Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Классификация микропроцессора)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Основным и главным элементом любой современной техники является микропроцессор. Именно этот компонент выполняет большую часть при обработке информации и управляет работой компьютерной техники.

В настоящее время микропроцессоры используются во всех областях техники. Компьютерная техника используется во всех сферах деятельности человека: от управления технологическими процессами на производстве, до применения компьютера дома в бытовых условиях. Компьютеры и компьютерная техника не только помогает в обработке информации, в расчетах, в производстве машин и станков, но также участвует в сфере образования, медицины и т.п. Поэтому тема микропроцессоров ПК является актуальной в современном мире.

Производство новых моделей микропроцессоров связано с научными, конструкторскими и технологическими открытиями. Для разработки новых микропроцессоров в условиях современной конкуренции используются знания в областях физики, радиотехники, электроники, математики, а так же автоматизации и кибернетики. Производительность и уровень развития всей компьютерной индустрии, всей компьютерной техники зависит на прямую от уровня и мощности такого элемента, как микропроцессор.

Впервые микропроцессоры появились семидесятых годах XX века. Применялись они в калькуляторах. В первых микропроцессорах использовалась двоично-десятичная арифметика 4-х битных слов. Такие МП стали позже использовать и в другой технике: терминалах, принтерах, различной автоматике. Создание первых бытовых микрокомпьютеров стало возможным в середине 1970-х при появлении доступных 8-битных микропроцессоров с 16-битной адресацией.

Очень долго центральные процессоры представляли собой комплекс из отдельных микросхем малой и средней интеграции, которые содержали от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Размещение целого ЦПУ на одном чипе сверх большой интеграции позволило значительно снизить его стоимость и сделать со временем более доступными компьютеры. Если просмотреть историю вычислительной техники, то можно увидеть, что при непрерывном увеличении сложности микропроцессоров ряд форм компьютеров устарели. Всего лишь несколько микропроцессоров в настоящее время используются, как элемент в вычислительной технике: от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств, до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

Благодаря наблюдению в 1965 году Гордона Мура, которое теперь именуется законом Мура, известно, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. А согласно мнению Давида Хауса производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них. Все это подтверждает быстрые темпы развития и совершенствования микропроцессоров, как главных элементов вычислительной техники.

В конце 90-х годов главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из-за утечек тока и других факторов.

Основные этапы развития процессоров можно представить схемой на рисунке 1.

Рисунок 1. Этапы развития процессоров.

Актуальность рассматриваемой темы состоит в том, что микропроцессоры, которые являются основой всей компьютерной техники, постоянно усовершенствуются, улучшаются их характеристики и усложняются задачи, выполняемые ими.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение структуры и классификации микропроцессоров, а также обозначить основные характеристики микропроцессоров ПК и познакомиться с инновационными конструктивными решениями микропроцессоров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть понятие микропроцессора и основных понятий темы;

- определить схему классификации микропроцессоров;

- дать характеристику каждому классу микропроцессоров;

- рассмотреть структуру микропроцессоров;

- определить основные характеристики микропроцессоров ПК.

1. Классификация микропроцессора

Для того чтобы классифицировать микропроцессоры, необходимо дать определение понятию центральный процессор или микропроцессор. Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов. (1)

Если обратиться к ряду авторов литературы по данной теме, то можно увидеть, что некоторые относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Но есть варианты таких микропроцессоров, как Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, а также Pentium II, которые были реализованы на нескольких микросхемах.

Можно выделить ряд основных функций микропроцессоров:

Чтение и дешифрацию команд из памяти.
Чтение данных из памяти и регистров адаптеров внешних устройств.

Обработка и запись данных в память и регистры адаптеров внешних устройств.

Приемка запросов и команд от адаптеров, их обработка на обслуживание внешних устройств.

Выработка сигналов управления для всех прочих узлов и блоков ПК.

Современные микропроцессоры можно классифицировать по числу больших интегральных схем (БИС) на две основные группы:

Однокристальные.
Многокристальные.

