Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования данной курсовой работы связана с тем что в современном мире широко используется вычислительная техника во всех сферах человеческой деятельности: в быту, производстве, медицине, науки и военной технике. В последнее время она получила дополнительный толчок в связи с высокой популярностью высокопроизводительной носимой электроники и развития современных технологий коммуникации между людьми ,таких как интернет и сотовая связь. Устройства становятся все меньше производительнее и вмещают в себя большое количество функций. Все это диктует определенные требования к главному элементу всех этих устройств — центральному процессору.

Предметом исследования курсовой работы является техническое устройство современных процессоров, их назначение, классификация, направления их дальнейшего развития а так же сложности производства которые возникнут в ближайшие десятилетия и пути их преодоления.

В рамках исследования обьекта курсовой работы — современного процессора ПК, мы должны решить следующие задачи:

Научится проводить исследовательскую работу, собирать информацию из разных источников и обобщать ее на страницах курсовой работы в виде логически полной законченной исследовательской работы.

Узнать историю и причину появления первых процессоров и ознакомится с теми идеями и принципами которые были заложены в их основу.
Получить исчерпывающую информацию об устройстве современных процессоров, принципов и алгоритмов их работы.
Провезти анализ ключевых производителей процессоров, а также провести классификацию по типам, назначению и применению современных процессоров.
В основной части курсовой работы мы ознакомимся с основными техническими решениями по увеличению производительности процессоров а также узнаем о технологиях их производства и сложностях которые с этим связанны.
В заключении мы сделаем некоторые выводы о ближайшем будущем индустрии и о том в каких направлениях возможно она будет развиваться.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССОРЫ

1.1 Назначение и история создания процессора

Процессор или Центральное Процессорное Устройство ( ЦПУ ) - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического устройства..
Историю появления процессора в том виде виде в котором мы его знаем сегодня можно разделить на несколько этапов. Это связанно с тем что развитие процессора было напрямую связанно с развитием технического прогресса в области производства электронных компонентов . На сегодняшний момент нельзя сказать что кто то конкретно является изобретателем процессора, ведь вид и устройство современных процессоров это заслуга большого количества людей, инженеров и ученых. Но можно выделить тот первый этап с которого и началось зарождение первого процессора и вычислительных систем на его основе.
В 1930-1940 г. математики Джон Фон Нейман и Алан Тьюринг работали над идеей создания автоматической вычислительной машины - прообраза современного компьютера. Те принципы и алгоритмы работы этой машины которые были ими предложены практически неизменны и по сегодняшний день.^[1]
Вычислительная машина которую они проектировали была необходима для проведения сложных математических расчетов в проекте в котором также был задействован Джон Фон Нейман. Этот проект назывался «Проект Манхэттен»^[2] и являлся сверх секретным проектом США по разработки первой атомной бомбы в период с 17 сентября 1943 года по 9 августа 1945 года , закончившийся сбросом атомной бомбы на город Нагасаки в Японии. Первые вычислительные машины которые строились в период 40-ых годов представляли собой огромные и сложные сооружения не редко занимающие несколько этажей здания в котором они располагались. В качестве логических единиц в этих машинах применялись электромагнитные реле. Недостатком таких машин были: Громоздкость, высокое энергопотребление, сложность обслуживания, и низкая скорость вычислений.
В 1946 году появилась вычислительная машина ENIAC где электромагнитные реле были заменены на электронные лампы (см. рис 1). Машина была в трое быстрее релейных собратьев, но также не была лишена старых недостатков, к тому же электронные лампы часто выходили из строя, что создавало дополнительные сложности при обслуживании.

Рисунок 1 Первый компьютер на электронных лампах ENIAC

Но все изменилось в 1947 г. когда был изобретен полупроводниковый электронный элемент — транзистор^[3], который быстро заменил в первых компьютерах электронные лампы и электромагнитные реле. Основными преимуществами полупроводниковых ЭВМ были: большая компактность по сравнению с ламповыми, низкое энергопотребление, высокая производительность и надежность. Несмотря на все преимущества транзисторные ЭВМ все же были достаточно громоздки и состояли из большого количества блоков каждый из которых состоял из большого количества электронных печатных плат с транзисторами. И на этом этапе пока нельзя выделить процессор как отдельное компактное устройство. Но прогресс не стоял на месте и инженерам удалось сделать транзисторы достаточно компактными чтобы в корпус одного электронного элемента поместить сотни и тысячи транзисторов. Такой электронный элемент назвали — интегральня микросхема.

И наконец в 1971 году небольшой но перспективной компании Intel которая занималась разработкой интегральных микросхем удалось интегрировать вычислительное ядро ЭВМ в всего одну интегральную микросхему. Это была микросхема Intel c4004^[4] ( рис. 2) , которая теперь считается первым процессором. Этот процессор был 4-разрядным и состоял из 2300 транзисторов , рабочая частота была 92,6 кГц а стоимость около 300 долларов. Процессор был спроектирован для применения в электронных калькуляторах по заказу Японской компании Busicom.

