energie k dióde tak, že „–“ sa dotýka p-strany platne a „+“ sa dotýka n-strany, prúdenie prúdu nebude možné kvôli skutočnosti, že budú priťahované otvory. k negatívnemu kontaktu zdroja energie a elektróny budú priťahované ku kladnému a spojenie medzi elektrónmi na strane p a n sa stratí v dôsledku expanzie kombinovanej vrstvy.

Ale ak pripojíte napájanie s dostatočným napätím naopak, t.j. "+" zo zdroja na stranu p a "-" - na stranu n, elektróny umiestnené na strane n budú odpudzované záporným pólom a vytlačené na stranu p, pričom obsadia otvory v p-región.

Ale teraz sú elektróny priťahované ku kladnému pólu napájacieho zdroja a pokračujú v pohybe cez p-diery. Tento jav bol tzv predpätie diódy.

Dióda + dióda = tranzistor

Samotný tranzistor si možno predstaviť ako dve navzájom spojené diódy. V tomto prípade sa p-oblasť (tá, kde sa nachádzajú otvory) medzi nimi stáva spoločnou a nazýva sa „základňa“.

Tranzistor N-P-N má dve n-oblasti s ďalšími elektrónmi - sú tiež „emitorom“ a „kolektorom“ a jednu slabú oblasť s dierami – oblasť p, nazývanú „základňa“.

Ak pripojíte napájací zdroj (nazvime ho V1) k n-oblastiam tranzistora (bez ohľadu na pól), jedna dióda bude spätne predpätá a tranzistor bude ZATVORENÉ.

Ale akonáhle pripojíme ďalší zdroj energie (nazvime ho V2), nastavíme kontakt „+“ na „centrálnu“ oblasť p (základňa) a kontakt „–“ na oblasť n (emitor), niektoré elektróny budú prúdiť cez znovu vytvorený reťazec (V2) a časť bude priťahovaná kladnou n-oblasťou. V dôsledku toho budú elektróny prúdiť do oblasti kolektora a slabý elektrický prúd sa zosilní.

Poďme si vydýchnuť!

4. Ako teda funguje počítač?

A teraz najdôležitejšie.

V závislosti od použitého napätia môže byť tranzistor buď OTVORENÉ, alebo ZATVORENÉ. Ak napätie nestačí na prekonanie potenciálnej bariéry (rovnaká na spoji dosiek p a n), tranzistor bude v uzavretom stave - v stave „vypnuté“ alebo v jazyku binárneho systému „ 0“.

Keď je dostatočné napätie, tranzistor sa otvorí a v dvojkovej sústave dostaneme hodnotu „on“ alebo „1“.

Tento stav, 0 alebo 1, sa v počítačovom priemysle nazýva „bit“.

Tie. dostaneme hlavnú vlastnosť samotného vypínača, ktorý ľudstvu otvoril cestu k počítačom!

Prvý elektronický digitálny počítač ENIAC, alebo jednoduchšie povedané prvý počítač, používal asi 18 tisíc triódových lámp. Počítač mal veľkosť tenisového kurtu a vážil 30 ton.

Aby ste pochopili, ako procesor funguje, musíte pochopiť ďalšie dva kľúčové body.

Moment 1. Takže sme sa rozhodli, čo to je trocha. Ale s jeho pomocou môžeme získať iba dve charakteristiky niečoho: buď „áno“ alebo „nie“. Aby sa nám počítač naučil lepšie rozumieť, vymysleli kombináciu 8 bitov (0 alebo 1), ktorú nazvali byte.

Pomocou bajtu môžete zakódovať číslo od nuly do 255. Pomocou týchto 255 čísel – kombinácií núl a jednotiek, môžete zakódovať čokoľvek.

Moment 2. Mať čísla a písmená bez akejkoľvek logiky by nám nič nedalo. Preto sa objavil koncept logické operátory.

Pripojením iba dvoch tranzistorov určitým spôsobom môžete dosiahnuť niekoľko logických akcií naraz: „a“, „alebo“. Kombinácia napätia na každom tranzistore a typu pripojenia vám umožňuje získať rôzne kombinácie núl a jednotiek.