Однокристальные МП (ОМП) — функционально законченные процессоры с фиксируемыми разрядностью и набором инструкций. При этом инструкциями процессора являются инструкции ОМП.(2) Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации аппаратных средств процессора в виде одной большой интегральной схемы или сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Параметры ОМП улучшаются по мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса. При этом возможности ОМП ограничиваются аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.

Многокристальные (секционные) МП (CМП) — секции разрядности 2, 4, 8 или 16 бит с фиксированным набором инструкций для построения процессора с изменяемой разрядностью слова и различной архитектурой. CMП позволяют создавать специализированные процессоры с наборами инструкций, ориентированными на определённое применение (например: фурье - анализ, процедуры обработки данных). При этом каждая инструкция такого специализированного процессора состоит из последовательности инструкций (программы) СМП. В этом случае принято называть инструкции СМП микроинструкциями, а процесс разработки инструкций процессора - микропрограммированием. (2)

При разбиении логической структуры на функционально законченные части и при их реализации в виде БИС (СБИС) получается многокристальный микропроцессор. Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и при этом могут работать автономно.

На рисунке 2, показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров

Рисунок 2. Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС (б).

Микропроцессоры по назначению можно разбить на две группы: универсальные, специализированные.

Универсальные микропроцессоры применяются для решения разнообразных задач. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. Например, к этой группе относятся микропроцессоры ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Универсальные микропроцессоров имеют ряд характеристик:

разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
виды и форматы обрабатываемых данных;
система команд, режимы адресации операндов;
емкость прямо адресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в “спящий режим”, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Специализированные микропроцессоры предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. В группе специализированных МП можно выделить ряд подгрупп: функционально-ориентированные МП; векторные и матричные процессоры; микропроцессоры, поддерживающие тот или иной язык программирования.

Микропроцессоры по виду обрабатываемых входных сигналов разделяют на следующие группы:

1. Цифровые.

2. Аналоговые.

Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. (1)

Согласно архитектуре аналоговыми микропроцессорами являются функциональные преобразователи аналоговых сигналов. Такие микропроцессоры могут выполнять функции любой аналоговой схемы. Можно привести следующие примеры: производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д. Они заменяют сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способность к переработке большого объема числовых данных, то есть к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. (1)

Можно микропроцессоры разделить на синхронные и асинхронные по характеру временной организации работы.

В синхронных микропроцессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления. В данном случае время выполнения операций не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов.

Выполнять каждую следующую операцию по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции позволяют асинхронные микропроцессоры.

Если различать микроЭВМ по организации структуры микропроцессорных систем, то можно разделить их на одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность. (1)

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. (1)

Исходя из выше изложенного, можно сделать следующий вывод о том, что микропроцессор - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, служащее для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры можно классифицировать по следующим характеристикам:

числу больших интегральных схем;
назначению;
виду обрабатываемых входных сигналов;
характеру временной организации работы;
количеству выполняемых программ.

2. Структура микропроцессора

Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU) — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ. (3)

В компьютере может быть несколько процессоров. При этом собственными процессорами снабжены звуковая плата, видео плата и разнообразные внешние устройства, такие как принтер, факс и т.п. Иногда производительность таких микросхем может быть выше Центрального процессора. Отличие от него заключается в том, что они являются узкоспециализированными, то есть отвечают за обработку одного параметра: звука или видео. Центральный же процессор отличается своей универсальностью. Он, при наличии соответствующего программного обеспечения и нужной мощности, может взять на себя любую работу и выполнить любую функцию.

Процессор представляет собой кристалл, который выращивают по специальной технологии. Вместе с тем, он содержит и множество элементов, которые и наделяют компьютер способностью производить определенные операции, - это транзисторы, которые соединены контактами. Однако, один транзистор никаких вычислений произвести не может, т. к. он способен лишь пропустить сигнал дальше или задержать его. Наличие сигнала означает логическую единицу (да), отсутствие сигнала дает логический ноль (нет).

Микропроцессор состоит из ряда важных устройств: управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. Это можно представить в виде схемы на рисунке 3.

Рис. 3. Структура типового микропроцессора.

