7 нанометров

Техпроцессы после середины 1990-х

Обозначения для техпроцессов, внедренных начиная с середины 1990-х годов, были стандартизованы NTRS и ITRS и стали называться «Technology Node» или «Cycle». Реальные размеры затворов транзисторов логических схем стали несколько меньше, чем обозначено в названии техпроцессов 350 нм — 45 нм благодаря внедрению технологий resist-pattern-thinning и resist ashing. С этих пор коммерческие названия техпроцессов перестали соответствовать длине затвора.

С переходом на следующий техпроцесс ITRS площадь, занимаемая стандартной ячейкой 1 бита памяти SRAM, в среднем уменьшалась вдвое. В период с 1995 по 2008 года такое удвоение плотности транзисторов происходило в среднем каждые 2 года.

350 нм (0,35 мкм)

350 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1997 году ведущими компаниями — производителями микросхем, такими как Intel, IBM, и TSMC. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,35 мкм.

  • Intel Pentium MMX (P55)
  • Intel Pentium Pro
  • (Klamath)
  • МЦСТ-R150 (2001 г., 150 МГц)

250 нм

250 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1998 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,25 мкм.

Используется до 6 слоёв металла, минимальное количество литографических масок — 22.[источник не указан 2090 дней]

  • (Deschutes)
  • (Katmai)

180 нм

180 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1999 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения по отношению к предыдущему техпроцессу 0,25 мкм.

Содержит до 6-7 слоёв металла. Минимальное количество литографических масок — около 22.[источник не указан 2090 дней]

  • AMD Athlon XP (Palomino)
  • Intel (Coppermine)

130 нм

130 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 2001 году ведущими компаниями — производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS, соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 0,18 мкм.

  • Intel Pentium III Tualatin — июнь 2001
  • Intel Celeron Tualatin-256 — октябрь 2001
  • Intel Pentium M Banias — март 2003
  • Intel Pentium 4 Northwood — январь 2002
  • Intel Celeron Northwood-128 — сентябрь 2002
  • Intel Xeon Prestonia и Gallatin — февраль 2002
  • AMD Athlon XP Thoroughbred, Thorton и Barton
  • AMD Athlon MP Thoroughbred — август 2002
  • AMD Athlon XP-M Thoroughbred, Barton и Dublin
  • AMD Duron Applebred — август 2003
  • AMD K7 Sempron Thoroughbred-B, Thorton и Barton — июль 2004
  • AMD K8 Sempron Paris — июль 2004
  • AMD Athlon 64 Clawhammer и Newcastle — сентябрь 2003
  • AMD Opteron Sledgehammer — июнь 2003
  • МЦСТ Эльбрус 2000 (1891BM4Я) — июль 2008
  • МЦСТ-R500S (1891ВМ3) — 2008, 500 МГц

Планы на ближайшее десятилетие

Стратегия определяет девять направлений: «Научно-техническое развитие», «Средства производства», «Отраслевые стандарты», «Кадры», «Управление», «Кооперация», «Отраслевая информационная среда», «Рынки и продукция» и «Экономическая эффективность».

В рамках стратегии к 2030 г. предполагается создание отрасли, конкурентоспособной на внешних рынках и выпускающей высокотехнологичную продукцию на базе российских разработок. Российская электронная промышленность должна обеспечить реализацию национальных проектов и занять доминирующее положение «на внутреннем рынке электронной продукции, критически значимой для обеспечения национальной безопасности, технологического и экономического развития».

Ключевыми инструментами реализации стратегии названы развитие научно-технического потенциала, подготовка кадров, оптимизация и перевооружение производства, запуск новых промышленных технологий, а также совершенствование нормативно-правовой базы.

