CPU

Central processing unit ( CPU ; även central processing unit  - CPU ; engelsk  central processing unit , CPU , bokstavligen - central processing unit , ofta bara en processor ) - en elektronisk enhet eller en integrerad krets som exekverar maskininstruktioner (programkod), den huvudsakliga del av datorhårdvara eller programmerbar logikstyrenhet . Ibland kallas denna komponent helt enkelt för processorn .

Inledningsvis beskrev termen centralenhet ett specialiserat system av element utformade för att förstå och exekvera maskinkoden för datorprogram , och inte bara fasta logiska operationer . Början till användningen av termen och dess förkortning i förhållande till datorsystem lades på 1960-talet. Enheten, arkitekturen och implementeringen av processorer har förändrats många gånger sedan dess. I moderna datorsystem utförs alla funktioner i centralenheten vanligtvis av en mycket integrerad mikrokrets  - mikroprocessorn .

CPU:ns huvudsakliga egenskaper är: klockhastighet , prestanda , strömförbrukning, normerna för den litografiska processen som används i produktionen (för mikroprocessorer) och arkitektur .

Tidiga processorer designades som unika byggstenar för unika och till och med unika datorsystem. Senare, från den dyra metoden att utveckla processorer utformade för att köra ett enda eller flera högt specialiserade program, övergick datortillverkarna till serieproduktion av typiska klasser av flerfunktionsprocessorenheter. Trenden mot standardisering av datorkomponenter har sitt ursprung i en tid präglad av den snabba utvecklingen av halvledare , stordatorer och minidatorer , och med tillkomsten av integrerade kretsar har den blivit ännu mer populär. Skapandet av mikrokretsar gjorde det möjligt att ytterligare öka komplexiteten hos processorn samtidigt som den minskade deras fysiska storlek. Standardiseringen och miniatyriseringen av processorer har lett till en djup penetration av digitala enheter baserade på dem i vardagen. Moderna processorer finns inte bara i högteknologiska enheter som datorer, utan också i bilar , miniräknare , mobiltelefoner och till och med barnleksaker . Oftast representeras de av mikrokontroller , där, förutom datorenheten, ytterligare komponenter finns på chipet (program- och dataminne, gränssnitt, I / O-portar, timers, etc.). Moderna beräkningsmöjligheter hos mikrokontrollern är jämförbara med persondatorprocessorer för trettio år sedan, och oftare till och med överstiger deras prestanda avsevärt.

Historik

Historien om utvecklingen av produktionen av processorer är helt förenlig med historien om utvecklingen av teknik för produktion av andra elektroniska komponenter och kretsar.

Den första fasen , som påverkade perioden från 1940-talet till slutet av 1950-talet, var skapandet av processorer som använder elektromekaniska reläer , ferritkärnor (minnesenheter) och vakuumrör . De installerades i speciella spår på moduler monterade i rack. Ett stort antal sådana rack, sammankopplade med ledare, representerade en processor totalt. Utmärkande egenskaper var låg tillförlitlighet, låg hastighet och hög värmeavledning.

Den andra fasen , från mitten av 1950-talet till mitten av 1960-talet, var introduktionen av transistorer . Transistorer var redan monterade på brädor nära till modernt utseende, installerade i rack. Som tidigare bestod den genomsnittliga processorn av flera sådana rack. Ökad prestanda, förbättrad tillförlitlighet, minskad strömförbrukning.

Det tredje steget , som kom i mitten av 1960-talet, var användningen av mikrochips . Ursprungligen användes mikrokretsar med låg integrationsgrad, som innehöll enkla transistor- och resistoraggregat, sedan, allt eftersom tekniken utvecklades, började mikrokretsar som implementerar individuella element i digitala kretsar att användas (först elementära nycklar och logiska element, sedan mer komplexa element - elementära register, räknare, adderare ), senare fanns det mikrokretsar som innehöll funktionella block av processorn - en mikroprogramenhet, en aritmetisk-logisk enhet , register , enheter för att arbeta med data och kommandobussar .