Рассмотрим более подробно совместно работающие устройства, которые и формируют микропроцессор:

Устройство управления – формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени определенные сигналы управления. Сигнал обусловлен спецификой выполнения операции и результатом предыдущей. Он формирует адреса ячеек памяти, используя выполнение операции передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над данными, т.е. над числовой и символьной информацией. (4) АЛУ по функциональности состоит из следующих элементов: 2-а регистра, сумматор, схемы управления (местное устройство управления).

Сумматор – это вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов. Имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины, 1ый имеет разряд двойного слова, а 2ой разряд одного слова. Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций.

Микропроцессорная память - служит для кратковременного хранения записи и выдачи информации, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты работы микропроцессора. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. (4) Нужно отметить, что данные, которые попадают в некоторые регистры, рассматриваются как команды управления обработкой данных в других регистрах. (3)
Кэш-память. Накопителем для данных является буферная память. Согласно «Новейшей энциклопедии персонального компьютера» Леонтьева В.П., в современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб.
Шины управления. Шинами называют группы проводников, с которыми связан процессор. Выделяются следующие основные группы шин: адресная шина, шина данных, командная шина.

Для передачи адреса используется адресная шина или ее часть. Адресная шина применяется ЦП при выборе требуемой ячейки памяти, устройства ввода-вывода через установку на шине конкретного адреса, который соответствует какой-либо ячейке памяти или одному из элементов ввода-вывода, которые в ходят в систему.

Шина данных представляет собой информационную магистраль, с помощью которой процессор обменивается данными с другими устройствами.

Шина команд нужна для передачи управляющих сигналов, которые предназначены памяти и устройствам ввода-вывода. Такие сигналы указывают направления передачи данных, т.е. в процессор или из него.

Все эти устройства находят место на кристалле, площадь которого не более 4-6 квадратных сантиметров. (5)

В состав процессора не входит генератор тактовых импульсов, но он входит в микропроцессорный комплект (чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.). Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов и частоту генерации импульсов, определяющую частоту ЭВМ. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

3. Основные характеристики микропроцессоров ПК

Есть две главные характеристики, по которым микропроцессоры отличаются друг от друга – это тактовая частота и разрядность.

Более подробно рассмотрим процессоры по их основным характеристикам.

Тактовая частота – это характеристика, которая указывает, сколько элементарных операции (т.е. тактов) микропроцессор производит в одну секунду. Единицей измерения тактовой частоты служит мегагерц (МГц). При этом одинаковые модели МП могут иметь разную тактовую частоту. Цена микропроцессора и производительность будет выше, чем выше тактовая частота. Одни и те же операции разные микропроцессоры выполняют за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Исходя из того, что каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов, можно выделить частоту генератора тактовых импульсов, как важную и определяющую характеристику ПК. Именно частота определяет скорость работы компьютера.

Разрядность процессора – это следующая основная характеристика, по которой различаются микропроцессоры. Разрядность - это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться процессором целиком. У первых моделей компьютеров разрядность процессоров была равна 8 битам. Позже появились 16-разрядные процессоры. Скачок в развитии разрядности процессоров ПК произошел в 2002 году, когда компания «AMD» выпустила на рынок процессоры с расширенной 64-битной «IA32 — AMD64» архитектурой, вместо стандартной 32-битной. В настоящее время все же чаще используют 32-разрядные процессоры. Процессоры с разрядностью 64 бита имеют высокопроизводительные машины.

Есть еще ряд характеристик, по которым отличаются микропроцессоры – это быстродействие микропроцессора и архитектура.

Рассмотрим эти характеристики микропроцессоров:

Быстродействие – это число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).

Архитектура микропроцессора – это система команд и способов адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В зависимости от особенностей архитектуры, определяющей свойства системы команд, выделяют следующие типы микропроцессоров:

- CISC (Complex Instruction Set Computer) – это компьютеpы со сложной системой команд. Они пеpвые включают большое количество команд. К типу CISC относятся все микpопpоцессоpы фиpмы INTEL.