Перспективные технологии

Ожидается, что за десятилетие российская отрасль уйдет от техпроцесса 130 нм и более, на которых сейчас выпускается порядка 65% продукции, и перейдет на топологию с нормами 65-45 нм, 28 нм, 14-12 нм и 7-5 нм. На первых порах предполагается выпуск российских изделий на зарубежных фабриках с постепенным переносом производств в Россию, в том числе твердотельных накопителей с нормами 25-30 нм и не менее 96 слоев, OLED-дисплеев не ниже шестого поколения, компонентной базы BiCMOS HBT, HEMT, pHEMT с нормами 65-45 нм и т. п.

В России также планируется запустить производство фотомасок с нормами от 250 нм до 16-14 нм и менее, ряд технологий для обеспечения полного цикла производства современных радиоэлектронных компонентов в стране.

Стратегия предполагает создание российских кремниевых фабрик с нормами 28 нм, 14-12 нм, 7-5 нм, работающих по производственной бизнес-модели «фаундри» (foundry) – когда разработка и производство полупроводниковой продукции выполняются различными компаниями или бизнес-подразделениями, а также фабрики с нормами 65-45 нм для выпуска СВЧ-электроники, сенсоров и других современных производств.

Также предполагается развитие центров коллективного проектирования, приведение отраслевых стандартов в соответствие с международными требованиями, разработка национальных стандартов с последующей трансформацией в международные.

В стратегии также определены меры по подготовке кадров и повышению привлекательности отрасли для молодых специалистов. В управленческой сфере планируется внедрение АСУ отраслью и системы управления рисками развития отрасли. Формирование отраслевой информационной среды также подразумевает развитие отраслевых баз данных, реестров аппаратуры и компонентной базы, унификацию средств информационного обмена.

Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах

Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 216 (65536) с 26 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.

В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.

Стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла $4 млн, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016).  Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.

 На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.

Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.

Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.

Мобильные чипы претерпят наибольшие улучшения

Уменьшение транзисторов — это не только производительность; оно также имеет огромное значение для маломощных чипов мобильных устройств и ноутбуков. С 7 нм (по сравнению с 14 нм) вы можете получить на 25% больше производительности при той же мощности, или вы можете получить ту же производительность за половину мощности.

Это означает более длительное время работы от батареи при одинаковой производительности и гораздо более мощные чипы для небольших устройств. Мы уже видели, как чип A12X от Apple выигрывал некоторые старые чипы Intel в тестах, несмотря на то, что он был только пассивно охлажден и упакован внутри смартфона, И это только первый 7-нм чип, который появился на рынке.

Уменьшение узлов всегда является хорошей новостью, так как более быстрые и энергоэффективные чипы влияют практически на все аспекты технологического мира. 2019 год будет очень интересным для технических специалистов и, конечно, очень приятно видеть, что закон Мура еще не совсем мертв.

Спасибо, что читаете! Подписывайтесь на мои каналы в Telegram, и . Только там последние обновления блога и новости мира информационных технологий.

Финансовая сторона

Стратегия ставит цель роста объема выручки отрасли к 2030 г. до 5,22 трлн руб. ежегодно при доле гражданской продукции в общем объеме промышленного производства не менее 87,9%. Объем экспорта электронной продукции при целевом сценарии должен увеличиться до $12,02 млрд, или до $14,8 млрд при инновационном сценарии.

К 2030 г. доля выручки отрасли в ВВП страны должна достичь 3,5%, доля гражданской продукции на внутреннем рынке электроники по выручке 57,4%. Выработка продукции на сотрудника должна составить 12,5 млн руб.

Сейчас доля электронной промышленности в валовом внутреннем продукте страны составляет 1,8%, уровень добавленной стоимости 60-80%.

В период 2008-2018 гг. выручка отрасли, согласно данным документа, составила 1,868 трлн руб., доля гражданской продукции по выручке составила 50,3%; доля гражданской электроники в общем объеме внутреннего рынка электроники по выручке составила 31%. Экспорт российской электронной продукции составил $4,16 млрд (рост в 4,4 раза по отношению к 1998-2008 гг.).