Det fjärde steget , i början av 1970-talet, var skapandet, tack vare ett genombrott inom tekniken, LSI och VLSI (stora respektive extra stora integrerade kretsar), en mikroprocessor  - en mikrokrets, på vars kristall alla huvudelement och block av processorn var fysiskt lokaliserade. Intel skapade 1971 världens första 4-bitars mikroprocessor 4004 , designad för användning i miniräknare. Gradvis började nästan alla processorer produceras i mikroprocessorformat. Länge var de enda undantagen småskaliga processorer hårdvaruoptimerade för att lösa speciella problem (till exempel superdatorer eller processorer för att lösa ett antal militära uppgifter) eller processorer som hade särskilda krav på tillförlitlighet, hastighet eller skydd mot elektromagnetiska pulser och joniserande strålning. Gradvis, med kostnadsminskningen och spridningen av modern teknik, börjar dessa processorer också tillverkas i mikroprocessorformat.

Nu har orden "mikroprocessor" och "processor" praktiskt taget blivit synonyma, men då var det inte så, eftersom vanliga (stora) och mikroprocessordatorer samexisterade fredligt i minst 10-15 år, och först i början av 1980-talet har mikroprocessorer ersatt sina äldre motsvarigheter. Ändå är de centrala bearbetningsenheterna i vissa superdatorer även idag komplexa komplex byggda på basis av mikrochips med en stor och extremt stor grad av integration.

Övergången till mikroprocessorer möjliggjorde sedan skapandet av persondatorer , som trängde in i nästan alla hem.

Den första allmänt tillgängliga mikroprocessorn var 4-bitars Intel 4004, som introducerades den 15 november 1971 av Intel Corporation. Den innehöll 2300 transistorer, körde med en klockfrekvens på 92,6 kHz [1] , och kostade $300.

Sedan ersattes den av 8-bitars Intel 8080 och 16-bitars 8086 , som lade grunden för arkitekturen för alla moderna stationära processorer. På grund av förekomsten av 8-bitars minnesmoduler släpptes den billiga 8088, en förenklad version av 8086 med en 8-bitars databuss.

Detta följdes av dess modifiering, 80186 .

80286 - processorn introducerade ett skyddat läge med 24-bitars adressering , vilket gjorde det möjligt att använda upp till 16 MB minne.

Intel 80386-processorn dök upp 1985 och introducerade förbättrat skyddat läge , 32-bitars adressering , som tillät upp till 4 GB RAM och stöd för en virtuell minnesmekanism. Denna serie av processorer är byggd på en registerberäkningsmodell .

Parallellt utvecklas mikroprocessorer, baserade på stackberäkningsmodellen .

Under åren av mikroprocessorer har många olika mikroprocessorarkitekturer utvecklats . Många av dem (i kompletterad och förbättrad form) används än idag. Till exempel Intel x86, som först utvecklades till 32-bitars IA-32, och senare till 64-bitars x86-64 (som Intel kallar EM64T). X86 - arkitekturprocessorerna användes ursprungligen endast i IBMs persondatorer ( IBM PC ), men används nu i allt större utsträckning inom alla områden av datorindustrin, från superdatorer till inbyggda lösningar. Arkitekturer som Alpha , POWER , SPARC , PA-RISC , MIPS (RISC-arkitekturer) och IA-64 ( EPIC-arkitektur ) kan också listas.

I moderna datorer är processorer gjorda i form av en kompakt modul (cirka 5 × 5 × 0,3 cm i storlek) som sätts in i en ZIF -sockel (AMD) eller på en fjäderbelastad design - LGA (Intel). En egenskap hos LGA-kontakten är att stiften överförs från processorhöljet till själva kontakten - uttaget som sitter på moderkortet. De flesta moderna processorer är implementerade som ett enda halvledarchip som innehåller miljoner, och på senare tid till och med miljarder transistorer. Dessutom, med tillväxten i storleken och komplexiteten hos halvledarkristaller, på 20-talet av XXI-talet, började uppdelningen av en enda stor kristall i flera mindre (de så kallade " chiplets "), installerade i en enda mikroenhet. att vinna popularitet . Detta gör att du kan öka utbytet av lämpliga mikrokretsar och minska värmeutvecklingen.

Von Neumann arkitektur

De flesta moderna persondatorprocessorer är i allmänhet baserade på någon version av den cykliska seriella databehandlingsprocessen som beskrivs av John von Neumann .

I juli 1946 skrev Burks, Goldstein och von Neumann en berömd monografi med titeln " A Preliminary Consideration of the Logical Design of an Electronic Computing Device ", som i detalj beskrev enheten och tekniska egenskaper hos den framtida datorn, som senare blev känd som " von Neumann-arkitekturen ". Detta arbete utvecklade idéerna som skisserades av von Neumann i maj 1945 i ett manuskript med titeln " First Draft Report on the EDVAC ".