- RISC (Reduced Instruction Set Computer) – это компьютеp с сокpащенной системой команд. Система команд сокpащена до такой степени, что каждая инстpукция выполняется за единственный такт. Это позволило упpостить стpуктуpу микpопpоцессоpа и увеличилось его быстpо действие. Пpимеpом микpопpоцессоpа с RISC-аpхитектуpой является Power PC. Микpопpоцессоp PowerPC, который начал pазpабатываться в 1981 году тpемя фиpмами: IBM, Motorola, Apple.

- MISC (Minimum Instruction Set Computer) – это компьютеp с минимальной системой команд. В микропроцессорах такого типа последовательность пpостых инстpукций объединяется в пакет, таким обpазом пpогpамма пpеобpазуется в небольшое количество длинных команд.

- VLIW (Very Long Instruction Word) – это тип микропроцессоры со сверхбольшим командным словом. Это архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Данный тип микропроцессоров характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно (6). Можно определить также, что это микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

4. Инновационные конструктивные решения

19 апреля 1965 года 36-летний глава научно-исследовательского отдела фирмы Fairchild Semiconductor опубликовал прогноз в отраслевом журнале Electronics. Ученый утверждал, что число компонентов — транзисторов — на одном компьютерном чипе будет удваиваться каждый год, а стоимость на чип будет оставаться постоянной.

«Интегральные схемы приведут к таким чудесам, как домашние компьютеры — или, по крайней мере, терминалы, подключенные к центральном компьютеру, — автоматическому контролю автомобилей, а также персональному портативному коммуникационному оборудованию», — писал этот ученый Гордон Мур.

В то время Мур думал, что его прогноз будет справедливым по меньшей мере десять лет — с 60 компонентов на одном кремниевом чипе до 65 000 к 1975 году. В том году он пересмотрел свой прогноз до удвоения каждые два года. Тогда же он стал сотрудничать с небольшой компанией Intel, которая однажды станет самой крупной полупроводниковой компанией в мире. (7)

Как бы ни рассматривался закон Мура с позиции мира полупроводниковой продукции, производители чипов всегда старались его придерживаться и искали способы уменьшения размеров транзисторов для создания более мощных продуктов без необходимости в увеличении их площади и уровня энергопотребления. Однако предел есть всему.

Ассоциация полупроводниковых устройств (Semiconductor Industry Association, в которую входят различные компании, включая IBM и Intel) опубликовала перспективный план развития технологии, согласно которому уменьшение размеров транзисторов прекратится после 2021 года. Дело в том, что дальнейшее уменьшение размера будет очень непрактичным с финансовой точки зрения: компании просто не смогут окупить производство таких транзисторов. (8)

Выходом из этой ситуации может послужить переход на производство трехмерных чипов и другие технологии, которые позволят эффективно использовать имеющуюся площадь чипов. (8)

Развитие вычислительной техники идет непрерывно. Постоянно конструкторы ищут новые пути совершенствования своих изделий. Наиболее ценным ресурсом процессоров является их производительность. По этой причине изобретаются разнообразные приемы повышения производительности процессоров.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) — перспективный материал, который планируется использовать в широком спектре отраслей — от производства велосипедов до микроэлектроники. (9)

Нанотрубки из карбона — удивительный материал, способный значительно увеличить вычислительную мощность техники и позволяющий создать аккумуляторы большей мощности, чем нынешние, при этом сохранив существующие размеры. Но на пути внедрения данной технологии все еще стоит ряд трудностей.

Карбоновые нанотрубки представляют из себя цилиндры из углеродного волокна диаметром от 1 до 2 нанометров. Впервые они были изготовлены еще в 1991 году. Структурной единицей стенки нанотрубки является атом углерода. Атомы соединены друг с другом под углом таким образом, что образуют как бы спираль. Это придает стенке большую прочность и увеличивает сверхроводниковые свойства волокна. (10) Согласно теоретическим расчетам, предел прочности на разрыв для каждой нанотрубки составляет 100 ГПа. (9)

Потенциал применения карбоновых нанотрубок действительно огромен. К примеру, если заменить на любой из существующих моделей процессора кремниевые транзисторы на карбоновые аналоги, можно добиться тысячекратного прироста производительности. Более того, такие процессоры потребляют в несколько раз меньше энергии. Естественно, технологичные элементы на основе нанотрубок могут использоваться и в других элементах электронных устройств. В одном только современном смартфоне их больше десятка. (10)

Самый маленький полупроводниковый транзистор

Мы уже затрагивали тему сложностей, встающих на пути производителей процессоров, стремящихся время от времени уменьшать размеры транзисторов для производства более современных и более мощных чипов. Когда с проблемой не могут справиться инженеры, в дело вступают ученые.

