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? Este 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 computerului.

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 modele 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. Aceste. 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(aka Si – „siliciu” în tabelul periodic) aparține categoriei semiconductorilor, 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 spre partea p și „-” - către partea n, electronii plasați pe partea n vor fi respinși de polul negativ și împinși în afară spre partea p, ocupând găuri în p-regiune.

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?

Și acum cel mai important.

În funcție de tensiunea aplicată, tranzistorul poate fi fie deschide, 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.

Aceste. 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. 3 microni TC 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 – 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 sa 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.

Deci, 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 ele 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 doar 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. Aceste. 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 modelul de vârf al 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 iPhone-ului emblematic 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.

Funcționarea impecabilă a unui computer personal și performanța acestuia depind în principal de procesorul cu care este echipat. Prin urmare, atunci când cumpărați un computer, este pur și simplu necesar să acordați atenție companiei care și-a făcut procesorul.

Principalii producători de procesoare PC astăzi sunt Intel și AMD. Ei, desigur, concurează între ei. Iată scurte caracteristici ale principalelor familii de procesoare ale acestor mărci, cunoașterea cărora poate fi utilă atunci când le alegeți. Aşa,

Procesoare Intel

Există patru familii principale de procesoare Intel:
Procesoare single-core și dual-core din familia Celeron. Primele sunt tradiționale și dovedite, dar atunci când alegeți, este mai bine să acordați preferință celor din urmă, deoarece sunt mai productive și prețul lor nu este cu mult mai mare decât cele cu un singur nucleu.

Pentium este o familie de procesoare single-core (dintre care este mai bine să alegeți modele din seria a șasea cu un cache de 2MB) și modificările lor dual-core.

Core2 este o linie întreagă de procesoare multi-core cu două, trei și quad-core modificări. Atunci când alegeți un astfel de procesor, trebuie să acordați atenție dimensiunii cache-ului și frecvenței magistralei. Și, desigur, pe capacitățile tale financiare.

Core i7 – procesoare quad-core pentru computere de înaltă performanță.

Procesoare AMD Corporation

Sempron este un analog al procesorului Celeron de buget.

Athlon este un analog al Pentium, folosit la calculatoarele de putere medie.

Phenom este o familie de procesoare puternice concepute pentru a crea computere pentru jocuri.

Phenom II este cel mai puternic procesor produs de AMD Corporation.

Aceștia sunt principalii producători de procesoare PC și cele mai utilizate produse ale acestora prezentate pe piața modernă de calculatoare.

CPU Aceasta este inima oricărui computer modern. Orice microprocesor este în esență un circuit integrat mare pe care sunt amplasate tranzistoarele. Prin trecerea curentului electric, tranzistoarele vă permit să creați calcule logice binare (pornit-oprit). Procesoarele moderne se bazează pe tehnologia 45 nm. 45 nm (nanometru) este dimensiunea unui tranzistor situat pe placa procesorului. Până de curând, tehnologia 90 nm era folosită în principal.

Napolitanele sunt fabricate din siliciu, care este al doilea cel mai mare depozit din scoarța terestră.

Siliciul se obtine prin tratament chimic, purificandu-l de impuritati. După aceasta, încep să-l topească, formând un cilindru de siliciu cu un diametru de 300 de milimetri. Acest cilindru este ulterior tăiat în plăci cu un fir de diamant. Grosimea fiecărei plăci este de aproximativ 1 mm. Pentru a vă asigura că placa are o suprafață ideală, după tăierea cu fir, aceasta este lustruită cu o mașină de șlefuit specială.

După aceasta, suprafața plachetei de siliciu este perfect netedă. Apropo, multe companii producătoare au anunțat deja posibilitatea de a lucra cu plăci de 450 mm. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât este mai mare numărul de tranzistori pentru a găzdui și performanța procesorului este mai mare.

CPU constă dintr-o plachetă de siliciu pe suprafața căreia se află până la nouă straturi de tranzistoare, separate prin straturi de oxid pentru izolare.

Dezvoltarea tehnologiei procesoarelor

Gordon Moore, unul dintre fondatorii Intel, unul dintre liderii producției de procesoare din lume, în 1965, pe baza observațiilor sale, a descoperit o lege conform căreia au apărut noi modele de procesoare și cipuri la intervale egale de timp. Numărul de tranzistori din procesoare crește de aproximativ 2 ori în 2 ani. De 40 de ani, legea lui Gordon Moore funcționează fără distorsiuni. Dezvoltarea tehnologiilor viitoare este chiar după colț - există deja prototipuri funcționale bazate pe tehnologii de producție de procesoare de 32 nm și 22 nm. Până la jumătatea anului 2004, puterea procesorului depindea în primul rând de frecvența procesorului, dar din 2005, frecvența procesorului practic a încetat să crească. A apărut o nouă tehnologie de procesor multi-core. Adică, mai multe nuclee de procesor sunt create cu o frecvență de ceas egală, iar în timpul funcționării se însumează puterea nucleelor. Aceasta crește puterea totală a procesorului.

Mai jos puteți urmări un videoclip despre producția de procesoare.

UNDE sunt fabricate procesoarele Intel?

CUM sunt fabricate microprocesoarele

Pe scurt, procesul de fabricare a unui procesor arată astfel: un singur cristal cilindric este crescut din siliciu topit folosind echipamente speciale. Lingoul rezultat este răcit și tăiat în „clătite”, a căror suprafață este nivelată cu grijă și lustruită până la o oglindă strălucitoare. Apoi, în „camerele curate” ale fabricilor de semiconductori, circuitele integrate sunt create pe plachete de siliciu folosind fotolitografia și gravura. După recurățarea napolitanelor, specialiștii de laborator efectuează teste selective ale procesoarelor la microscop - dacă totul este „OK”, atunci napolitanele finite sunt tăiate în procesoare individuale, care sunt ulterior închise în carcase.

Să ne uităm la întregul proces mai detaliat.

Inițial, SiO2 este luat sub formă de nisip, care este redus cu cocs în cuptoare cu arc (la o temperatură de aproximativ 1800°C):
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Un astfel de siliciu este numit „tehnic” și are o puritate de 98-99,9%. Procesoarele de producție necesită o materie primă mult mai pură numită „siliciu electronic”, care nu ar trebui să conțină mai mult de un atom străin pe miliard de atomi de siliciu. Pentru a purifica la acest nivel, siliciul este literalmente „născut din nou”. Prin clorurarea siliciului tehnic se obține tetraclorură de siliciu (SiCl4), care este ulterior transformată în triclorosilan (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Aceste reacții, folosind reciclarea subproduselor rezultate care conțin siliciu, reduc costurile și elimină problemele de mediu:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Hidrogenul rezultat poate fi folosit în multe locuri, dar cel mai important este că s-a obținut siliciu „electronic”, pur, foarte pur (99,9999999%). Puțin mai târziu, o sămânță („punctul de creștere”) este coborâtă în topirea unui astfel de siliciu, care este scos treptat din creuzet. Ca rezultat, se formează așa-numitul „boule” - un singur cristal la fel de înalt ca un adult. Greutatea este adecvată - în producție o astfel de bule cântărește aproximativ 100 kg.

Lingoul este șlefuit cu un „zero” :) și tăiat cu un ferăstrău cu diamant. Ieșirea sunt napolitane (denumite în cod „wafer”) de aproximativ 1 mm grosime și 300 mm în diametru (~12 inci; acestea sunt cele utilizate pentru procesul de 32 nm cu tehnologia HKMG, High-K/Metal Gate).

Acum, cel mai interesant lucru este că este necesar să se transfere structura viitorului procesor în plachete de siliciu lustruite, adică să se introducă impurități în anumite zone ale plachetei de siliciu, care în cele din urmă formează tranzistori. Cum să faci asta?

Problema este rezolvată folosind tehnologia fotolitografiei - un proces de gravare selectivă a stratului de suprafață folosind o fotomască de protecție. Tehnologia este construită pe principiul „light-template-photorezist” și procedează după cum urmează:
— Se aplică un strat de material pe substratul de siliciu din care urmează să se formeze un model. I se aplică un fotorezistent - un strat de material polimeric sensibil la lumină care își schimbă proprietățile fizice și chimice atunci când este iradiat cu lumină.
— Expunerea se realizează (iluminarea stratului foto pentru o perioadă de timp stabilită cu precizie) printr-o mască foto
— Îndepărtarea fotorezistului uzat.
Structura dorită este desenată pe o fotomască - de regulă, aceasta este o placă de sticlă optică pe care sunt aplicate fotografic zone opace. Fiecare astfel de șablon conține unul dintre straturile viitorului procesor, așa că trebuie să fie foarte precis și practic.

Placa este iradiată de un flux de ioni (atomi încărcați pozitiv sau negativ), care în locuri specificate pătrund sub suprafața plachetei și modifică proprietățile conductoare ale siliciului (zonele verzi sunt atomi străini încorporați).

În fotografie, lumina a trecut prin filmul negativ, a lovit suprafața hârtiei fotografice și și-a schimbat proprietățile chimice. În fotolitografie, principiul este similar: lumina trece printr-o mască foto pe un fotorezist, iar în acele locuri în care a trecut prin mască, secțiuni individuale ale fotorezist își schimbă proprietățile. Radiația luminoasă este transmisă prin măști, care este focalizată pe substrat. Pentru o focalizare precisă, este necesar un sistem special de lentile sau oglinzi, care nu numai că poate reduce imaginea decupată pe mască la dimensiunea cipului, dar și o poate proiecta cu precizie pe piesa de prelucrat. Napolitanele imprimate sunt de obicei de patru ori mai mici decât măștile în sine.

Toate fotorezistele uzate (care și-au schimbat solubilitatea sub influența iradierii) sunt îndepărtate cu o soluție chimică specială - împreună cu aceasta, se dizolvă și o parte din substratul de sub fotorezistul iluminat. Partea substratului care a fost protejată de lumină de mască nu se va dizolva. Formează un conductor sau un element activ viitor - rezultatul acestei abordări este modele diferite de circuite pe fiecare strat al microprocesorului.

De fapt, toți pașii anteriori au fost necesari pentru a crea structuri semiconductoare în locurile cerute prin introducerea unei impurități donor (tip n) sau acceptor (tip p). Să presupunem că trebuie să creăm o regiune cu concentrație de purtător de tip p în siliciu, adică o zonă de conducție a găurii. Pentru a face acest lucru, napolitana este procesată folosind un dispozitiv numit implantator - ionii de bor cu energie enormă sunt trageți de la un accelerator de înaltă tensiune și sunt distribuiți uniform în zonele neprotejate formate în timpul fotolitografiei.

Acolo unde dielectricul a fost îndepărtat, ionii pătrund în stratul de siliciu neprotejat - altfel devin „blocati” în dielectric. După următorul proces de gravare, resturile dielectricului sunt îndepărtate, iar zonele rămân pe placa în care există bor local. Este clar că procesoarele moderne pot avea mai multe astfel de straturi - în acest caz, un strat dielectric este din nou crescut pe imaginea rezultată și apoi totul urmează calea bine bătută - un alt strat de fotorezist, procesul de fotolitografie (folosind o mască nouă) , gravare, implantare...

Elementele logice care se formează în timpul procesului de fotolitografie trebuie să fie conectate între ele. Pentru a face acest lucru, plăcile sunt plasate într-o soluție de sulfat de cupru, în care, sub influența unui curent electric, atomii de metal „se așează” în „pasajele” rămase - ca urmare a acestui proces galvanic, se formează zone conductoare. , creând conexiuni între părțile individuale ale „logicii” procesorului. Învelișul conductor în exces este îndepărtat prin lustruire.

Ura - partea cea mai grea s-a terminat. Tot ce rămâne este o modalitate vicleană de a conecta „rămășițele” tranzistoarelor - principiul și succesiunea tuturor acestor conexiuni (autobuze) se numesc arhitectură procesor. Aceste conexiuni sunt diferite pentru fiecare procesor - deși circuitele par complet plate, în unele cazuri pot fi utilizate până la 30 de niveluri de astfel de „fire”.

Când procesarea napolitanelor este finalizată, napolitanele sunt transferate de la producție la atelierul de asamblare și testare. Acolo, cristalele sunt supuse primelor teste, iar cele care trec testul (și aceasta este marea majoritate) sunt tăiate de pe substrat cu un dispozitiv special.

În etapa următoare, procesorul este împachetat într-un substrat (în imagine - un procesor Intel Core i5, format dintr-un procesor și un cip grafic HD).

Substratul, cristalul și capacul de distribuție a căldurii sunt conectate împreună - acesta este produsul la care ne vom referi când spunem cuvântul „procesor”. Substratul verde creează o interfață electrică și mecanică (aurul este folosit pentru a conecta electric cipul de siliciu la carcasă), datorită căreia va fi posibilă instalarea procesorului în soclul plăcii de bază - de fapt, aceasta este doar o platformă pe care contactele de la cip mic sunt direcționate. Capacul de distribuție a căldurii este o interfață termică care răcește procesorul în timpul funcționării - cu acest capac va fi adiacent sistemul de răcire, fie că este un radiator mai rece sau un bloc de apă sănătos.

Acum imaginați-vă că o companie anunță, de exemplu, 20 de procesoare noi. Toate sunt diferite - numărul de nuclee, dimensiunile cache-ului, tehnologiile suportate... Fiecare model de procesor folosește un anumit număr de tranzistori (numărând în milioane și chiar miliarde), propriul principiu de conectare a elementelor... Și toate acestea trebuie să fie proiectat și creat/automatizat - șabloane, lentile, litografie, sute de parametri pentru fiecare proces, testare... Și toate acestea ar trebui să funcționeze non-stop, în mai multe fabrici deodată... Ca urmare, ar trebui să apară dispozitive care nu au loc pentru erori în funcționare... Și costul acestor capodopere tehnologice ar trebui să fie în limitele decenței...

Microprocesoarele moderne sunt printre cele mai complexe dispozitive fabricate de om. Producția unui cristal semiconductor necesită mult mai mult resurse decât, să zicem, construcția unei clădiri cu mai multe etaje sau organizarea unui eveniment expozițional major. Cu toate acestea, datorită producției în masă a procesoarelor în termeni monetari, nu observăm acest lucru și rareori se gândește cineva la enormitatea elementelor care ocupă un loc atât de proeminent în interiorul unității de sistem. Am decis să studiem detaliile producției procesoarelor și să vorbim despre ele în acest material. Din fericire, astăzi există suficiente informații despre acest subiect pe internet, iar o selecție specializată de prezentări și diapozitive de la Intel Corporation vă permite să finalizați sarcina cât mai clar posibil. Întreprinderile altor giganți ai industriei semiconductoarelor funcționează pe același principiu, așa că putem spune cu încredere că toate microcircuitele moderne trec printr-o cale de creație identică.

Primul lucru care merită menționat este materialul de construcție pentru procesoare. Siliciul este al doilea element cel mai comun de pe planetă, după oxigen. Este un semiconductor natural și este folosit ca material principal pentru producerea de cipuri ale diferitelor microcircuite. Majoritatea siliciului se găsește în nisipul obișnuit (în special cuarț) sub formă de dioxid de siliciu (SiO2).

Cu toate acestea, siliciul nu este singurul material. Cea mai apropiată rudă și înlocuitor al acestuia este germaniul, dar în procesul de îmbunătățire a producției, oamenii de știință identifică proprietăți bune de semiconductor în compușii altor elemente și se pregătesc să le testeze în practică sau o fac deja.

1 Siliciul trece printr-un proces de purificare în mai multe etape: materiile prime pentru microcircuite nu pot conține mai multe impurități decât un atom străin pe miliard.

2 Siliciul este topit într-un recipient special și, după ce a coborât o tijă rotativă răcită constant în interior, substanța este „înfășurată” în jurul său datorită forțelor de tensiune superficială.

3 Rezultatul sunt semifabricate longitudinale (single cristale) cu secțiune transversală circulară, fiecare cântărind aproximativ 100 kg.

4 Piesa de prelucrat este tăiată în discuri individuale de siliciu - plachete, pe care vor fi amplasate sute de microprocesoare. În aceste scopuri se folosesc mașini cu discuri de tăiat diamantate sau instalații cu sârmă abrazivă.

5 Substraturile sunt lustruite până la un finisaj în oglindă pentru a elimina toate defectele de suprafață. Următorul pas este aplicarea celui mai subțire strat de fotopolimer.

6 Substratul tratat este expus la radiații ultraviolete dure. În stratul de fotopolimer are loc o reacție chimică: lumina, trecând prin numeroase șabloane, repetă tiparele straturilor CPU.

7 Dimensiunea reală a imaginii aplicate este de câteva ori mai mică decât șablonul în sine.

8 Zonele „gravate” de radiații sunt spălate. Se obține un model pe substratul de siliciu, care este apoi lipit.

9 Următoarea etapă în fabricarea unui strat este ionizarea, în timpul căreia zonele de siliciu fără polimeri sunt bombardate cu ioni.

10 În locurile în care se lovesc, proprietățile conductivității electrice se schimbă.