Ett utmärkande drag för von Neumann-arkitekturen är att instruktioner och data lagras i samma minne.

Olika arkitekturer och olika kommandon kan kräva ytterligare steg. Till exempel kan aritmetiska instruktioner kräva ytterligare minnesåtkomster under vilka operander läses och resultat skrivs.

Kör cykelsteg:

  1. Processorn ställer in numret som är lagrat i programräknarregistret till adressbussen och avger ett läskommando till minnet .
  2. Det exponerade numret är minnesadressen ; Efter att ha mottagit adressen och läskommandot exponerar minnet innehållet lagrat på denna adress för databussen och rapporterar beredskap.
  3. Processorn tar emot ett nummer från databussen, tolkar det som ett kommando ( maskininstruktion ) från dess instruktionsuppsättning och exekverar det.
  4. Om den sista instruktionen inte är en hoppinstruktion , ökar processorn med ett (förutsatt att varje instruktionslängd är en) numret som är lagrat i instruktionsräknaren; som ett resultat bildas adressen för nästa instruktion där.

Denna cykel exekveras alltid, och det är han som kallas processen (därav namnet på enheten).

Under en process läser processorn en sekvens av instruktioner som finns i minnet och exekverar dem. En sådan sekvens av kommandon kallas ett program och representerar processorns algoritm . Ordningen på läskommandon ändras om processorn läser ett hoppkommando, då kan adressen för nästa kommando visa sig vara annorlunda. Ett annat exempel på en processändring skulle vara när ett stoppkommando tas emot, eller när det växlar till avbrottstjänst .

Den centrala processorns kommandon är den lägsta nivån av datorkontroll, så utförandet av varje kommando är oundvikligt och ovillkorligt. Ingen kontroll görs av tillåtligheten av de utförda åtgärderna, i synnerhet kontrolleras inte eventuell förlust av värdefull data. För att datorn endast ska kunna utföra rättsliga åtgärder måste kommandona vara ordentligt organiserade i det önskade programmet.

Övergångshastigheten från ett steg i cykeln till ett annat bestäms av klockgeneratorn . Klockgeneratorn genererar pulser som fungerar som en rytm för centralprocessorn. Frekvensen på klockpulsen kallas klockfrekvensen .

Pipeline arkitektur

Pipeline-arkitektur ( eng.  pipelining ) introducerades i den centrala processorn för att öka prestandan. Vanligtvis, för att exekvera varje instruktion, krävs det att utföra ett antal operationer av samma typ, till exempel: hämta en instruktion från RAM , dekryptera en instruktion, adressera en operand till RAM, hämta en operand från RAM, exekvera en instruktion , skriver ett resultat till RAM. Var och en av dessa operationer är förknippade med ett steg i transportören. Till exempel innehåller en MIPS-I mikroprocessorpipeline fyra steg:

När det e steget av rörledningen är frigjort börjar den omedelbart arbeta med nästa instruktion. Om vi ​​antar att varje steg i pipelinen tillbringar en tidsenhet på sitt arbete, så kommer utförandet av ett kommando på en pipeline med en längd av steg att ta tidsenheter, men i det mest optimistiska fallet är resultatet av exekvering av varje nästa kommando kommer att erhållas varje tidsenhet.

Faktum är att i frånvaro av en pipeline kommer exekveringen av kommandot att ta tidsenheter (eftersom exekveringen av kommandot fortfarande kräver hämtning, dekryptering, etc.), och exekveringen av kommandon kommer att kräva tidsenheter; när du använder en pipeline (i det mest optimistiska fallet) tar det bara tidsenheter att utföra kommandon.

Faktorer som minskar effektiviteten hos transportören:

  1. En enkel pipeline när vissa steg inte används (exempelvis att adressera och hämta en operand från RAM behövs inte om instruktionen fungerar med register).
  2. Väntar: om nästa kommando använder resultatet av det föregående, kan det sista inte börja exekvera före exekveringen av det första (detta övervinns genom att använda utförande av kommandon).
  3. Rensa pipelinen när en greninstruktion träffar den (det här problemet kan jämnas ut med grenförutsägelse).