Vďaka úsiliu programátorov sa hodnoty núl a jednotiek, binárneho systému, začali prevádzať na desatinné, aby sme pochopili, čo presne počítač „hovorí“. A na zadávanie príkazov by sme mali reprezentovať naše obvyklé akcie, ako je zadávanie písmen z klávesnice, ako binárny reťazec príkazov.

Zjednodušene si predstavte, že existuje vyhľadávacia tabuľka, povedzme ASCII, v ktorej každé písmeno zodpovedá kombinácii 0 a 1. Stlačili ste tlačidlo na klávesnici a v tom momente sa na procesore vďaka programu tranzistory prepnuté tak, že sa na obrazovke objaví písmeno napísané na kľúči.

Toto je dosť primitívne vysvetlenie princípu fungovania procesora a počítača, ale práve pochopenie nám umožňuje ísť ďalej.

5. A preteky tranzistorov sa začali

Po tom, čo britský rádiový inžinier Jeffrey Dahmer v roku 1952 navrhol umiestniť najjednoduchšie elektronické súčiastky do monolitického polovodičového kryštálu, počítačový priemysel urobil skoky vpred.

Z integrovaných obvodov navrhnutých Dahmerom sa inžinieri rýchlo presunuli na mikročipy, ktoré boli založené na tranzistoroch. Na druhej strane už bolo vytvorených niekoľko takýchto čipov CPU.

Samozrejme, rozmery takýchto procesorov nie sú veľmi podobné tým moderným. Navyše až do roku 1964 mali všetky procesory jeden problém. Vyžadovali si individuálny prístup – pre každý procesor iný programovací jazyk.

• 1964 IBM System/360. Počítač kompatibilný s Universal Code. Inštrukčnú sadu pre jeden model procesora možno použiť pre iný.
• 70-te roky. Vzhľad prvých mikroprocesorov. Jednočipový procesor od Intelu. Intel 4004 – 10 mikrónov TC, 2 300 tranzistorov, 740 kHz.
• 1973 Intel 4040 a Intel 8008. 3 000 tranzistorov, 740 kHz pre Intel 4040 a 3 500 tranzistorov pri 500 kHz pre Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 mikrónov TC a 6000 tranzistorov. Frekvencia hodín je približne 5 000 kHz. Práve tento procesor bol použitý v počítači Altair-8800. Domácou kópiou Intel 8080 je procesor KR580VM80A vyvinutý Kyjevským výskumným inštitútom mikrozariadení. 8 bit.
• 1976 Intel 8080. 3 mikrónové TC a 6500 tranzistory. Frekvencia hodín 6 MHz. 8 bit.
• 1976 Zilog Z80. 3 mikrónové TC a 8500 tranzistory. Frekvencia hodín až 8 MHz. 8 bit.
• 1978 Intel 8086. 3 mikróny TC a 29 000 tranzistorov. Frekvencia hodín je približne 25 MHz. Inštrukčný systém x86, ktorý sa používa dodnes. 16 bit.
• 1980 Intel 80186. 3 mikróny TC a 134 000 tranzistorov. Frekvencia hodín – až 25 MHz. 16 bit.
• 1982 Intel 80286. 1,5 mikrónu TC a 134 000 tranzistorov. Frekvencia - do 12,5 MHz. 16 bit.
• 1982 Motorola 68000. 3 mikróny a 84 000 tranzistorov. Tento procesor bol použitý v počítači Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 mikrónu TP a 275 000 tranzistorov.Frekvencia – až 33 MHz vo verzii 386SX.

Zdalo by sa, že zoznam by mohol pokračovať donekonečna, no potom sa inžinieri Intelu stretli s vážnym problémom.

6. Moorov zákon alebo ako sa môžu výrobcovia čipov posunúť ďalej

Je koniec 80. rokov. Začiatkom 60. rokov jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel, Gordon Moore, sformuloval takzvaný „Moorov zákon“. Znie to takto:

Každých 24 mesiacov sa počet tranzistorov umiestnených na čipe integrovaného obvodu zdvojnásobí.