Исследовательская команда под руководством Али Джавей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США создала транзистор с функционирующим затвором (гейтом) размером 1 нанометр. По словам ученых, это самый маленький работающий транзистор из когда-либо созданных. Для сравнения: толщина обычного человеческого волоса составляет около 50 000 нанометров.

Важность производства более компактных транзисторов заключается в том, что чем меньше транзистор, тем больше их может поместиться на одном компьютерном чипе. Желание делать транзисторы меньше продиктованы так называемым законом Мура – теории, согласно которой каждые 24 месяца число транзисторов на интегральной схеме должно удваиваться.

«До этого момента теоретическим лимитом размера затвора (гейта), сохраняющим его функциональные свойства, считался размер 5 нанометров. Объясняется это тем, что при меньшем размере туннелирование электронов будет происходить напрямую от истока сразу к стоку. То есть затвор просто не будет успевать выполнять свою основную задачу», — говорит Джавей.

К слову, о материалах. Размер в 1 нанометр не позволяет использовать те материалы и методы, которые обычно применяются для производства этих компонентов. Поэтому ученые использовали полые цилиндрические углеродные нанотрубки. (11)

Наноматериалы которые смогут лечь в основу

усовершенствованных микропроцессоров

Учеными из Департамента энергетики Национальной лаборатории Ок-Ридж изучаются возможности наноматериалов, которые смогут лечь в основу усовершенствованных микропроцессоров, превосходящих современные кремниевые чипы. Исследование «Электронных материалов повышенного типа» показывает, что всего один кристалл комплексного оксида на микро- и наноуровне способен выполнять функции многокомпонентной электрической платы.

Подобные возможности проявляются благодаря необычным свойствам некоторых комплексных оксидов, называемых разделением фаз. По этой причине различные участки маленького фрагмента материала отличаются значительно различающимися электронными и магнитными свойствами.

Это означает, что каждый отдельный характеризующийся наноразмером участок комплексного оксидного материала способен вести себя подобно самоорганизующимся элементам микросхемы, что может позволить поддерживать новые многофункциональные типы компьютерных архитектур.

Исследователь Зак Вард (Zac Ward) отмечает, что всего в одном кусочке такого материала сосуществуют различные электронные и магнитные свойства. Интересно, что в процессе проведения исследования учеными были найдены такие фазы, которые могут позволить кусочкам материала выполнять роль элементов микросхемы. Это делает потенциально возможным использование данных элементов для создания «перезаписывающихся» микросхем.

Поскольку фазы относятся и к магнитному, и к электрическому полям, материал может контролироваться различными способами, что открывает возможность создания новых типов компьютерных чипов.

Это совершенно новый подход, меняющий представление об электронике, позволяющий не просто включать и отключать электрическое поле для определения битов, отмечает Вард. О результатах исследования не приходится говорить в терминах чистой производительности. Они представляются путем создания совершенно отличающихся от представленных сегодня многофункциональных архитектур, применение к которым различной внешней стимуляции может осуществляться всего на одном материале.

Не исключено, что в настоящее время лимит возможностей кремниевых чипов в компьютерной индустрии исчерпан или близок к тому. Проведенный Национальной лабораторией Ок-Ридж эксперимент показывает, что материалы со способностью к разделению фаз могут стать началом нового подхода — «один чип подходит для всего». В отличие от чипа, способного играть всего одну роль, многофункциональный чип способен работать с несколькими средствами ввода и вывода, применение которых зависит от потребностей конкретной задачи.