Vissa moderna processorer har mer än 30 steg i pipelinen, vilket förbättrar processorns prestanda, men leder dock till en ökning av vilotiden (till exempel i händelse av ett fel i villkorlig grenförutsägelse). Det finns ingen konsensus om den optimala pipelinelängden: olika program kan ha väsentligt olika krav.

Superskalär arkitektur

Möjligheten att exekvera flera maskininstruktioner i en processorcykel genom att öka antalet exekveringsenheter. Framväxten av denna teknik har lett till en betydande ökning av prestanda, samtidigt finns det en viss gräns för tillväxten av antalet verkställande enheter, över vilken prestandan praktiskt taget slutar växa, och verkställande enheterna är inaktiva. En dellösning på detta problem är till exempel Hyper-threading-tekniken .

CISC-processorer

Komplex instruktionsuppsättning dator - beräkningar med en komplex uppsättning kommandon. En processorarkitektur baserad på en sofistikerad instruktionsuppsättning. Typiska representanter för CISC är mikroprocessorer av x86- familjen (även om dessa processorer i många år endast har varit CISC av ett externt instruktionssystem: i början av exekveringsprocessen bryts komplexa instruktioner upp i enklare mikrooperationer (MOS) som exekveras av RISC- kärnan ).

RISC-processorer

Reducerad instruktionsuppsättning dator - beräkningar med en förenklad uppsättning instruktioner (i litteraturen översätts ordet reducerad ofta felaktigt som "reducerad"). Processorernas arkitektur, byggd på basis av en förenklad instruktionsuppsättning, kännetecknas av närvaron av instruktioner med fast längd, ett stort antal register, register-till-register-operationer och frånvaron av indirekt adressering. Konceptet RISC utvecklades av John Cock från IBM Research, namnet myntades av David Patterson.

Förenklingen av instruktionsuppsättningen är avsedd att minska rörledningen, vilket undviker förseningar i driften av villkorliga och ovillkorliga hopp. En homogen uppsättning register förenklar kompilatorns arbete vid optimering av den körbara programkoden. Dessutom kännetecknas RISC-processorer av lägre strömförbrukning och värmeavledning.

Tidiga implementeringar av denna arkitektur inkluderade MIPS- , PowerPC- , SPARC- , Alpha- , PA-RISC-processorer . ARM-processorer används ofta i mobila enheter .

MISC-processorer

Minsta instruktionsuppsättning dator - beräkningar med en minsta uppsättning kommandon. Vidareutveckling av idéerna från teamet Chuck Moore, som anser att principen om enkelhet, som ursprungligen var för RISC-processorer, har bleknat i bakgrunden för snabbt. I loppets hetta för maximal prestanda har RISC kommit ikapp och gått om många CISC-processorer när det gäller komplexitet. MISC-arkitekturen är baserad på en stackberäkningsmodell med ett begränsat antal instruktioner (cirka 20–30 instruktioner).

VLIW-processorer

Mycket långt instruktionsord - ett extra långt instruktionsord. Arkitekturen för processorer med explicit uttryckt parallellism av beräkningar inkorporerade i processorinstruktionsuppsättningen. De är grunden för EPIC- arkitekturen . Den viktigaste skillnaden från superskalära CISC-processorer är att för CISC-processorer är en del av processorn (schemaläggaren) ansvarig för att ladda exekveringsenheterna, vilket tar ganska kort tid, medan kompilatorn ansvarar för att ladda datorenheterna för VLIW-processorn , vilket tar en avsevärd tid. mer tid (kvaliteten på nedladdningen och följaktligen prestanda bör teoretiskt sett vara högre).

Till exempel Intel Itanium , Transmeta Crusoe , Efficeon och Elbrus .

Flerkärniga processorer

Innehåller flera processorkärnor i ett paket (på ett eller flera chips).

Designade för att köra en enda kopia av ett operativsystem på flera kärnor, är processorer en mycket integrerad implementering av multiprocessing .

Den första flerkärniga mikroprocessorn var IBMs POWER4 , som dök upp 2001 och hade två kärnor.

I oktober 2004 släppte Sun Microsystems UltraSPARC IV -processorn med två kärnor , som bestod av två modifierade UltraSPARC III -kärnor . I början av 2005 skapades UltraSPARC IV+ med dubbla kärnor.

Den 9 maj 2005 introducerade AMD den första dual-core, single-chip-processorn för konsumentdatorer, Athlon 64 X2 med Manchester-kärnan. Leveranserna av de nya processorerna började officiellt den 1 juni 2005.