Рисунок 2. Процессор Intel 4004

Затем Intel 4004 сменил 8- разрядный процессор Intel – 8080 и 16 — разрядный Intel 8086 , которые заложили основу процессоров всех современных настольных компьютеров..^[5]

1.2. Функции и устройство современного процессора

Современный процессор это достаточно сложное техническое устройство состоящее из миллионов полупроводниковых элементов. Каждый процессор представляет собой набор функциональных блоков количество и назначение которых зависит от архитектуры и назначения отдельного процессора. Но неизменно каждый процессор в своем составе имеет набор основных функциональных блоков (рис. 3), таких как:

• Ядро - Непосредственно сердце процессора которое осуществляет выполнение программных инструкций. Современный процессор может иметь несколько таких блоков.
• КЭШ память -Буфер памяти необходимый для ускорения передачи данных из ОЗУ в ядро. В современных процессорах может быть несколько уровней КЭШ памяти.
• Контроллер ОЗУ — Устройство выполняющее забор данных из ОЗУ (оперативно запоминающего устройства) и передачу их в КЭШ память.
• Контроллер системной шины - Устройство управляющее перемещением данных по системной шине процессора.

Как уже было сказано выше, процессоры в зависимости от производителя архитектуры и назначения , имеют ряд отличий который можно охарактеризовать следующими параметрами:

• Тип микроархитектуры - Внутреннее устройство процессора. Его схема, включающая присутствие или отсутствие тех или иных блоков, их количество и принцип взаимодействия между собой.
• Тактовая частота — Частота с которой процессор способен выполнять инструкции. Непосредственно связана с быстродействием и эффективностью процессора.
• Набор выполняемых команд — Количество и тип программных инструкций который может выполнить ядро процессора.

Рисунок 3 Упрощенная схема процессора^[6]

• Количество уровней и объем КЭШ памяти
• Тип и скорость системной шины — Характеризует устройство и разрядность системной шины а также частоту пропускания данных.
• Разрядность — Размер обрабатываемых данных.
• Наличие контроллера памяти — Устройство обеспечивающее управление доступа к памяти ОЗУ с целью обеспечения ее безопасности.
• Тип поддерживаемой оперативной памяти
• Объем адресуемой памяти - Влияет на объем памяти которую можно подключить к процессору.
• Наличие графического ускорителя — Устройство представляющее собой отдельное вычислительное ядро цель которого снять обязанности по обработке графической информации ,выводимой на монитор или другое устройство, с основного ядра.
• Энергопотребление

1.2.1 Устройство Ядра процессора

Ядро - основной элемент любого процессора также состоящий из набора функциональных блоков которые непосредственно выполняет программные инструкции и прочие вычисления. Ядра процессоров отличаются между собой размером КЭШ памяти, частотой шины, микроархитектурой и.т.д. В ходе развития процессоров инженерам удалось размещать в одном корпусе процессора более одного ядра, что позволило значительно увеличить производительность и скорость вычислений и выполнять несколько задач одновременно.

Ядра процессоров могут отличатся друг от друга но обычно каждый из них имеет в своем составе следующие блоки ( см . Рис 4)^[7]

• Блок выборки инструкций
• Блок предсказания переходов
• Блок декодирования
• Блок выборки данных
• Блока управления
• Блока выполнения инструкций
• Блока сохранения результата
• Блок обработки прерываний
• ПЗУ содержащий микрокод
• Блок регистров
• Счетчик команд

Рисунок 4 Ядро процессора^[8]

Блок выборки инструкций - осуществляет забор инструкций из памяти по адресу указанному в счетчике команд, за один рабочий такт может считывать более одной инструкции что объясняется наличием нескольких блоков декодирования в современных ядрах процессоров.

Блок предсказания переходов- предсказывает будет ли выполнен условный переход в программных инструкциях. Предсказание ветвлений позволяет сократить время простоя конвейера за счёт предварительной загрузки и исполнения инструкций, которые должны выполниться после выполнения инструкции условного перехода. Это действие также ускоряет работу ядра.

Блок декодирования — достаточно сложный модуль, осуществляет преобразование отдельной программной инструкции в ряд сигналов для блока управления. Современные процессоры поддерживают инструкции разной длинны, что значительно усложняет их декодирование. По этой причине длинные инструкции подменяются в самом блоке декодирования на набор более коротких инструкций хранящихся в специально отведенной ПЗУ под эти цели. Также это решение упрощает отладку ядра на стадии разработки, поскольку вместо изменения микроархитектуры модуля, в случае обнаружения ошибки будет достаточно изменить микроинструкции в ПЗУ. Ядра современных процессоров содержат обычно несколько блоков декодирования работающих одновременно.^[9]

Блок выборки данных — в современном ядре процессора может быть более одного блока. Отвечает за выборку данных для отдельной программной инструкции из ОЗУ или КЭШ — памяти.