Je ťažké nazvať tento zákon zákonom. Presnejšie by bolo nazvať to empirické pozorovanie. Porovnaním tempa vývoja technológií Moore dospel k záveru, že by sa mohol vytvoriť podobný trend.

No už pri vývoji štvrtej generácie procesorov Intel i486 sa inžinieri stretávali s tým, že už dosiahli výkonnostný strop a viac procesorov v rovnakej oblasti už nezmestili. Technika to vtedy neumožňovala.

Ako riešenie sa našla možnosť využívajúca množstvo ďalších prvkov:

• rýchla vyrovnávacia pamäť;
• dopravník;
• vstavaný koprocesor;
• multiplikátor

Časť výpočtovej záťaže padla na plecia týchto štyroch uzlov. V dôsledku toho vzhľad vyrovnávacej pamäte na jednej strane skomplikoval dizajn procesora, na druhej strane sa stal oveľa výkonnejším.

Procesor Intel i486 už pozostával z 1,2 milióna tranzistorov a jeho maximálna pracovná frekvencia dosahovala 50 MHz.

V roku 1995 sa AMD pripojilo k vývoju a vydalo v tom čase najrýchlejší procesor kompatibilný s i486 Am5x86 na 32-bitovej architektúre. Bol vyrobený už 350 nanometrovým technickým procesom a počet nainštalovaných procesorov dosiahol 1,6 milióna kusov. Frekvencia hodín sa zvýšila na 133 MHz.

Výrobcovia čipov sa však neodvážili pokračovať v ďalšom zvyšovaní počtu procesorov inštalovaných na čipe a vývoji už tak utopickej architektúry CISC (Complex Instruction Set Computing). Namiesto toho americký inžinier David Patterson navrhol optimalizáciu činnosti procesorov a ponechal len najnutnejšie výpočtové inštrukcie.

Výrobcovia procesorov teda prešli na platformu RISC (Reduced Instruction Set Computing), čo sa však ukázalo ako málo.

V roku 1991 bol vydaný 64-bitový procesor R4000 pracujúci na frekvencii 100 MHz. O tri roky neskôr sa objavuje procesor R8000 a po ďalších dvoch rokoch R10000 s taktovacou frekvenciou až 195 MHz. Zároveň sa rozvinul trh s procesormi SPARC, ktorých architektonickým znakom bola absencia inštrukcií násobenia a delenia.

Namiesto boja o počet tranzistorov začali výrobcovia čipov prehodnocovať architektúru svojej práce. Odmietnutie „zbytočných“ príkazov, vykonávanie pokynov v jednom hodinovom cykle, prítomnosť registrov všeobecnej hodnoty a pipelining umožnili rýchlo zvýšiť frekvenciu hodín a výkon procesorov bez skreslenia počtu tranzistorov.

Tu sú len niektoré z architektúr, ktoré sa objavili v rokoch 1980 až 1995:

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

Boli založené na platforme RISC av niektorých prípadoch na čiastočnom kombinovanom použití platformy CISC. Ale vývoj technológie opäť tlačil výrobcov čipov, aby pokračovali v rozširovaní procesorov.

V auguste 1999 vstúpil na trh AMD K7 Athlon, vyrobený pomocou 250 nanometrovej výrobnej technológie a vrátane 22 miliónov tranzistorov. Neskôr bola latka zvýšená na 38 miliónov procesorov. Potom až 250 miliónov.

Technologický procesor sa zvýšil, hodinová frekvencia sa zvýšila. Ale ako hovorí fyzika, všetko má svoje hranice.

7. Koniec súťaží tranzistorov sa blíži

V roku 2007 urobil Gordon Moore veľmi silné vyhlásenie:

Čoskoro prestane platiť Moorov zákon. Nie je možné inštalovať neobmedzený počet procesorov donekonečna. Dôvodom je atómová povaha hmoty.

Voľným okom je viditeľné, že dvaja poprední výrobcovia čipov AMD a Intel v posledných rokoch zreteľne spomalili tempo vývoja procesorov. Presnosť technologického procesu sa zvýšila len na niekoľko nanometrov, no umiestniť ešte viac procesorov je nemožné.