Den 14 november 2005 släppte Sun åttakärniga UltraSPARC T1 , med 4 trådar per kärna .

Den 5 januari 2006 introducerade Intel en dubbelkärnig processor på ett enda Core Duo-chip för den mobila plattformen.

I november 2006 släpptes den första fyrkärniga Intel Core 2 Quad -processorn baserad på Kentsfield-kärnan, som är en sammansättning av två Conroe-kristaller i ett paket. Efterkommande till denna processor var Intel Core 2 Quad på Yorkfield-kärnan (45 nm), som arkitektoniskt liknar Kentsfield, men har en större cache och driftsfrekvenser.

I oktober 2007 började den åttakärniga UltraSPARC T2 säljas , varje kärna har 8 trådar.

Den 10 september 2007 släpptes riktiga (i form av ett enda chip) fyrkärniga processorer för AMD Opteron -servrar till försäljning , som hade kodnamnet AMD Opteron Barcelona [2] under utvecklingen . 19 november 2007 såldes fyrkärnig processor för hemdatorer AMD Phenom [3] . Dessa processorer implementerar den nya mikroarkitekturen K8L (K10).

AMD har gått sin egen väg och tillverkar fyrkärniga processorer på en enda tärning (till skillnad från Intel, vars första fyrkärniga processorer faktiskt limmar ihop två dubbla kärnor). Trots all progressivitet i detta tillvägagångssätt var företagets första "quad-core", kallad AMD Phenom X4, inte särskilt framgångsrik. Dess släpar efter konkurrentens samtida processorer varierade från 5 till 30 procent eller mer, beroende på modell och specifika uppgifter [4] .

Under 1:a-2:a kvartalet 2009 uppdaterade båda företagen sina serier av fyrkärniga processorer. Intel introducerade Core i7- familjen , som består av tre modeller som körs på olika frekvenser. De viktigaste höjdpunkterna i denna processor är användningen av en tre-kanals minneskontroller (DDR3-typ) och emuleringsteknik med åtta kärnor (användbar för vissa specifika uppgifter). Dessutom, tack vare den allmänna optimeringen av arkitekturen, var det möjligt att avsevärt förbättra processorns prestanda i många typer av uppgifter. Den svaga sidan av plattformen som använder Core i7 är dess överdrivna kostnad, eftersom installationen av denna processor kräver ett dyrt moderkort baserat på Intel X58-kretsuppsättningen och en tre-kanals DDR3 - minnesuppsättning , vilket också för närvarande är mycket dyrt.

AMD introducerade i sin tur en rad Phenom II X4-processorer. Under utvecklingen tog företaget hänsyn till sina misstag: cachestorleken ökades (jämfört med den första generationen Phenom), processorer började tillverkas enligt 45-nm processteknik (detta gjorde det följaktligen möjligt att minska värmen förlust och avsevärt öka driftsfrekvenserna). Generellt sett är AMD Phenom II X4-prestanda i nivå med den tidigare generationens Intel-processorer (Yorkfield-kärna) och ligger långt efter Intel Core i7 [5] . Med lanseringen av den 6-kärniga processorn AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T har situationen förändrats något till förmån för AMD.

Från och med 2013 är processorer med två, tre, fyra och sex kärnor, samt två-, tre- och fyramodulers AMD-processorer av Bulldozer-generationen (antalet logiska kärnor är två gånger fler än antalet moduler) allmänt tillgänglig. I serversegmentet finns även 8-kärniga Xeon- och Nehalem-processorer (Intel) och 12-kärniga Opterons (AMD). [6]

Cachning

Cachning är användningen av extra höghastighetsminne (den så kallade cachen  - engelsk  cache , från franska  cacher  - "dölj") för att lagra kopior av informationsblock från huvudminnet (RAM), vars sannolikhet är hög. Inom en snar framtid.

Det finns cacher på 1:a, 2:a och 3:e nivåerna (betecknade med L1, L2 och L3 - från nivå 1, nivå 2 och nivå 3). 1:a nivåns cache har den lägsta latensen (åtkomsttid), men en liten storlek, dessutom görs 1:a nivås cache ofta multiporterade. Så, AMD K8-processorer kunde utföra både 64-bitars läsning och läsning, eller två 64-bitars läsningar per cykel, AMD K8L kan utföra två 128-bitars läsningar eller skrivningar i valfri kombination. Intel Core 2-processorer kan skriva och läsa 128-bitars per klocka. En L2-cache har vanligtvis betydligt högre åtkomstlatens, men den kan göras mycket större. Nivå 3-cachen är den största och är ganska långsam, men den är fortfarande mycket snabbare än RAM.