Блок управления — получает сигналы от блока декодирования и на их основании производит управление блоками выполнения инструкций.

Блок выполнения инструкций- может иметь несколько отдельных модулей в в своем составе в зависимости от производителя, но основными являются:

• ALU (Арифметическое логическое устройство) выполняет арифметические и логические операции над данными команд.
• FPU ( Устройство для выполнения операций с плавающей точкой)

Также некоторые производители добавляют модули для обработки специфических инструкций для ускорения выполнения различных специальных задач:

• MMX (Multimedia Extensions) — инструкции для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видио данных
• SSE (Streaming SIMD Extensions) - инструкции для параллельного вычисления над потоковыми данными.
• AES (Advanced Encryption Standard) — инструкции для шифрования данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результата — сохраняет результат выполнения инструкций по определенному адресу в ОЗУ.

Блок обработки прерываний — прерывания это внешние или внутренние системные события которые требуют незамедлительной обработки. По возникновению такого события блок обработки останавливает текущий процесс выполнения инструкций , далее сохраняет адрес текущей инструкции в регистр хранения, затем выполняет инструкции связанные с прерыванием и вновь возвращается на инструкции по адресу который он сохранил в регистре. События вызывающие прерывания могут быть разные. Например нажатие кнопок мыши и клавиатуры или прерывания операционной системы с помощью которых обеспечивается псевдо-многозадачность.

Регистры -область памяти процессора отличающаяся от ОЗУ в трое быстрым доступом. Служит для хранения промежуточных данных в процессе выполнения инструкций — регистры общего назначения, и для управления работой блоков процессора — регистры специального назначения.

ПЗУ содержащий микро инструкции- блок памяти необходимый для работы дешифратора и содержащий микрокод для упрощения обработки длинных инструкций.

Счетчик команд — регистр памяти который хранит адрес следующей программной инструкции.

1.2.2 Принцип работы Ядра

Принцип работы современного процессора практически соответствует тем идеям которые были предложены еще в 1946 году новатором математиком Джоном Фон Нейманом. Силой которая заставляет процессор начать выполнение программы является тактовый генератор. Тактовый генератор это электронное устройство которое способно генерировать электрические импульсы высокой частоты и точности в периоде. С каждым таким импульсом ядро совершает ряд действий направленных на выполнение программной инструкции. Выполнение одной программной инструкции ядром может занять от одного до нескольких тактов генератора. Ниже приведена упрощенная последовательность действий ядром при выполнении одной программной инструкции:^[10]

1. Блок выборки инструкций считывает адрес инструкции из регистра-счетчика команд и загружает инструкцию которая находится по этому адресу в КЭШ памяти или ПЗУ. В случае если есть системное прерывание то блок выборки сохраняет все данные регистров и счетчика команд в стэк и выполняет задачи связанные с прерыванием, после чего восстанавливает все данные и переходит к прерванной инструкции.
2. Блок декодирования получает инструкцию из блока выборки инструкций и декодирует ее. Если инструкция длинная то для декодирования используется микро код из системной ПЗУ . Если в инструкции есть логический переход то адрес перехода записывается в счетчик команд и управление передается назад в блок выборки инструкций. После декодирования инструкции если она содержит данные то управление передается в блок выборки данных.
3. Блок выборки данных считывает данные необходимые для выполнения инструкции из ПЗУ или КЭШ памяти.
4. Далее блок управления передает инструкцию и данные в один из блоков выполнения.
5. Блок выполнения выполняет действия инструкции и передает управление

в блок сохранения результата .

1. Блок сохранения результата в случае необходимости сохраняет данные полученные в результате выполнения инструкции в ПЗУ .
2. Затем цикл повторяется с пункта 1.

Все эти действия выполняются за несколько тактов генератора импульсов. Чем выше тактовая частота процессора тем быстрее будет выполнятся этот цикл.

1.3. Классификация современных процессоров

Современные процессоры используются во всех сферах человеческой деятельности, начиная от домашнего использования в ПК и умной домашней электроники до экстремальных применений таких как космонавтика, производство, военная техника и.т.д. Процессоры выпускают множество компаний по всему миру для разных сфер применения, и каждая использует свои стандарты и технологические решения. Ниже постараемся привести общую классификацию типов современных процессоров.

По набору программных инструкций:^[11]

• CISC (Complex Instruction Set Computer) - полный набор инструкций. Состав и назначение не однородны также характеризуется разными по длине инструкциями, что существенно усложняет процесс декодирования . Что в конечном счете приводит к увеличению числа тактов процессора на выполнение одной инструкции. К положительным сторонам можно отнести меньшую сложность при написании программ на языке низкого уровня. Процессоры с поддержкой CISC в основном выпускались компанией INTEL.
• RISC – укороченный набор инструкций. Как правило все длинные инструкции заменены набором более простых, равных по длине и однородных. Это решение значительно упрощает устройство некоторых узлов процессора а также ускоряет выполнение самих инструкций (часто, одна инструкция за один такт ) Недостатком является большая сложность при написании программ на языке низкого уровня но при этом не имеет значения при написании программ на языке высокого уровня, который на сегодняшний день используется чаще.

По архитектуре:

• Фон Неймана — программа и данные хранятся в одном массиве памяти и для их извлечения задействована одна линия.
• Гарвардская — программы и данные хранятся в разных массивах памяти и для их извлечения как правило использованы разные линии. Преимущество такой архитектуры — большее быстродействие в обмен на большую сложность реализации.

По разрядности — способность оперировать данными определенной длинны в разрядах 4,8, 16, 32 или 128-ми разрядные.

По числу выполнения одновременных задач — одно и многозадачные. Обычно напрямую связанно с наличием нескольких ядер в процессоре.

По назначению – универсального, специального назначения и для носимой электроники

• Универсальные или общего назначения — эти процессоры предназначены для решения широкого круга задач. Такие процессоры можно встретить в домашних компьютерах, серверах, ноутбуках и.т.д Характерные характеристики таких процессоров это достаточно высокая производительность так как часто требуется обработка и декодирование аудио видео сигналов, отсутствие множества встроенных периферийных устройств и интерфейсов , высокое энергопотребление (так как редко требуют автономного питания), лояльные условия эксплуатации.
• Специального назначения — эти процессоры можно условно разделить на две группы:^[12]

1. Микроконтроллеры — тип процессоров который еще называют система на кристалле, используется в бытовой электронике такой как телевизоры, калькуляторы, стиральные машины, плееры и.т.д. Также используются в промышленной, военной и космической электронике. Для микроконтроллеров характерны такие качества как: низкое энергопотребление, разная производительность в зависимости от назначения, способность работать в экстремальных условиях, множество встроенных периферийных устройств ( коммуникационные интерфейсы, память программ и данных и.т.д.), небольшие габариты, разный ценовой диапазон.
2. Цифровые сигнальные процессоры – это специализированные микропроцессоры, предназначенные для цифровой обработки аналоговых и цифровых сигналов. Часто используются в гражданских, военных и промышленных системах обработки аудио и видео информации таких как видео регистраторы, видео карты компьютеров, системах искусственное зрение, для шифрования данных и.тд. Эти процессоры имеют на своем борту специализированные периферийные блоки такие как: ЦАП , АЦП, различные фильтры, блоки шифрования и обработки сигналов и информации.

• Процессоры для носимой электроники - Этот вид процессоров появился недавно и связан с развитием прогресса. Все больше людей используют карманные компьютеры, смартфоны и.т.д В связи с возросшими требованиями к компактности, высокой производительности и автономностью таких устройств производители были вынуждены разработать процессоры соответствуюшие этим требованиям. Новые процессоры получились чем то средним между процессорами общего назначения и микроконтроллерами впитав в себя такие качества как: высокая производительность, низкое энергопотребление , богатая периферия на борту, компактные размеры. На данный момент являются наиболее перспективными и востребованными в гражданской сфере.

1.4. Основные производители процессоров

Процессоры общего назначения - Среди производителей данного типа процессоров на протяжении уже долгих лет лидируют две конкурирующие фирмы INTEL и AMD . Оба производителя делают высокоэффективные процессоры но можно отметить что компания INTEL увеличивает производительность за счет повышения рабочих частот процессора а AMD делает ставку на повышения количества ядер. Обе компании выпускали преимущественно процессоры с системой команд CISC но в связи с динамичным увеличением рынка мобильных устройств были вынуждены стать лицензиатами компании ARM и начать выпуск RISC процессоров для мобильных устройств.

Микроконтроллеры и сигнальные процессоры — Очень большое количество производителей и вариантов изделий. Но можно отметить ряд крупных производителей и их долю на рынке.^[13]

Микроконтроллеры :

NXP SEMICONDUCTORS -19%

RENESAS ELECTRONICS -16%

MICROCHIP TECHNOLOGY -14%

SAMSUNG -12%

STMICROELECTRONICS -10%

INFINEON TECHNOLOGIES -7%

TEXAS INSTRUMENTS -6%

CYPRESS -4%

Сигнальные процессоры :

Texas Instruments -54.3%

Freescale Semiconductor -14.1%

Analog Devices -8%

Philips Semiconductors -7.5%

Agere Systems -7.3%

Прочие -8.8%

Процессоры для мобильных устройств- Наиболее интересный, перспективный и востребованный рынок на сегодняшний день. В связи с всеобщей популярностью носимых компьютеров и мобильных устройств в сферу производства мобильных процессоров ударились все крупные старые и новые компании производители. Но на этом фоне хочется отметить особо компанию ARM , она не является непосредственно производителем процессором а занимается проектированием ядер процессоров используя свою одноименную архитектуру. Продуктом компании является лицензия на право использования своей интеллектуальной собственности и производственная документация на изделие на базе архитектуры ARM. Среди лицензиатов компании- AMD, Apple, Analog Devices, Atmel , Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel , Marvell,NXP, STMicroelectronics, Samsung, LG, Media Tek, Mstar, Qualcomm, Sony, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр, ЭЛВИС, HiSilicon. ^[14]

Ниже приведена иллюстрация разделения рынка среди производителей процессоров для мобильных устройств. Так или иначе все эти производители используют архитектуру ARM (см. рис. 5)

Рисунок 5 Производители мобильных процессоров^[15]

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОРОВ

2.1. Повышение производительности процессоров

Процессоры производят уже более 30 лет и на пртяжении всего этого времени возрастали требования к эффективности и производительности процессоров. Это во многом связанно с усложнением программного обеспечения а также с появлением современных сетевых интерфейсов таких как Интернет, видео игр и.т.д. Которые требуют быстрой обработки больших обьемов информации. Для увеличения производительности процессоров инженеры двигуются в двух направлениях это увеличение быстродействия ядра, и увеличение быстродействия способа доставки данных и команд. Ниже приведем описание этих методов и принципов заложенных в них.^[16]

Увеличение тактовой частоты процессора - Как нам уже известно тактовая частота процессора напрямую связанна с его быстродействием, так как каждый шаг работы процессора совершается за один импульс тактового генератора. И чем быстрее частота этих импульсов тем быстрее работает процессор. Но у этого метода есть ряд ограничений. Это увеличение нагрева процессора с повышением частоты работы, увеличение энергопотребления и возможность не стабильной работы и ошибок .

Организация конвейера - При выполнении вычислений процессор выполняет большое количество действий путем переключения транзисторов на кристалле. И в первых процессорах команды выполнялись каждая отдельно с момента загрузки из памяти до сохранения результата, таким образом одна команда проходила последовательно все вычислительные модули по очереди. Это занимало много машинного времени от 3 до 7 тактов. Метод конвейризации позволяет начинать обработку следующей команды еще до окончания выполнения текущей команды. Таким образом, центральный процессор за один машинный такт может обрабатывать несколько команд. Также в современных процессорах также применяются такие технологии как — суперконвейер и гиперконвейер. Они представляют обычный конвейер но разбитый на большее количество шагов (от 10 до 20) это разбиение упрощает его устройство и позволяет работать на более высокой частоте.

Суперскалярность — Технология увеличения производительности за счет увеличения количество однотипных вычислительных блоков. Например в ядрах современных процессоров используется несколько блоков дешифрирования и несколько блоков выполнения, что позволяет одновременно выполнять несколько команд.
Параллельные вычисления или многоядерность^[17]- Суть этого метода становится понятна уже из названия это повышение производительности за счет увеличения количества вычислительных ядер процессора. Современные процессоры уже как стандарт имеют от двух и более ядер. Правда и у этого метода есть некоторые недостатки. Во первых не все программное обеспечение может эффективно использовать несколько ядер одновременно. Во вторых с увеличением количества ядер усложняется механизм загрузки данных из памяти. Но зато это кратно увеличивает производительность. Технология Hyper-Threading^[18] - позволяет одному ядру выполнять одновременно две задачи за счет эффективного задействования ресурсов и добавления дополнительных модулей и регистров памяти. Таким образом одно ядро превращается в два виртуальных. Но недостатком этой технологии является возможность конфликтов между двумя одновременно выполняемыми однотипными задачами так как они могут нуждаться в одном модуле ядра одновременно. Также эффективность этой технологии сильно зависит от типа выполняемых задач. Технология Turbo Boost- позволяет процессору динамически менять свою частоту работы. В моменты когда требуется максимальное быстродействие процессор повышает частоту работы а в моменты простоя опускает. При этом процессор сам контролирует все свои параметры такие как температура, электро- потребление и.т.д. и не дает им выйти из нормы чтобы не допустить выход из строя.

Оптимизация системы команд- В те далекие годы когда появились первые процессоры программисты писали программы для них преимущественно на языках низкого уровня близких к самим машинным инструкциям. По этой причине производители процессоров шли к ним на встречу и старались увеличит количество и разнообразие инструкций для упрощения работы программистов. По этой причине процессоры долгое время использовали расширенную систему команд CISC. Недостатком этой системы является большая сложность микроархитектуры процессора и соответственно более низкое быстродействие так как требуется больше шагов обработки таких команд. Но с увеличением быстродействия процессоров и памяти программ а также с появлением языков программирования высокого уровня стало ясно что процессоры с системой команд CISC становятся менее эффективными по сравнению с RISC. RISC это система команд с укороченным набором инструкций и стандартизацией их длинны. Преимущества RISC это значительное упрощение микроархитектуры процессора и увеличенное быстродействие в сравнении с CISC . Правда есть и недостатки в виде увеличения размера программы , но в современных реалиях на это можно закрыть глаза, так как проблем с ограничением памяти программ уже нет.

Оптимизация работы КЭШ памяти^[19] — Вышеописанные технологии увеличения скорости обработки команд и данных дают неплохой результат но быстро обрабатывать данные и команды недостаточно, нужно еще сделать так чтобы эти данные быстро загружались из оперативной памяти. В первых процессорах данные и команды напрямую загружались из оперативной памяти, но с усложнением и ускорением ядра стало ясно что скорость загрузки из оперативной памяти которая сделана по технологии DRAM слишком медленная . Тогда инженеры стали использовать дорогую высокоскоростную память небольшого объема (КЭШ-память) сделанную по технологии SRAM в качестве промежуточного буфера между ОЗУ и блоком выборки команд и данных. В дальнейшем для оптимизации работы стали добавлять дополнительные промежуточные уровни КЭШ — памяти в результате чего выстроилась разная по скорости и объему иерархическая система буферной памяти. На рисунке 6

изображена принципиальная схема иерархии КЭШ- памяти на примере трех уровневой КЭШ-памяти современного многоядерного процессора.

Рисунок 6 Иерархия КЭШ-памяти в современном процессоре

КЭШ- память первого уровня самая малая по объему но самая быстродействующая, способна работать на частоте ядра. Она находится в непосредственной близости к блоку выборки команд и данных у каждого ядра своя. В зависимости от архитектуры она делится на два отдельных сегмента один для данных и один для команда, или один общий.
КЭШ-память второго уровня у каждого ядра тоже своя но она менее быстрая чем память первого уровня но больше ее по объему.

КЭШ-память третьего уровня самая большая по объему и получает данные не посредственно из ОЗУ и обычно общая для всех ядер. Благодаря КЭШ-памяти часто используемые данные и команды хранятся в месте быстрого доступа для блока выборки что значительно ускоряет процесс работы. Но обычно КЭШ- память не превышает четырех уровней из-за дороговизны и сложности в организации в многоядерных процессорах.

2.2. Совершенствование технологии производства процессоров

Увеличение производительности процессоров описанное в предыдущей главе было бы невозможно без совершенствования технологических процессов производства. Поскольку сложность микроархитектуры возрастает то и количество транзисторов в составе процессора уже на протяжении десятков лет увеличивается в двое каждые два года. В современных процессорах выполненных по технологии 45нм плотность транзисторов такая высокая что на площади кремния равной срезу человеческого волоса их размещается порядка 2000 штук. Для размещения такого количества транзисторов на пластине кремния и дальнейшего увеличения их количества инженеры вынужденны двигаться в трех направлениях:^[20]

1. Уменьшение размера транзистора — Размеры транзисторов размещенных на пластине кремния в процессоре измеряют в нанометрах ( Нм ) , 1 нанометр равен одной миллиардной части метра. И вот на протяжении 30 лет инженерам удается постоянно ставить новые рекорды миниатюризации. Так например один из первых процессоров Intel 8086 выпущенный в 1979 г. имел транзисторы выполненные по технологии 3 Нм. В 2006 году Intel выпустило процессор 65 Нм, а в 2008 г. это уже было 45 Нм. На сегодняшний день ( 2018г.) компания Intel ^[21]остается лидером миниатюризации транзисторов и уже выпущен серийный процессор Intel Core I3 8121U выполненный по технологии 10 Нм. Также ведутся исследования направленные на освоения технологий 7, 5 и менее нанометров. Но при исследованиях инженеры сталкиваются с новыми проблемами связанными с недостатками использования старых материалов. Так на сегодняшний день в университете Беркли в США создан самый маленький транзистор в мире, он имеет затвор размером 1 Нм. это практически размер одного атома. Но этот транзистор создан с использованием совсем новых материалов.
2. Использование новых материалов - При уменьшении размера транзистора возникают различные проблемы связанные с физическими возможностями тех материалов которые классически применяются для их производства. Так при уменьшении размера транзистора необходимо также уменьшать емкость изоляции затвора, то есть его толщину. Раньше для этих целей использовали диоксид кремния (SiO2), но при уменьшении толщины изоляции на его основе меньше 1.5 Нм (порядка 5 атомов) начинает возникать эффект квантового туннелирования, что преводит к нестабильности в работе транзистора. По этой причине необходимо использовать материал с более низкой проводимостью. И таким материалом стал диоксид редкоземельного металла гафния чья диэлектрическая проницаемость ниже в 5 раз. Правда он был плохо совместим с поликремниевым затвором, но в дальнейшем затвор сделали медным.( см .рисунок 7)

Рисунок 7 Транзистор. С изолятором из оксида кремния и затвором из поликремния (слева). С медным затвором и изолятором из диоксида гафния (справа)

А инженеры университета Беркли работая над созданием своего самого маленького транзистора ( Затвор =1 Нм ), полностью отказались от использования кремниевой подложки а использовали дисульфида молибдена (MoS2). Затвор был изготовлен на основе нано-трубки из углерода. Таким образом была доказана работоспособность полупроводников менее 5 Нм. Кроме применения новых соединений в производстве также совершенствуется способ их нанесения. Например технология атомарного нанесения, где материал наносится слоями толщиной в один атом.

1. Совершенствование форм и структур полупроводников^[22] — также в связи с использованием новых материалов стремление инженеров направленно на поиск новых форм компоновки как самих полупроводников так и структур их организации и связей. В направлении от двумерной послойной структуры к сложной трехмерной и многослойной.

2.3. Будущее производства процессоров

В 1965 году один из основателей компании INTEL Гордон Мур выдвинул ампирическое наблюдение, что количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. В будущем это наблюдение станет известно как Закон Мура. А другой сотрудник INTEL Давид Хаус спрогнозировал удвоение производительности в два раза каждые 18 месяцев. Как в последствии стало понятно они оба оказались правы и предсказанная ими тенденция продолжается

и по сей день. Но миниатюризация технологического процесса уже перешагнула отметку в 10 Нм и движется дальше. Возможность освоения технологии в 1 Нм уже доказана экспериментально и по прогнозам Мура должна появится в серийных изделиях уже к 2030 году. К сожалению транзистор размером меньше 1 Нм физически не возможен. Получается что в 2030 году производители процессоров окажутся в крайне не простом положении. Что нас ждет дальше ?
Это сложный вопрос но по мнению автора этого текста силы будут направлены на поиски материалов с более высокой подвижностью носителей заряда. Также будут исследоваться новые более эффективные архитектуры логических схем самого процессора, совершенствование программного обеспечения с целью обеспечения полной поддержки многоядерности и параллельной обработки. Но и в связи с массовым использованием носимой электроники в проектировании процессоров будет увеличиваться тенденция встраивания периферийных устройств в корпус процессора, по принципу «все в одном».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе написания данной курсовой работы нам удалось получить новые знания и умения по основам проведения и оформления исследовательских работ. А также получить информацию и провести ее анализ в такой интересной и востребованной теме в современном мире как вычислительные системы а в частности современные процессоры их развитие и дальнейшие перспективы. В первой главе курсовой работы мы познакомились с такой немаловажной частью как история появления процессора. Выяснили что послужило толчком к их появлению и какие идеи были заложены в основу первых систем .
Изучили устройство современного процессора а также устройство вычислительного ядра. Получили исчерпывающую информацию о принципах работы как ядра так и самого процессора в целом. Ознакомились с видами архитектуры современных процессоров их типами и назначением в быту, науке и производстве. В окончании первой главы был брошен взгляд на ключевых производителей процессоров и занимаемая ими доля рынка.
Во второй части курсовой работы было акцентировано внимание на ключевой теме курсовой работы — Современные тенденции развития процессоров. Так в первой части мы рассмотрели те инженерные решения которые принимают производители для увеличения производительности процессоров а также их технических показателей и те трудности с которыми им приходится сталкиваться. Коснулись также такой наукоемкую темы как технология производства процессоров. Узнали какие материалы и технологии использовали раньше и какие используют сегодня. Разобрались с какими проблемами и сложностями сталкиваются ученые при миниатюризации производственного процесса и как им и приходится решать.
В заключительной части курсовой работы мы постарались сделать выводы о будущем которое ждет производство процессоров после 2030г. Так как технологические возможности дальнейшей миниатюризации технологий производства будут сильно ограничены физическими, автор курсовой работ делает предположения о направлениях дальнейшего развития и тенденций в производстве процессоров.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Источники на русском языке

Ланина. Э. П. История развития вычислительной техники. Иркутск: ИрГТУ, 2001. 166с.

Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. "КИТ" ПТОО "А.С.К.", 1995. - 384с

Ю.Носов. Транзистор – наше все. К истории великого открытия . Журнал ЭЛЕКТРОНИКА Выпуск #2/2008

М.Гук . Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II. Питер 1998. 224с

Таненбаум Остин. Архитектура компьютера Питер 2019. 816c

Анатолий Жмакин. Архитектура ЭВМ. Учебное пособие . БХВ 2010. 352c

Б.В. Костпов В.Н. Ручкин Архитектура микропроцессорных систем Диалог МИФИ 2007 стр. 304

Х. Крейгон Архитектура компьютеров и ее реализация Издательство МИР 2004 стр. 675

Александров Е.К. Микропроцессорные системы Политехника 2005 стр. 935

Электронные ресурсы

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана 1c

https://ru.bmstu.wiki/Intel_4004 (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале. Процессоры ARM: производители и модели. https://itc.ua/articles/protsessoryi-arm-proizvoditeli-i-modeli/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале Программные продукты и системы №2 2007 . Авторы кандидаты технических наук Дикарев Н. И. Шабанов Б.Н. Архитектура процессора и ее влияние на производительность супер ЭВМ. http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=373

(Дата обращения 18.04.2020)

Статья компании AMD для интернет журнала Микропроцессоры. Методы повышения производительности процессора https://otmpblog.wordpress.com/2011/ (Дата обращения 16.04.2020)

Статья компании INTEL. Технологии, определенные для процессоров Intel для мобильных инастольных компьютеров . https://www.intel.ru/content/w (Дата обращения 18.04.2020)

Научная статья в интернет журнале. Результаты экспериментального исследования эффективности КЭШ памяти микропроцессорных систем Томачев В.В. к.т.н Военно-космическая Академия им. А.Ф. Можайского https://cyberleninka.ru/article/n/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья компании Intel . Трудности производства процессоров https://habr.com/ru/company/intel/blog/108615/ (Дата обращения 18.04.2020)

1. Статья. Перспективы развития центральных процессоров . https://habr.com/ru/post/114579/ (Дата обращения 18.04.2020)

Статья в интернет журнале CHIP. Какое будущее ждет индустрию процессоров ? https://ichip.ru/tekhnologii/akkumulyatory (Дата обращения 18.04.2020)

19. Ежегодное исследование рынка встраиваемых систем http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews_146 (Дата обращения 16.04.2020)

1. Ланина. Э. П. История развития вычислительной техники.—Иркутск: ИрГТУ, 2001.—56с. ↑

2. Малиновский Б.Н.История вычислительной техники в лицах. К.: фирма "КИТ",ПТОО "А.С.К.", 1995. - 123с ↑

3. Ю.Носов. Транзистор – наше все. К истории великого открытия Журнал ЭЛЕКТРОНИКА Выпуск #2/2008 ↑

4. Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана https://ru.bmstu.wiki/Intel_4004 ↑

5.   М.Гук . Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II Питер 1998 стр.68 ↑

6. Рисунок из свободного доступа сети Internet ↑

7. Таненбаум Остин: Архитектура компьютера Питер 2019 стр. 78 ↑

8. Рисунок из свободного доступа сети Internet ↑

9. Анатолий Жмакин: Архитектура ЭВМ. Учебное пособие БХВ 2010 стр. 81 ↑

10. Б.В. Костпов В.Н. Ручкин Архитектура микропроцессорных систем Диалог МИФИ 2007 стр. 44 ↑

11. Х. Крейгон Архитектура компьютеров и ее реализация Издательство МИР 2004 стр. 302 ↑

12. Александров Е.К. Микропроцессорные системы Политехника 2005 стр. 467 ↑

13. Ежегодное исследование рынка встраиваемых систем http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews_146.html

    ↑

14. Статья в интернет журнале Процессоры ARM: производители и модели https://itc.ua/articles/protsessoryi-arm-proizvoditeli-i-modeli/ ↑

15. Рисунок из свободного доступа в Internet ↑

16. Архитектура процессора и ее влияние на производительность суперЭВМ Статья в интернет журнале Программные продукты и системы №2 2007 Авторы кандидаты технических наук Дикарев Н. И. Шабанов Б.Н. http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=373 ↑

17. Методы повышения производительности процессора Статья компании AMD для интернет журнала Микропроцессоры https://otmpblog.wordpress.com/2011/12/16/%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B-%D0%BF%D0%BE%D0%B2 ↑

18. Официальная статья компании INTEL Технологии, определенные для процессоров Intel для мобильных инастольных компьютеров https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/support/articles/000006513/processors.html ↑

19. Научная статья Результаты экспериментального исследования эффективности КЭШ памяти микропроцессорных систем Томачев В.В. к.т.н Военно-космическая Академия им. А.Ф. Можайского https://cyberleninka.ru/article/n/rezultaty-eksperimentalnogo-issledovaniya-effektivnosti-kesh-pamyati-mikroprotsessornyh-sistem-na-osnove-imitatsionnogo/viewer ↑

20. Интернет статья компании Intel Трудности производства процессоров https://habr.com/ru/company/intel/blog/108615/ ↑

21. 1. Перспективы развития центральных процессоров . Статья https://habr.com/ru/post/114579/

    ↑

22. Статья в интернет журнале CHIP Какое будущее ждет индустрию процессоров ? https://ichip.ru/tekhnologii/akkumulyatory-novogo-pokoleniya-49237 ↑