По состоянию на 2019 г. отрасль была представлена 1600-1700 предприятиями и организациями, из них 422 организации с госучастием (около 55% отраслевой выручки), 370 из них включены в реестр ОПК; 1200 преимущественно малых и средних частных российских компаний (около 23% выручки) и 30 компаний с иностранным капиталом (до 22% выручки).

Общее количество сотрудников организаций отрасли составляет около 290 тыс. человек. Выработка продукции по отрасли составила 4,8 млн руб. на сотрудника.

Среднегодовой темп роста мирового рынка электроники за 2008-2018 гг. составил более 4%. По состоянию на 2018 год на долю электронной продукции в общем объеме мировой экономики приходилось около 4,2%.

Стимулирование спроса и риски

Дополнительное стимулирование спроса на продукцию отрасли предполагается обеспечить, в том числе, квотами на закупку электроники российского производства. Для этого при необходимости подразумевается внесение изменений в федеральные законы «О контрактной системе в сфере закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд» и «О закупках товаров, работ, услуг отдельными видами юридических лиц».

Ключевыми рисками, угрожающими срывом сроков реализации стратегии или неполного достижения ее целей, в документе названы такие факторы как недостаточное финансирование или неэффективное использование ресурсов, непрогнозируемый рост стоимости входа на новые рынки и освоения новых технологий, глобальная гиперконкуренция, дефицит кадров, несоответствие продукции ожиданиям потребителей, возникновение потребностей за пределами возможностей отрасли, недоступность передовых технологий, медленное принятие решений (административные барьеры) и недостаточность данных для принятия решений.

Что такое техпроцесс

Подавляющее большинство пользователей никогда не видели процессор, кроме, как на картинках. Некоторым посчастливилось увидеть его вживую, но не более, чем его теплораспределительную панель. Для сравнения, это как познакомиться с девушкой, но увидеть ее только в лыжном костюме. Самое интересное находится под этой пластиной. Именно там зарождается магия производительности.

Именно под пластиной расположен кристалл процессора. Он представляет из себя миллиарды даже не миниатюрных, а микроскопических транзисторов, расстояние между ними и определяется техпроцессом.

Обычно мы видим только крышку процессора, а под ней всегда самое интересное.

Самые современные процессоры (из тех, что поступили в промышленное производство) сейчас имеют 7-нанометровый (7-нм) техпроцесс. Такими технологиями на данный момент достаточно хорошо овладела тайваньская компания TSMC, которая производит чипсеты по заказу крупнейших мировых производителей, таких, как Apple, Huawei и Qualcomm. Последняя и вовсе обеспечивает львиную долю процессоров для производителей совершенно разных смартфонов на Android.

При этом, нельзя не отметить, что большее значение техпроцесса не означает, что на чипе будет меньше транзисторов. Это своим примером доказала Intel, у которой пока не очень хорошо с технологией 7 нанометров.

Стоит ли обращать внимание на процессор при покупке телефона

Сейчас техпроцесс современных процессоров дошел до отметки 7 нанометров. Это хороший показатель и следующим шагом будет 5 нанометров, но зацикливаться на этом не стоит. У процессора есть много других параметров, да и такое небольшое изменение техпроцесса вы вряд ли заметите.

Куда важнее смотреть на другие показатели смартфона, а эти лишние 2-3 нанометра на данном этапе дадут вам преимущество, только если верить в то, что оно действительно есть. Смартфон — это сложная штука и в ней хватает других вещей, которые влияют на производительность.

Например, загруженность сторонними приложениями, скорость памяти, архитектура, требовательность приложений, с которыми вы работаете, и многое другое. В чистом виде процессор будет более быстрым и более экономичным. Конечно, если сравнивать 40-нм и 5-нм техпроцессы, то разница будет, но между этими показателями прошло несколько лет. Между моделями, выпущенными с разницей в год, не будет такой разницы в производительности.