Harvard-arkitektur

Harvard-arkitekturen skiljer sig från von Neumann-arkitekturen genom att programkod och data lagras i olika minne. I en sådan arkitektur är många programmeringsmetoder omöjliga (till exempel kan ett program inte ändra sin kod under exekvering; det är omöjligt att dynamiskt omfördela minne mellan programkod och data); å andra sidan tillåter Harvard-arkitekturen effektivare arbete vid begränsade resurser, så den används ofta i inbyggda system.

Parallell arkitektur

von Neumann-arkitekturen har nackdelen att vara sekventiell. Oavsett hur stor datamatrisen behöver bearbetas, kommer var och en av dess byte att behöva gå igenom den centrala processorn, även om samma operation krävs på alla byte. Denna effekt kallas von Neumann flaskhals .

För att övervinna denna brist har processorarkitekturer föreslagits och föreslagits, som kallas parallella . Parallella processorer används i superdatorer .

Möjliga alternativ för en parallell arkitektur är (enligt Flynns klassificering ):

Digitala signalprocessorer

För digital signalbehandling , speciellt med begränsad behandlingstid, används specialiserade högpresterande signalmikroprocessorer ( digital signalprocessor , DSP ) med parallell arkitektur . 

Tillverkningsprocess

Inledningsvis får utvecklarna en teknisk uppgift, på grundval av vilken ett beslut fattas om vad arkitekturen för den framtida processorn kommer att vara, dess interna struktur, tillverkningsteknik. Olika grupper har till uppgift att utveckla motsvarande funktionsblock för processorn, säkerställa deras interaktion och elektromagnetiska kompatibilitet. På grund av det faktum att processorn faktiskt är en digital maskin som helt överensstämmer med principerna för boolesk algebra , byggs en virtuell modell av den framtida processorn med hjälp av specialiserad programvara som körs på en annan dator. Den testar processorn, utför elementära kommandon, betydande mängder kod, räknar ut interaktionen mellan olika block i enheten, optimerar den och letar efter fel som är oundvikliga i ett projekt på denna nivå.

Därefter byggs en fysisk modell av processorn av digitala grundmatriskristaller och mikrokretsar som innehåller elementära funktionsblock av digital elektronik, på vilka de elektriska och tidsmässiga egenskaperna hos processorn kontrolleras, processorarkitekturen testas, korrigeringen av fel hittas fortsätter, och frågor om elektromagnetisk kompatibilitet klargörs (till exempel med en nästan vanlig klockfrekvens på 1 GHz fungerar 7 mm ledare redan som sändande eller mottagande antenner).

Sedan börjar skedet av gemensamt arbete av kretsingenjörer och processingenjörer som med hjälp av specialiserad programvara omvandlar den elektriska kretsen som innehåller processorarkitekturen till en chiptopologi. Moderna automatiska designsystem gör det möjligt, i det allmänna fallet, att direkt erhålla ett paket med stenciler för att skapa masker från en elektrisk krets. I detta skede försöker teknologer implementera de tekniska lösningar som fastställts av kretsingenjörer, med hänsyn till den tillgängliga tekniken. Detta steg är ett av de längsta och svåraste att utveckla och kräver sällan kompromisser från kretsdesigners sida för att överge vissa arkitektoniska beslut. Ett antal tillverkare av skräddarsydda mikrokretsar (gjuteri) erbjuder utvecklare (designcenter eller fabrikslöst företag ) en kompromisslösning, där biblioteken av element och block som presenteras av dem, standardiserade i enlighet med den tillgängliga tekniken, vid designstadiet av processorn ( Standardcell ), används. Detta introducerar ett antal restriktioner för arkitektoniska lösningar, men steget med teknisk anpassning handlar faktiskt om att spela Lego. I allmänhet är anpassade mikroprocessorer snabbare än processorer baserade på befintliga bibliotek.