Обычно на компьютерной плате для получения доступа к различным внешним стимулам необходимо соединить вместе несколько различных компонентов. Главным отличием того подхода, который стал результатом проведенного исследования, является то, что учеными были найдены определенные комплексные материалы, которые уже как бы обладают необходимыми в микросхеме компонентами. Это способно сократить размеры электроники и ее потребности в энергии.

Исследователями были показаны свойства материала, названного LPCMO, но Вард дополнительно отмечает, что другие материалы с разделением фаз обладают отличающимися свойствами.

Проведенное исследование потенциально открывает возможность повышения производительности разрабатываемого для разных задач аппаратного обеспечения. Материалы со столь удивительными свойствами могут использоваться для создания архитектур, которые, возможно, когда-нибудь в будущем лягут в основу суперкомпьютеров, настольных ПК и смартфонов. (12)

Фотонный процессор

Представители Колорадского университета заявили, что смогли создать первый процессор, передающий данные с помощью света, а не электричества.

Строение процессора не полностью фотонное, но его 850 оптических элементов ввода/вывода наделяют его головокружительной пропускной способностью в сравнении с чипами, полагающимися на одно электричество — мы говорим о 300 гигабайтах в секунду на квадратный миллиметр, что в 10-50 раз выше привычных нам значений.

Процессор обладает небольшим размером (всего 3 на 6 миллиметров) и двумя ядрами. Тем не менее потенциально новинка может навсегда перевернуть рынок вычислительной мощности без необходимости изобретать велосипед заново. К примеру, на его основе можно создать серверные машины, способные пропускать огромные объёмы данных. Также у новой технологии есть широкие возможности оптимизации, так что нам ещё только предстоит увидеть её настоящие возможности. (13)

Экологически безопасные процессоры из древесины

Человечество стало ещё на один шаг ближе к полностью биоразлагаемым гаджетам. Ведь учёным из Университета Висконсина удалось разработать микропроцессор, который практически полностью создан из древесины. Потенциально это изобретение может положительно сказаться на экологии, учитывая, сколько десятков тысяч тонн электроники оказывается выброшенной на помойки ежегодно. Кто знает, может быть, в будущем компьютеры будут и вовсе целиком состоять из биоразлагаемых материалов.

Исследователи опубликовали результаты свои достижения в издании Nature Communications. При создании чипа из древесины Университету Висконсина помогали сотрудники Лаборатории департамента сельскохозяйственной продукции США. Большая часть микропроцессоров состоит из «поддерживающего слоя», на котором и расположен сам чип. Этот самый неразлагаемый слой и был заменён на материал, который получил название целлюлозный нанофибрилл (CNF).

CNF представляет собой гибкий материал, основанный на древесных волокнах, который является полностью биоразлагаемым, что делает процессор куда менее опасным для экологии.

«Наш микропроцессор настолько экологичен, что вы можете просто оставить его на опушке леса, а грибы полностью переработают его в пригодные для использования удобрения», — рассказывает журналистам профессор Женкьянг Ма.

Одной из проблем древесины как материала является её физическое расширение под воздействием влаги. Этот момент команда исследователей сумела преодолеть благодаря особой эпоксидной глазури, которой покрывается подложка чипа. В результате у команды получился абсолютно «зелёный чип», который недорог в производстве и куда менее токсичен для окружающей среды, нежели аналоги, применяемые в современной электронике.

Может быть, однажды мы с вами увидим полностью деревянные гаджеты для тех, кто особенно бережёт экологию и чистоту природы. (14)

Создан первый перепрограммируемый квантовый компьютер

Учёным из Университета Мэриленда удалось создать первый в мире программируемый и перепрограммируемый квантовый компьютер. Учёные много лет шли к этой цели, ведь квантовые компьютеры могут решить множество проблем, с которыми не справляются компьютеры традиционные, информация внутри которых передаётся при помощи электрического напряжения. Теоретически квантовый компьютер способен одновременно производить столько вычислений, число которых даже сложно себе представить. Но начинать учёным всегда приходится с малого.