Инструкции микропроцессора

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

  • LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
  • LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
  • CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
  • SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
  • SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
  • ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
  • MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
  • COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
  • JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

  • LOADA — 1
  • LOADB — 2
  • CONB — 3
  • SAVEB — 4
  • SAVEC mem — 5
  • ADD — 6
  • SUB — 7
  • MUL — 8
  • DIV — 9
  • COM — 10
  • JUMP addr — 11
  • JEQ addr — 12
  • JNEQ addr — 13
  • JG addr — 14
  • JGE addr — 15
  • JL addr — 16
  • JLE addr — 17
  • STOP — 18

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Три этапа стратегии

Процесс реализации стратегии на период 2020-2030 гг. разбит на три этапа. Первый этап, определенный 2020-2021 гг., предполагает рост доли российской электроники на внутреннем рынке главным образом за счет традиционных рынков, а также исполнения национальных проектов.

Первый этап также является подготовительным для продвижения на зарубежные рынки. Для него предполагается доработать технологии, правила, бизнес-модели, предложения по продуктам и сервисам, пересмотреть характер инвестиций в сторону их диверсификации.

Второй этап, под который отведен период 2022-2025 гг., ознаменуется усилением присутствия российской электроники на рынках и экспансия на новые международные рынки. Здесь допустимы комплексные предложения, партнерские программы с иностранными участниками, масштабирование инвестиций.

На третьем этапе – в 2026-2030 гг., прогнозируется устойчивый рост отрасли с лидирующими позициями на перспективных рынках. В стратегии также упомянуто «обеспечение глобального технологического лидерства».

До конца 2020 г. ожидается внесение изменений в госпрограмму «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности» для приведения технических параметров электроники в соответствие со стратегией.

На всех этапах предполагается разработка новых технологий, материалов, технологического и контрольно-измерительного оборудования, создание программно-аппаратных комплексов для реализации сквозных технологий: больших данных, нейротехнологий и искусственного интеллекта, систем распределенного реестра, квантовых технологий, компонентов робототехники и сенсорики, промышленного интернета, беспроводной связи, виртуальной и дополненной реальности.

Архитектура Zen 2 и первые семь нанометров для дата-центров

Компания AMD представила серверные 64-ядерные процессоры Epyc Rome на базе новой архитектуры Zen 2 с нормами технологического процесса 7 нм, и с новой многокристальной компоновкой Chiplet Design.

Это первые в мире процессоры с архитектурой x86, выпускаемые с нормами 7 нм. До этого в сентябре 2018 г. первые мобильные процессоры A12 Bionic по этому техпроцессу были представлены компанией Apple. В конце сентября о запуске своего мобильного процессора Kirin 980 с нормами 7 нм объявила Huawei, однако в обоих случаях речь о процессорах на архитектуре ARM.

Таким образом, компания не только первой заявила о переводе своих серверных процессоров на самый прецизионный на сегодняшний день техпроцесс, но также смогла удвоить число вычислительных ядер на один чип. В случае использования чипов Rome совместно с материнскими платами под два процессора, такая платформа обеспечит 128 вычислительных ядер и 256 вычислительных потоков.

У предыдущего поколения процессоров AMD рекордным было 32 вычислительных ядра на чип. Intel, в свою очередь, обещает со следующего года начать выпуск 48-ядерных серверных чипов Cascade Lake. На сегодняшний день флагманские серверные процессоры Xeon обладают 28 вычислительными ядрами.

Уже в 2019 г. AMD намерена перевести все свои процессорные линейки на архитектуру Zen 2 с нормами 7 нм. Сейчас, по данным компании, уже начаты поставки первых образцов процессоров Epyc поколения Rome на базе этой архитектуры ключевым заказчикам.

64-ядерные процессоры Epyc Rome с нормами 7 нм

AMD также представила первые в мире графические ускорители Radeon Instinct MI60 и MI50, выполненные с соблюдением норм техпроцесса 7 нм, и предназначенные для работы в составе оборудования для дата-центров. Как и процессоры, они производятся на производственных мощностях TSMC.