Nästa, efter designstadiet, är skapandet av en mikroprocessorchipprototyp. Vid tillverkning av moderna ultrastora integrerade kretsar används metoden för litografi . Samtidigt appliceras lager av ledare, isolatorer och halvledare växelvis på substratet för den framtida mikroprocessorn (en tunn cirkel av enkristallkisel av elektronisk kvalitet ( elektronisk kisel , EGS ) eller safir) genom speciella masker som innehåller slitsar . Motsvarande ämnen förångas i vakuum och avsätts genom maskens hål på processorchippet. Ibland används etsning när en aggressiv vätska korroderar områden av kristallen som inte är skyddade av en mask. Samtidigt bildas ett hundratal processorchips på substratet. Resultatet är en komplex flerskiktsstruktur som innehåller hundratusentals till miljarder transistorer. Beroende på anslutningen fungerar transistorn i mikrokretsen som en transistor, resistor, diod eller kondensator. Att skapa dessa element på ett chip separat, i det allmänna fallet, är olönsamt. Efter slutet av litografiproceduren sågas substratet till elementära kristaller. Till kontaktdynorna som är bildade på dem (gjorda av guld) löds tunna guldledare, som är adaptrar till kontaktdynorna i mikrokretshuset. I det allmänna fallet är vidare kristallens kylfläns och chiplocket fästa.

Sedan börjar testfasen av processorprototypen, när dess överensstämmelse med de angivna egenskaperna kontrolleras och de återstående oupptäckta felen söks efter. Först efter det sätts mikroprocessorn i produktion. Men även under produktionen sker en ständig optimering av processorn i samband med förbättring av teknik, nya designlösningar och feldetektering.

Samtidigt med utvecklingen av universella mikroprocessorer utvecklas uppsättningar av perifera datorkretsar som kommer att användas med mikroprocessorn och på basis av vilka moderkort skapas. Utvecklingen av en mikroprocessoruppsättning ( chipset , engelsk  chipset ) är en uppgift som inte är mindre svår än skapandet av det faktiska mikroprocessorchipset.

Under de senaste åren har det funnits en tendens att överföra några av chipsetkomponenterna (minneskontroller, PCI Express-busskontroller) till processorn (för mer information, se: System på ett chip ).

Processorns strömförbrukning

Processorns strömförbrukning är nära relaterad till processorns tillverkningsteknik.

De första x86-arkitekturprocessorerna förbrukade en mycket liten (med moderna standarder) mängd ström, vilket är en bråkdel av en watt . En ökning av antalet transistorer och en ökning av klockfrekvensen hos processorer ledde till en betydande ökning av denna parameter. De mest produktiva modellerna förbrukar 130 watt eller mer. Effektförbrukningsfaktorn, som var obetydlig till en början, har nu en allvarlig inverkan på utvecklingen av processorer:

Processorns drifttemperatur

En annan CPU-parameter är den högsta tillåtna temperaturen för en halvledarkristall ( TJMax ) eller processorns yta, vid vilken normal drift är möjlig. Många konsumentprocessorer kan användas vid yttemperaturer (chips) som inte är högre än 85 °C [7] [8] . Processorns temperatur beror på dess arbetsbelastning och på kylflänsens kvalitet. Om temperaturen överstiger det högsta tillåtna av tillverkaren finns det ingen garanti för att processorn kommer att fungera normalt. I sådana fall kan det uppstå fel i driften av program eller att datorn fryser. I vissa fall är irreversibla förändringar inom själva processorn möjliga. Många moderna processorer kan upptäcka överhettning och begränsa sin egen prestanda i detta fall.

Processorns värmeavledning och värmeavledning

Passiva radiatorer och aktiva kylare används för att ta bort värme från mikroprocessorer . För bättre kontakt med kylflänsen appliceras termisk pasta på processorns yta .

Mätning och visning av mikroprocessortemperatur

För att mäta temperaturen på mikroprocessorn, vanligtvis inuti mikroprocessorn, är en mikroprocessortemperatursensor installerad i mitten av mikroprocessorkåpan . I Intel-mikroprocessorer är temperatursensorn en termisk diod eller en transistor med en sluten kollektor och bas som en termisk diod, i AMD-mikroprocessorer är det en termistor.

Producenter

De mest populära processorerna idag producerar:

De flesta processorer för persondatorer, bärbara datorer och servrar är Intel-kompatibla vad gäller instruktioner. De flesta av de processorer som för närvarande används i mobila enheter är ARM -kompatibla, det vill säga de har en uppsättning instruktioner och programmeringsgränssnitt utvecklade av ARM Limited .

Intel-processorer : 8086 , 80286 , i386 , i486 , Pentium , Pentium II , Pentium III , Celeron (förenklad version av Pentium), Pentium 4 , Core 2 Duo , Core 2 Quad , Core i3 , Core i9 , Core i9 , Core i9 Xeon (serie av processorer för servrar), Itanium , Atom (serie av processorer för inbäddad teknik), etc.

AMD har i sin linje av x86-arkitekturprocessorer (analogerna 80386 och 80486, K6-familjen och K7-familjen - Athlon , Duron , Sempron ) och x86-64 ( Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Ryzen 3 , Ryzen 5 , Ryzen 9 , Ryzen 9 , Phenom , Opteron , etc.). IBM - processorer ( POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC ) används i superdatorer, 7:e generationens videoset-top-boxar, inbyggd teknologi; som tidigare använts i Apple-datorer .

Marknadsandelar av försäljningen av processorer för persondatorer, bärbara datorer och servrar per år:

År Intel AMD Övrig
2007 78,9 % 13,1 % 8,0 %
2008 80,4 % 19,3 % 0,3 %
2009 [10] 79,7 % 20,1 % 0,2 %
2010 80,8 % 18,9 % 0,3 %
2011 [11] 83,7 % 10,2 % 6,1 %
2012 65,3 % 6,4 % 28,3 %
2018 [12] 77,1 % 22,9 % 0 %
2019 [12] 69,2 % 30,8 % 0 %

Sovjetunionen/Ryssland

Kina

Japan

Megahertzmyten

En vanlig missuppfattning bland konsumenter är att högre klockade processorer alltid presterar bättre än lägre klockade processorer. I själva verket är prestandajämförelser baserade på klockhastighetsjämförelser endast giltiga för processorer som har samma arkitektur och mikroarkitektur .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 4004 datablad
  2. ↑ AMD Barcelona är redan till försäljning
  3. ↑ AMD Phenom: tester av en riktig fyrkärnig processor
  4. ↑ AMD Phenom X4 9850: om återställningsbara och icke-återställbara fel iXBT.com, 2008
  5. ↑ AMD Phenom II X4: tester av den nya 45-nm-processorn THG.ru
  6. ↑ AMD gav grönt ljus till 8- och 12-kärniga processorer i Opteron 6100-serien overclockers.ua
  7. ↑ R. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . EEE-TRANSAKTIONER OM TILLVERKNING AV ELEKTRONIKFÖRPACKNINGAR, VOL. 27, nr. 3, JULI 2004 164-176. IEEE (juli 2004). - "Halvledare: Den maximala nominella omgivningstemperaturen för de flesta kiselbaserade integrerade kretsar är 85 C, vilket är tillräckligt för konsumenttillämpningar, bärbara och datorprodukter." Enheter för militära och fordonstillämpningar är vanligtvis klassade till 125 C.". Datum för åtkomst: 26 maj 2015. Arkiverad från originalet 27 maj 2015.
  8. ↑ Ebrahimi Khosrow; Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer. En genomgång av kylteknik för datacenter, driftsförhållanden och motsvarande möjligheter för återvinning av spillvärme av låg kvalitet.  (engelska) . Recensioner av förnybar och hållbar energi 31 622-638. Elsevier Ltd (2014). - ", majoriteten av elektronikens termiska hanteringsforskningar 85 °C betraktar som den högsta tillåtna korsningstemperaturen för säker och effektiv drift av mikroprocessorer". Hämtad: 26 maj 2015.
  9. ↑ https://sweetcode.io/strategy-analytics-q1-2018-smartphone-apps-processor-market-share-chips-with-on-device-artificial-intelligence-ai-grew-three-fold/
  10. ↑ CNews 2010 AMD biter av marknadsandel från Intel (otillgänglig länk) . Hämtad 29 juni 2019. Arkiverad från originalet 7 juni 2015. 
  11. ↑ Intel stärker sin position på processormarknaden - Business - Marknadsundersökningar - Compulenta
  12. ↑ 1 2 PassMark CPU Benchmarks - AMD vs Intel Market Share
  13. ↑ RISC-processorer för kringutrustning
  14. ↑ Tillverkade i Japan mikroprocessorer

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Mikrokontroller
Arkitektur
8-bitars
16-bitars
32-bitars
Tillverkare
Komponenter
Periferi
Gränssnitt
OS
Programmering