A zatiaľ čo výrobcovia polovodičov hrozia uvedením viacvrstvových tranzistorov na trh s paralelou s 3DN a pamäťou, architektúra x86, ktorá pred 30 rokmi narazila na stenu, mala vážneho konkurenta.

8. Čo čaká „bežných“ procesorov

Moorov zákon je od roku 2016 zrušený. Oficiálne to oznámil najväčší výrobca procesorov Intel. Výrobcovia čipov už nie sú schopní každé dva roky zdvojnásobiť výpočtový výkon o 100 %.

A teraz majú výrobcovia procesorov niekoľko neperspektívnych možností.

Prvou možnosťou sú kvantové počítače. Boli už pokusy postaviť počítač, ktorý využíva častice na reprezentáciu informácií. Na svete existuje niekoľko podobných kvantových zariadení, ale dokážu si poradiť iba s algoritmami nízkej zložitosti.

Navyše, sériové uvedenie takýchto zariadení na trh v najbližších desaťročiach neprichádza do úvahy. Drahé, neefektívne a... pomalé!

Áno, kvantové počítače spotrebujú oveľa menej energie ako ich moderné náprotivky, ale kým vývojári a výrobcovia komponentov neprejdú na novú technológiu, budú pomalšie.

Druhou možnosťou sú procesory s vrstvami tranzistorov. Intel aj AMD o tejto technológii vážne uvažujú. Namiesto jednej vrstvy tranzistorov plánujú použiť niekoľko. Zdá sa, že v najbližších rokoch môžu existovať procesory, v ktorých bude dôležitý nielen počet jadier a takt, ale aj počet tranzistorových vrstiev.

Riešenie má právo na život, takže monopolisti budú môcť dojiť spotrebiteľa ešte niekoľko desaťročí, ale nakoniec technológia opäť narazí na strop.

Dnes, keď Intel pochopil rýchly vývoj architektúry ARM, potichu oznámil čipy z rodiny Ice Lake. Procesory budú vyrábané 10-nanometrovou procesnou technológiou a stanú sa základom pre smartfóny, tablety a mobilné zariadenia. Stane sa tak ale v roku 2019.

9. ARM je budúcnosť

Architektúra x86 sa objavila v roku 1978 a patrí k typu platformy CISC. Tie. sám o sebe predpokladá prítomnosť pokynov pre všetky príležitosti. Všestrannosť je hlavnou silou x86.

Ale zároveň všestrannosť robila na týchto procesoroch krutý vtip. x86 má niekoľko kľúčových nevýhod:

• zložitosť príkazov a ich úplná zložitosť;
• vysoká spotreba energie a tvorba tepla.

Vysoký výkon sa musel rozlúčiť s energetickou účinnosťou. Okrem toho dve spoločnosti v súčasnosti pracujú na architektúre x86, ktorú možno ľahko považovať za monopolistov. Sú to Intel a AMD. Iba oni môžu vyrábať procesory x86, čo znamená, že iba oni riadia vývoj technológií.

Súčasne niekoľko spoločností vyvíja ARM (Arcon Risk Machine). Ešte v roku 1985 si vývojári vybrali platformu RISC ako základ pre ďalší vývoj architektúry.

Na rozdiel od CISC, RISC zahŕňa vývoj procesora s minimálnym požadovaným počtom inštrukcií, ale s maximálnou optimalizáciou. Procesory RISC sú oveľa menšie ako CISC, energeticky efektívnejšie a jednoduchšie.

Navyše, ARM bol pôvodne vytvorený výlučne ako konkurent x86. Vývojári si dali za úlohu vybudovať architektúru, ktorá je efektívnejšia ako x86.

Od 40-tych rokov inžinieri pochopili, že jednou z prioritných úloh zostáva práca na zmenšení veľkosti počítačov a predovšetkým samotných procesorov. Je však nepravdepodobné, že by si pred takmer 80 rokmi niekto dokázal predstaviť, že plnohodnotný počítač bude menší ako škatuľka od zápaliek.

Architektúru ARM kedysi podporovala spoločnosť Apple, ktorá spustila výrobu tabletov Newton založených na rodine ARM procesorov ARM6.

Predaj stolných počítačov prudko klesá, zatiaľ čo počet predaných mobilných zariadení ročne sa už pohybuje v miliardách. Okrem výkonu sa používateľ pri výbere elektronického gadgetu často zaujíma o niekoľko ďalších kritérií:

• mobilita;
• autonómia.

Architektúra x86 je výkonovo silná, no akonáhle sa vzdáte aktívneho chladenia, výkonný procesor bude v porovnaní s architektúrou ARM pôsobiť žalostne.

10. Prečo je ARM nesporným lídrom

Je nepravdepodobné, že vás prekvapí, že váš smartfón, či už je to jednoduchý Android alebo vlajková loď Apple 2016, je desaťkrát výkonnejší ako plnohodnotné počítače z konca 90-tych rokov.

Ale o koľko výkonnejší je ten istý iPhone?

Samotné porovnávanie dvoch rôznych architektúr je veľmi ťažká vec. Merania tu možno vykonať len približne, ale môžete pochopiť obrovskú výhodu, ktorú poskytujú procesory smartfónov postavené na architektúre ARM.

Univerzálnym pomocníkom v tejto veci je umelý test výkonnosti Geekbench. Nástroj je k dispozícii na stolných počítačoch aj na platformách Android a iOS.

Notebooky strednej a základnej triedy jednoznačne zaostávajú za výkonom iPhonu 7. V najvyššom segmente je všetko trochu komplikovanejšie, no v roku 2017 Apple vydáva iPhone X s novým čipom A11 Bionic.

Tam už je vám architektúra ARM známa, no skóre Geekbench sa takmer zdvojnásobilo. Notebooky z „najvyššej vrstvy“ sú napäté.

Ale prešiel len jeden rok.

Vývoj ARM napreduje míľovými krokmi. Kým Intel a AMD rok čo rok preukazujú 5-10% nárast výkonu, za rovnaké obdobie sa výrobcom smartfónov darí zvýšiť výkon procesorov dva až dva a pol krát.

Skeptickí používatelia, ktorí prechádzajú hornými líniami Geekbench, by len chceli pripomenúť: v mobilných technológiách je najdôležitejšia veľkosť.

Položte na stôl all-in-one PC s výkonným 18-jadrovým procesorom, ktorý „roztrhá architektúru ARM na kusy“, a potom vedľa neho položte iPhone. Cítiš ten rozdiel?

11. Namiesto odstúpenia

Obsiahnuť 80-ročnú históriu vývoja počítačov v jednom materiáli je nemožné. Ale po prečítaní tohto článku budete schopní pochopiť, ako funguje hlavný prvok každého počítača – procesor – a čo môžete očakávať od trhu v nasledujúcich rokoch.

Intel a AMD budú samozrejme pracovať na ďalšom zvyšovaní počtu tranzistorov na jednom čipe a podporovať myšlienku viacvrstvových prvkov.

Ale potrebujete ako spotrebiteľ takúto silu?

Je nepravdepodobné, že by ste boli nespokojní s výkonom iPadu Pro alebo vlajkovej lode iPhone X. Nemyslím si, že by ste boli nespokojní s výkonom vášho multivarkára vo vašej kuchyni alebo s kvalitou obrazu na vašom 65-palcovom 4K televízore. Všetky tieto zariadenia však využívajú procesory založené na architektúre ARM.

Windows už oficiálne oznámil, že sa so záujmom pozerá na ARM. Spoločnosť zahrnula podporu pre túto architektúru v systéme Windows 8.1 a teraz aktívne pracuje na tandeme s popredným výrobcom čipov ARM Qualcomm.

Google sa pozrel aj na ARM – operačný systém Chrome OS túto architektúru podporuje. Objavilo sa niekoľko distribúcií Linuxu, ktoré sú tiež kompatibilné s touto architektúrou. A toto je len začiatok.

A skúste si len na chvíľu predstaviť, aké príjemné by bolo spojiť energeticky efektívny ARM procesor s grafénovou batériou. Práve táto architektúra umožní získať mobilné ergonomické vychytávky, ktoré budú môcť diktovať budúcnosť.