Новинки стали первыми ускорителями компании, оснащенными новой шиной PCI Express 4.0. Начало массовых поставок обоих моделей обещано до конца 2018 г.

Где применяются процессоры

Техпроцессы 1970-х — 1980-х

Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) и ITRS, обозначались «xx мкм» (xx микрон), где xx сперва обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла (half pitch) и ширину линий металла. В 1970-х существовало несколько техпроцессов, в частности 10, 8, 6, 4, 3, 2 мкм; в среднем, каждые три года происходило уменьшение шага с коэффициентом 0,7

Прогресс миниатюризации и сравнение размеров техпроцесса с некоторыми микроскопическими объектами и длиной волны видимого света.

3 мкм

3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1975 году Zilog (Z80) и в 1979 году Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.

1,5 мкм

1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.

Intel 80286

0,8 мкм

0,8 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в конце 1980-х — начале 1990-х годов компаниями Intel и IBM.

  • Intel 80486 (1989 год)
  • MicroSPARC I (1992 год)
  • Первые Intel P5 Pentium на частотах 60 и 66 МГц (1993 год)

0,6-0,5 мкм

Техпроцесс, достигнутый производственными мощностями компаниями Intel и IBM в 1994—1995 годах.

  • 80486DX4 CPU (1994 год)
  • IBM/Motorola PowerPC 601, первый чип архитектуры PowerPC
  • Intel Pentium на частотах 75, 90 и 100 МГц
  • МЦСТ-R100 (1998 г., 0,5 мкм, 50 МГц)

Крышка и упаковка

Когда дорож­ки гото­вы, диск отправ­ля­ют на тесты. Там смот­рят на то, как рабо­та­ет каж­дый про­цес­сор, как он гре­ет­ся и сколь­ко ему нуж­но энер­гии, заод­но про­ве­ря­ют на брак.

В зави­си­мо­сти от резуль­та­тов про­цес­со­ры с одной пла­сти­ны могут полу­чить раз­ную мар­ки­ров­ку и про­да­вать­ся по раз­ной сто­и­мо­сти. Те про­цес­со­ры, кото­рые полу­чи­лись более удач­ны­ми, ста­но­вят­ся доро­ги­ми сер­вер­ны­ми про­дук­та­ми. Те, где кто-то рядом чих­нул или вздох­нул, име­ют неко­то­рые несо­вер­шен­ства и дефек­ты, их могут отпра­вить на потре­би­тель­скую линию.

После тестов диск раз­ре­за­ют на гото­вые про­цес­сор­ные ядра.

Пла­сти­на со мно­же­ством оди­на­ко­вых про­цес­сор­ных ядер. 

Робот выре­за­ет ядра из гото­вой пластины. 

После это­го к ядру про­цес­со­ра добав­ля­ют кон­так­ты, что­бы мож­но было вста­вить его в мате­рин­скую пла­ту, и накры­ва­ют крыш­кой. Чёр­ный или метал­ли­че­ский пря­мо­уголь­ник, из кото­ро­го тор­чат нож­ки, — это как раз крышка.

Крыш­ка выпол­ня­ет две функ­ции: защи­ща­ет сам кри­сталл от повре­жде­ний и отво­дит от него теп­ло во вре­мя рабо­ты. Дело в том, что мил­ли­о­ны тран­зи­сто­ров при рабо­те нагре­ва­ют­ся, и если про­цес­сор не осту­жать, то он пере­гре­ет­ся и кри­сталл может испор­тить­ся. Что­бы тако­го не про­изо­шло, на крыш­ку про­цес­со­ра ста­вят воз­душ­ные куле­ры или дела­ют водя­ное охлаждение.

Так почему же эти новые процессы так важны?

Закон Мура, старое наблюдение о том, что количество транзисторов на чипе удваивается каждый год, а затраты вдвое сокращаются, удерживался в течение длительного времени. Еще в конце 90-х и начале 2000-х годов транзисторы сокращались вдвое каждые два года, что приводило к их значительному улучшению. Но дальнейшее уменьшение стало более сложным, и, например, мы не наблюдали уменьшения транзистора от Intel с 2014 года. Так что эти новые технологические процессы являются первыми крупными сокращениями за долгое время, особенно со стороны Intel, и представляют собой краткое возрождение закона Мура.