Квантовые компьютеры удавалось создать и ранее, но достижение исследователей из Мэриленда заключается в том, что теперь компьютер можно перепрограммировать, не внося при этом изменений в его физическую архитектуру. Результаты своих исследований учёные опубликовали в престижном журнале Nature. Руководил разработкой компьютера доктор Шантану Дебнат. Устройство представляет собой набор из пяти взаимосвязанных кубитов (квантовых бит информации) на базе ионов иттербия. Иттербий является одним из наиболее изученных элементов, подходящих для использования в такого рода проектах.

Каждый кубит совмещает в себе роли ячейки памяти и вычислительного модуля. Он может одновременно хранить в себе логический ноль и единицу, благодаря законам квантовой физики. Объединить кубиты между собой удалось при помощи лазеров и магнитных полей. Учёные расположили пять кубитов в форме пентаграммы, а затем начали управлять ими с помощью обычного компьютера, создавая между ними новые связи и разрушая старые.

Было написано специальное программное обеспечение, которое трансформирует любые математические алгоритмы в понятные квантовому компьютеру инструкции. В ходе экспериментов на созданном квантовом компьютере были запущены алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также алгоритм квантовых преобразований Фурье. Учёные особенно гордятся тем, что их компьютер отличается крайне высокой надёжностью по сравнению с предыдущими попытками создать подобную вычислительную машину. Кубиты выдают ошибку лишь в 2% случаев, что является большим достижением. (15)

Intel представила первый 10-ядерный процессор для ПК

В то время как «война мегагерц» завершилась, наступила новая эра, когда крупнейшие производители процессоров соревнуются, в чьём детище больше ядер. Компания Intel, например, в рамках выставки Computex анонсировала свой новый процессор Core i7-6950X Extreme Edition, который может похвастать аж десятью ядрами. Конечно, Intel ещё в 2011 году выпустила 10-ядерный серверный процессор Xeon, но для домашних компьютеров подобное решение представлено компанией впервые.

Новый процессор работает на частоте 3 ГГц с автоматическим разгоном под нагрузкой до 3,5 ГГц по технологии Turbo Boost 3.0, а его 25 мегабайт кеш-памяти действительно впечатляют. По заверениям официальных представителей Intel, в обработке 3D-графики новый процессор в два раза быстрее, нежели четырёхъядерный i7-6700K, а также на 35% быстрее, чем Core i7-5960X. Когда же речь заходит об обработке 4К-видео, новый чип демонстрирует прирост производительности до 65%.

Новая линейка будет также включать 8-ядерный процессор i7-6900K, 6-ядерные i7-6850K и i7-6800K. Новая линейка представлена на рисунке 4. Все процессоры новой линейки полностью разблокированы для оверклокеров, так что последние смогут дополнительно разогнать их под свои нужды. Новые i7 также поддерживают оперативную память DDR4-2400. Если цена на новые модели процессоров Intel вас смущает, можно подождать симметричного ответа компании AMD, самые мощные процессоры которой на сегодняшний день могут похвастать лишь восемью ядрами. (16)

Рисунок 4. Новая линейка Intel первый 10-ядерный процессор для ПК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В России, как и во всем мире стремительно растет число персональных компьютеров. Рынок персональных компьютеров – самый доходный и, конечно, перспективный среди остальных сегментов рынка вычислительной техники. В современном мире каждый должен уметь работать на компьютере, пользоваться техникой.

Основу любого компьютера составляют – процессор, память, устройство ввода-вывода. Но самым важным можно считать – процессор или микропроцессор. Он является эффективным и значимым средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.

Как было определено выше, сфер применения микропроцессоров множество и они постоянно расширяются и появляются новые. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными и микропроцессорными устройствами управления. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники и микропроцессорной техники.

История развития микропроцессоров насчитывает не более полувека. За это время произошли гигантские изменения, связанные с совершенствованием архитектуры микропроцессоров, расширением их функциональных возможностей, увеличением разрядности, повышением степени интеграции и быстродействия. Современные микропроцессоры уже имеют 64-разрядную архитектуру и по производительности приближаются к мощным суперЭВМ. Появились технологические возможности размещать на одном кристалле совместно с процессорным ядром памяти и таймерные секции, и переферийные узлы, и средства сопряжения с внешней средой.

В архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В настоящее время возможность размещать большое число транзисторов на кристалле делает возможным применять в одном микропроцессоре все известные ранее приемы для повышения производительности.

Постоянно развивающиеся современные информационные технологии способствуют постоянному возрастанию сложности таких систем, которые создаются в разнообразных областях науки и техники.

В связи с тем, что современные микропроцессоры приближаются к технологическим пределам своей производительности, в последние годы идет активный поиск новых направлений для развития техники вообще, и в частности микропроцессорной. Это должны быть новые направления, которые будут разительно отличаться от тех технологий, которые доминируют в современном мире.

Многие эксперты видят развитие микропроцессорной техники в развитии нанотехнологий и квантовых вычислительных систем. Во многом это еще теоретические исследования, но если будут реализованы многие сегодняшние теории, то в будущее мы шагнем с «микроскопическими» компьютерами, которые обойдут современные машины по многим параметрам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры URL: http://dfe.petrsu.ru/koi/posob/microcpu/vved.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Энциклопедия физики и техники. URL: http://femto.com.ua/articles/part_1/2281.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Симонович С. В. Информатика. Базовый курс. 3-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2011 - 640с.
Микропроцессоры. Структура микропроцессора и его основные характеристики. URL: http://shkola.lv/index.php?mode=cht&chtid=459 (Дата обращения: 17.10.2016).
Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2005 / В.П. Леонтьев – М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. - 800с.
Современные высокопроизводительные компьютеры В. Шнитман, информационно-аналитические материалы Центра Информационных Технологий, 1996 год. Глава 7, раздел «Архитектура машин с длинным командным словом».
Хель И. Прошло 50 лет, а закон Мура продолжает удваивать ставку //Hi-News.ru Новости высоких технологий. 21 Апреля 2015. URL: http://hi-news.ru/hardware/proshlo-50-let-a-zakon-mura-prodolzhaet-udvaivat-stavku.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Хижняк Н. Согласно экспертам, в течение 5 лет закон Мура ожидает кризис//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 26 Июля 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/soglasno-ekspertam-v-techenie-5-let-zakon-mura-ozhidaet-krizis.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Кудрин А. Углеродные нанотрубки не подойдут для создания космического лифта//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 16 Июня 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/uglerodnye-nanotrubki-ne-podojdut-dlya-sozdaniya-kosmicheskogo-lifta.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Кузнецов В. Как карбоновые нанотрубки смогут сделать батареи более ёмкими, а процессоры более быстрыми?//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 23 Августа 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/kak-karbonovye-nanotrubki-smogut-sdelat-batarei-bolee-yomkimi-a-processory-bolee-bystrymi.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Хижняк Н. Ученые создали самый маленький полупроводниковый транзистор//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 9 Октября 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/uchenye-sozdali-samyj-malenkij-poluprovodnikovyj-tranzistor.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Довбня О. Заменят ли кремний материалы, позволяющие использовать один чип для разных задач?//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 26 Сентября 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/zamenyat-li-kremnij-materialy-pozvolyayushhie-ispolzovat-odin-chip-dlya-raznyx-zadach.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Барабаш А. Учёные создали действующий фотонный процессор//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 25 Декабря 2015. URL: http://hi-news.ru/technology/uchyonye-sozdali-dejstvuyushhij-fotonnyj-processor.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Грэй С. Учёные создали экологически безопасный процессор из древесины//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 27 Мая 2015. URL: http://hi-news.ru/technology/uchyonye-sozdali-ekologicheski-bezopasnyj-processor-iz-drevesiny.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Грэй С. Создан первый перепрограммируемый квантовый компьютер//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 4 Августа 2016. URL: http://hi-news.ru/technology/sozdan-pervyj-pereprogrammiruemyj-kvantovyj-kompyuter.html (Дата обращения: 17.10.2016).
Грэй С. Intel представила первый 10-ядерный процессор для настольных компьютеров//Hi-News.ru Новости высоких технологий. 4 Августа 2016. URL: http://hi-news.ru/computers/intel-predstavila-pervyj-10-yadernyj-processor-dlya-nastolnyx-kompyuterov.html (Дата обращения: 17.10.2016).