11 Polimerul rămas este îndepărtat și tranzistorul este aproape complet. În straturile izolatoare se fac găuri care, datorită unei reacții chimice, sunt umplute cu atomi de cupru folosiți ca contacte.

12 Conexiunea tranzistoarelor este o cablare pe mai multe niveluri. Dacă te uiți printr-un microscop, vei observa pe cristal mulți conductori metalici și atomi de siliciu plasați între ei sau înlocuitorii săi moderni.

13 O parte din substratul finit este supusă primului test de funcționare. În această etapă, se aplică curent fiecăruia dintre tranzistoarele selectate, iar sistemul automat verifică parametrii de funcționare ai semiconductorului.

14 Substratul este tăiat în părți separate folosind cele mai subțiri roți de tăiere.

15 Cristalele utilizabile obținute în urma acestei operațiuni sunt folosite în producția de procesoare, iar cele defecte sunt trimise la deșeuri.

16 Un cip separat din care va fi realizat procesorul este plasat între baza (substratul) CPU și capacul de distribuție a căldurii și „împachetat”.

17 În timpul testării finale, procesoarele finite sunt verificate pentru conformitatea cu parametrii necesari și numai apoi sunt sortate. Pe baza datelor primite, microcodul este flash în ele, permițând sistemului să identifice corect procesorul.

18 Dispozitivele finite sunt ambalate și trimise pe piață.

Fapte interesante despre procesoare și producția lor

„Silicon Valley” (Silicon Valley, SUA, California)

Și-a primit numele de la principalul element de construcție utilizat în producția de microcipuri.

„De ce sunt rotunde napolitanele de procesor?”- probabil vei întreba.

Pentru producerea cristalelor de siliciu se folosește o tehnologie care face posibilă obținerea doar a semifabricatelor cilindrice, care apoi sunt tăiate în bucăți. Până acum, nimeni nu a reușit să producă o placă pătrată fără defecte.

De ce sunt microcipurile pătrate?

Este acest tip de litografie care permite utilizarea zonei plachetei cu eficiență maximă.

De ce au nevoie procesoarele de atât de mulți pini/pini?

Pe lângă liniile de semnal, fiecare procesor necesită o putere stabilă pentru a funcționa. Cu un consum de energie de aproximativ 100-120 W și tensiune scăzută, un curent de până la 100 A poate circula prin contacte O parte semnificativă a contactelor CPU este dedicată special sistemului de alimentare și este duplicat.

Eliminarea deșeurilor de producție

Anterior, napolitanele defecte, rămășițele lor și microcipurile defecte au fost irosite. Astăzi, sunt în curs de dezvoltare pentru a le folosi ca bază pentru producția de celule solare.

"Costum de iepuraș"

Acesta este numele dat salopetei albe pe care toți lucrătorii din fabricile de producție trebuie să le poarte. Acest lucru se face pentru a menține curățenia maximă și pentru a proteja împotriva pătrunderii accidentale a particulelor de praf în unitățile de producție. „Costumul de iepuraș” a fost folosit pentru prima dată în fabricile de procesoare în 1973 și de atunci a devenit un standard acceptat.

99,9999%

Doar siliciul de cea mai înaltă puritate este potrivit pentru producția de procesoare. Piesele de prelucrat sunt curățate cu substanțe chimice speciale.

300 mm

Acesta este diametrul plachetelor moderne de siliciu pentru producția de procesoare.

de 1000 de ori

Acesta este cât de mult mai curat este aerul în incinta fabricilor de așchii decât în ​​sala de operație.

20 de straturi

Cipul procesorului este foarte subțire (mai puțin de un milimetru), dar conține mai mult de 20 de straturi de combinații structurale complexe de tranzistori care arată ca niște autostrăzi cu mai multe niveluri.

2500

Exact așa sunt așezate pe un wafer de 300 mm multe cipuri ale procesorului Intel Atom (au cea mai mică suprafață dintre procesoarele moderne).

10 000 000 000 000 000 000

O sută de chintilioane de tranzistoare, elementele de bază ale microcipurilor, sunt expediate din fabrici în fiecare an. Acesta este de aproximativ 100 de ori mai mult decât numărul estimat de furnici de pe planetă.

O

Costul producerii unui tranzistor într-un procesor astăzi este egal cu costul tipăririi unei scrisori într-un ziar.

În procesul de pregătire a acestui articol, au fost folosite materiale de pe site-ul oficial al Intel Corporation, www.intel.ua