С появлением новых процессоров AMD на 7-нм процессорах TSMC и чипов A12X Apple, у них появляется шанс обойти Intel по производительности и создать здоровую конкуренцию монополии этой компании на рынке. По крайней мере до тех пор, пока 10-нм чипы Intel «Sunny Cove» не начнут поступать в продажу.

Что внутри транзистора

Если бы мы мог­ли раз­ре­зать один тран­зи­стор в мик­ро­про­цес­со­ре, мы бы уви­де­ли что-то вро­де этого:

Сле­ва — про­вод­ник, по кото­ро­му бежит ток, спра­ва — про­сто про­вод­ник, пока без тока. Меж­ду ними нахо­дит­ся про­во­дя­щий канал — те самые «воро­та». Когда воро­та откры­ты, ток из лево­го про­вод­ни­ка посту­па­ет в пра­вый. Когда закры­ты — пра­вый оста­ёт­ся без тока. Что­бы воро­та откры­лись, на них нуж­но подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то воро­та закрыты.

Теперь, если гра­мот­но посо­еди­нять тыся­чу тран­зи­сто­ров, мы полу­чим про­стей­шую вычис­ли­тель­ную маши­ну. А если посо­еди­нять мил­ли­ард тран­зи­сто­ров, полу­чим ваш процессор.

Характеристики процессора.

1.Тактовая частота.

Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты (ГТЧ). ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри компьютера. В ритме этого метронома работает процессор. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если «метроном стучит» быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах — МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в 1 секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц,130 МГц и др.

2.Разрядность процессора.

Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут образовываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 2 байта, то разрядность процессора равна 16(8*2); если 4 байта, то 32, если 8 байт, то 64.
Ячейка — это группа последовательных байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Очевидно, размер ячейки памяти и машинного слова равен разрядности процессора. Обмен информацией между процессором и внутренней памятью производится машинными словами.
Адрес ячейки памяти равен адресу младшего байта (байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек памяти начинается с нуля. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове (изменяются через 2, или через 4, или через 8). Еще раз подчеркнем: ячейка — это вместилище информации, машинное слово — это информация в ячейке.

3.Адресное пространство.

По адресной шине процессор передает адресный код — двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство — это диапазон адресов (множество адресов), к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n бит, то размер адресного пространства равен 2n байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины). Например, если компьютер имеет 16-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 216=64 Кб, а при 32-разрядной адресной шине адресное пространство равно 232=4 Гб.

Память микропроцессора

подробностями

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Что «nm» на самом деле означает

Процессоры выполнены с помощью фотолитографии, где образ процессора вытравливается на куске кремния. Точная методика выполнения этой операции обычно называется технологическим процессом и измеряется тем, насколько малым может быть изготовление транзисторов.

Поскольку более компактные транзисторы более энергоэффективны, они могут выполнять больше вычислений без перегрева, что обычно является ограничивающим фактором для производительности процессора. Это также позволяет уменьшить размеры матрицы, что снижает затраты и может увеличить плотность при тех же размерах, а это означает увеличение количества ядер на чип.

Плотность 7 нм в два раза выше, чем у предыдущего 14 нм узла, что позволяет таким компаниям, как AMD, выпускать 64-ядерные серверные чипы, что значительно превосходит их предыдущие 32 ядра (и 28 ядра Intel).

Важно отметить, что, хотя Intel все еще находится на 14-нм процессоре, а AMD собирается запустить свои 7-нм процессоры очень скоро, это не означает, что AMD будут работать в два раза быстрее. Производительность не соответствует размеру транзистора, и в таких маленьких масштабах эти значения уже не столь точны

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий