От песка к компьютеру. Часть 1. Атомы и транзисторы
Все мы еще с уроков информатики знаем, что информация внутри компьютера передаётся при помощи нулей и единиц, но оказалось, что большинство айтишников, с которыми я общаюсь (и довольно хороших!) слабо представляют, как же, все-таки, устроен компьютер.
Как заставить песок делать то, чего мы от него хотим?
Для большинства людей познания устройства компьютера оканчиваются на уровне его составных элементов — процессор, видеокарта, оперативная память… Но что именно происходит внутри этих чёрных прямоугольничков после подачи питания — магия. В этой статье (скорей всего, даже серии статей) я постараюсь простым языком объяснить, как же устроены эти таинственные прямоугольнички.
Собираем компьютер из атомов
Путь познания мы начнем почти с самого низкого уровня абстракции — с уровня атомов. Все мы знаем, что почти вся электроника основана на кремнии, но почему же именно кремний?
По-хорошему нужно пройти полный курс полупроводниковых приборов, но я изложу принципиальные моменты, которые позволят увидеть более структурированную и ясную картину происходящего.
Орбитали и энергетические уровни
Для примера возьмем простейший атом — водород. Ядро водорода состоит из одного протона и он имеет всего один электрон, который (упростим для понятности изложения) вращается по круговой орбите.
Вернее будет сказать, что орбита не круговая, а сферическая, то есть, электрон создает вокруг ядра оболочку. Согласно Принципу Паули, по одной такой орбите в атоме может вращаться не более двух электронов. Орбитали бывают не только сферической формы (так называемые S-орбитали), но и, например, гантелеобразной формы (P-орбитали).
Орбитали образуют подуровни: например, две S-орбитали образуют S-подуровень, который может вместить два электрона; три P-орбитали образуют P-подуровень, он уже может уместить 6 электронов за счет взаимно перпендикулярного расположения орбиталей в пространстве. На подуровнях орбиталей более сложной формы можно разместить уже большее число электронов (D, F, G, H, I — подуровни вмещают соответственно 10, 14, 18, 22, 26 электронов).
Чем сложнее форма оболочки и чем дальше электрон от ядра, тем большую он имеет энергию. На картинке справа изображён пример энергетических уровней, которые может занимать электрон в отдельном атоме.
Последние два слова выделены не просто так: когда появляются соседние атомы, картина меняется. Например, если мы начнем сближать два атома водорода, то система, как известно, будет стремиться к минимуму энергии. Поэтому для объединения двух отдельных атомов водорода в молекулу H2 это должно быть энергетически выгодно!
И, действительно, энергетические уровни электронов каждого атома расщепляются, образуя два подуровня — верхний и нижний, которые становятся общими для теперь уже молекулы водорода. Как можно заметить, нижний подуровень обладает меньшей энергией, чем в отдельном атоме водорода, поэтому электроны его занимают и образуют молекулу, стягивая ядра, словно ремнями.
Атомы в кристалле
Если продолжать увеличивать число соседних атомов, то внутри крайних значений энергии расщеплённых уровней у двух соседних атомов появятся новые энергетические состояния (в виде дополнительной тонкой структуры). При достаточно большом количестве соседних атомов (то есть в кристалле вещества) дискретные разрешенные состояния сливаются в «полосы» — это знакомые многим валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона.
Носители заряда и проводимость
Электроны, имеющие энергию в валентной зоне, не участвуют в переносе заряда по кристаллу: они прочно «сидят» в связях, а для того, чтобы электрон мог перемещаться по кристаллу, ему нужно занять более высокий энергетический уровень. Это можно сделать, сообщив ему энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. При этом разрывается ковалентная связь, и в валентной зоне остается вакантное место — положительно заряженная «дырка».
Кремнию достаточно комнатной температуры, чтобы тепловые колебания кристалла разрывали ковалентные связи, образуя свободные носители заряда — дырки и электроны.
Полупроводники и диэлектрики
Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.
Полупроводники p- и n-типа
Все это увлекательно, но было бы достаточно бесполезно без легирования примесями.
Если атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заместить пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Пятый электрон не участвует в формировании ковалентных связей, он слабо связан с ядром и поэтому легко может перейти в зону проводимости и стать свободным носителем заряда, оставляя при этом неподвижный, положительно заряженный ион. Такая примесь называется донорной, а получившийся полупроводник — полупроводником n-типа (negative).
Если же атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заменить трехвалентным элементом, он сможет образовать лишь 3 из 4 ковалентных связей в решетке, так как для образования четвертой ему потребуется электрон из другой ковалентной связи. В такой комбинации образуется вакантное место — подвижная положительно заряженная дырка, и при этом остается неподвижный отрицательно заряженный ион примеси. Такая примесь называется акцепторной, а получившийся полупроводник — полупроводником p-типа (positive).
Обращаю внимание, что собственный полупроводник, полупроводник n-типа или p-типа являются электрически нейтральными и имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов. Разница лишь в том, что у легированных полупроводников «зеркальные» электронам и дыркам заряды — это неподвижные ионы примеси, прочно сидящие в кристаллической решетке. В нелегированном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок, в легированном же (например, донорном) количество электронов превышает количество дырок, так как большая часть из них заменена на неподвижные ионы примеси.
Диод
Если соединить теперь полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, мы получим диод. Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.
Рассмотрим, что же происходит на границе полупроводников. В n-полупроводнике высокая концентрация электронов, а в p-полупроводнике — низкая. Электроны, подобно газу, начнут перемещаться (диффундировать) из области с высокой концентрацией в область с более низкой.
Аналогично будут поступать и дырки из p-полупроводника.
Вследствие перемещений возникает диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации носителей заряда. Переходя через границу, подвижные носители заряда обнажают неподвижные ионы примеси, которые создают «останавливающее», противоположно направленное поле или, иначе, компенсирующий дрейфовый ток.
В отсутствие внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. Если внешнее поле приложено по направлению, оно компенсирует поле неподвижных ионов и открывает заслонку для диффузионного тока.
Если поле приложено в противоположном направлении, оно усиливает лишь дрейфовый ток, ничтожно малый, по сравнению с диффузионным.
Таким образом мы получаем элемент, который проводит ток в одну сторону и не проводит в другую.
Резисторно-диодная логика
Раз уж мы говорим о цифровой технике, отметим, что при помощи диода уже можно реализовать логические элементы И и ИЛИ:
Но для создания функционально полной системы логических функций, на основе которой можно получить любую логическую функцию, нам не обойтись без элемента НЕ.
Для создания этого элемента нам потребуется транзистор.
Транзистор
По сути, транзистор — это схема из двух диодов, включенных встречно. В отсутствие напряжения на среднем электроде (базе) ток между другими электродами не течет.
Создав разность потенциалов между эмиттером (электродом с повышенной концентрацией носителей заряда) и тонкой базой, мы создаем поток неосновных носителей заряда из эмиттера в базу, а в случае pnp-транзистора — дырки.
Так как концентрация дырок в эмиттере повышена, а база тонкая, ее объем заполняется дырками, и она превращается из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, соединяя между собой эмиттер и коллектор.
Инвертор
Подключив npn-транзистор следующим образом, мы получаем инвертор: при наличии лог 1 на базе транзистор открывается и соединяет выход с землей — лог 0. При лог 0 на базе — транзистор заперт и выход подтянут к питанию — лог 1.
Таким образом мы получаем управляемый напряжением электронный ключ, который позволяет создать логический элемент НЕ, а, следовательно, и функционально полную систему логических функций.
На этой ноте заканчиваем с физикой, электронами и дырками: мы имеем всё необходимое для создания вычислительного устройства.
Как заставить логические элементы что-либо вычислять, запоминать и выполнять инструкции — в следующей статье.
Черная пятница 2017 — VDS в Москве и Амстердаме
- Блог компании VDS.SH / DEDIC.SH
- Компьютерное железо
- Научно-популярное
- Физика
- Электроника для начинающих
Как работает CPU: интерактивный урок для начинающих
Simple CPU — маленький урок, который знакомит новичка с ключевыми понятиями информатики. Хотя урок далеко не полный и предназначен для «самых маленьких», но даже образованному человеку приятно видеть, насколько доступно и элегантно можно изложить сложный материал.
Урок состоит из 8 интерактивных примеров.
2. Логические операции на примере штриха Шеффера (NAND gate).
Штрих Шеффера (NAND gate)
3. Триггер. Демонстрирует, как хранится информация в компьютере. Верхний переключатель изменяет значение бита, а нижний включает/отключает хранение.
D-триггер (триггер задержки)
Восемь триггеров сохраняют 1 байт информации.
4. Логические операции AND, OR, XOR. Щёлкая мышкой по входящим значениям, можно наглядно посмотреть, как они работают.
Что делать с числами, которые мы храним в памяти?
5. На схеме показано устройство под названием сумматор, которое складывает два бита. Если нужно сложить несколько бит, то последовательно используется несколько сумматоров: вход одного (carry in) подключается к выходу другого (carry out).
Опять же, это интерактивная схема.
Далее, как из калькулятора сделать компьютер?
С точки зрения CPU, программа не отличается от данных в том смысле, что здесь такой же двоичный код. Но он воспринимаются как инструкции. Например:
| Инструкция | Код |
| «Добавить одно число к другому» | 00000001 |
| «Вычесть одно число из другого» | 00000010 |
У каждого байта в памяти есть свой адрес, так что мы можем обратиться к CPU и попросить сделать что-то с конкретным байтом. Например, если нужно обратиться к ячейке памяти № 5, то мы указываем её адрес 00000101.
Таким образом, команда «Сложить число в ячейке памяти № 5 с числом в ячейке памяти № 7 транслируется в машинный код:
00000001 00000101 00000111
(сложить)(адрес № 5)(адрес № 7)
Здесь автор предлагает поиграться с простым эмулятором процессора, указывая инструкции в отдельных ячейках памяти. При этом инструкции меняют значение других ячеек, где тоже хранятся инструкции. Можно придумать забавные рекурсии. Компьютер понимает три инструкции: сложение, вычитание и перемещение данных из одной ячейки в другую.
Об авторе
P.S. Интересно, что проект родился на форумах Reddit, а его автор — только что закончивший школу пользователь r00nk. Поскольку r00nk двоечник, его сейчас не берут ни в один хороший колледж, так что он пытается пройти курс информатики самостоятельно, попутно изучая OpenGL.
Как устроен процессор? Разбираемся вместе
В закладки
Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.
Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.
Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.
Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием
А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.
Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.
1. С чего все началось
Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.
Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:
Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.
2. Появление транзисторов
Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.
В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.
Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.
Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.
3. Как работает транзистор
Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.
Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.
Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние «0» или «1».
Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.
И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.
С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.
Но сначала разберемся с диодом
Кремний (он же Si – «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.
Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.
Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.
Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.
Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.
При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.
Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.
Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.
Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы «–» касался p-стороны пластины, а «+» – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.
Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. «+» от источника к p-стороне, а «–» – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.
Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.
Диод + диод = транзистор
Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».
У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».
Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив «+» контакт на «центральную» p-область (базу), а «–» контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.
4. Так как все-таки работает компьютер?
Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.
А теперь самое главное.
В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – «0».
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».
Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!
В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.
Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.
Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.
Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.
Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.
Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.
Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.
Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.
Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.
5. И началась транзисторная гонка
После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.
От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.
Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.
А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.
- 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
- 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
- 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
- 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
- 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
- 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
- 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
- 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
- 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
- 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
- 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.
Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.
6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше
На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:
Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.
Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.
Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.
В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:
- кэш-памяти;
- конвейера;
- встроенного сопроцессора;
- множителя.
Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.
Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.
В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.
Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.
Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.
В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.
Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.
Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:
В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.
В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.
Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.
7. Конец транзисторных соревнований близко
В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:
Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.
Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.
И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.
8. Что ждет «обычные» процессоры
«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.
И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.
Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.
К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!
Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.
Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.
Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.
Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.
9. Будущее за ARM
Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.
Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:
- сложность команд и откровенная их запутанность;
- высокое потребление энергии и выделение теплоты.
За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.
В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.
В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.
Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.
Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.
Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.
Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:
- мобильность;
- автономность.
x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.
10. Почему ARM – неоспоримый лидер
Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.
Но во сколько мощнее тот же айфон?
Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.
Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.
Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.
Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.
А ведь прошел всего один год.
Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.
Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.
Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?
11. Вместо вывода
Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.
Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.
Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?
Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.
Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.
На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.
И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.
Как устроен центральный процессор
Процессор — это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. Является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами. Современный микропроцессор — это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводков. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.
У процессора есть:
Тактовая частота процессора
Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах – количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Да, эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы вашего ПК, но производительность зависит далеко не только от неё. Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота. Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.
Разрядность процессора
Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может производиться машинная операция передачи информации.
Размерность технологического процесса
Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). С уменьшением размера уменьшается выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.
Сокет (разъем)
Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.
- PGA (Pin Grid Array) – корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты
- BGA (Ball Grid Array) – шарики припоя
- LGA (Land Grid Array) – контактные площадки
- Выработка
- Дешифрование
- Выполнение команды
- Обращение к памяти самого процессора
- Сохранение результатов
Кэш-память процессора
Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик, на которую стоит обратить внимание при выборе. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Этот вид памяти делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 — самый маленький и быстрый, L3 — самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.
Энергопотребление и тепловыделение
Чем выше энергопотребление процессора, тем выше его тепловыделение. TDP (Thermal Design Power) – параметр, указывающий на то количество тепла, которое способна отвести охлаждающая система от определенного процессора при наибольшей нагрузке. Значение представлено в ваттах при максимальной температуре корпуса процессора. ACP (Average CPU Power) – средняя мощность процессора, показывающая энергопотребление процессора при конкретных задачах.
Рабочая температура процессора
Наивысший показатель температуры поверхности процессора, при котором возможна нормальная работа (54-100 °С). Этот показатель зависит от нагрузки на процессор и от качества отвода тепла. При превышении предела компьютер либо перезагрузится, либо просто отключится. Это очень важная характеристика процессора, которая напрямую влияет на выбор типа охлаждения.
Множитель и системная шина
Front Side Bus – частота системной шины материнской платы. Тактовая частота процессора является произведением частоты FSB на множитель процессора. У большинства процессоров заблокирован разгон по множителю, поэтому приходится разгонять по шине.
Встроенное графическое ядро
Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.
Количество ядер (потоков)
Многоядерность одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Не так давно процессоры были одноядерными, их производительность на то время была достаточно хорошой, и не требовала увеличения мощности, когда процессоры уже уперлись в какой-то “потолок”. На замену одноядерным пришли процессоры с 2, 4 и 8 ядрами. Если 2 и 4-ядерные вошли в обиход очень быстро, процессоры с 8 ядрами пока не так востребованы. Для использования офисных приложений и серфинга в интернете достаточно 2 ядер, 4 ядра требуются для САПР и графических приложений, которым просто необходимо работать в несколько потоков. Что касается 8 ядер, очень мало программ поддерживают так много потоков, а значит, такой процессор для большинства приложений просто бесполезен. Обычно, чем меньше потоков, тем больше тактовая частота. Из этого следует, что если программа, адаптированная под 4 ядра, а не под 8, на 8-ядерном процессе она будет работать медленнее. Но этот процессор отличное решение для тех, кому необходимо работать сразу в большом количестве требовательных программ одновременно. Равномерно распределив нагрузку по ядрам процессора можно наслаждаться отличной производительностью во всех необходимых программ. В большинстве процессоров количество физических ядер соответствует количеству потоков: 8 ядер – 8 потоков. Но есть процессоры, где благодаря Hyper-Threading, к примеру, 4-ядерный процессор может обрабатывать 8 потоков одновременно.
Как это работает
Сам процессор представляет собой небольшую квадратную пластину (чип), внутри которой находятся миллионы транзисторов. Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру. Современные процессоры, как и первый, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие – операционную и операндную. Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра, которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:
Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти. Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления). Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают основные задачи: математические действия на основе арифметико-логического устройства; перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой; принятие решения по исполнению команды, и на его основе – выбор переключения на выполнения других наборов команд. Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ) В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт. Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя. Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще. Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор – «умирает» вся компьютерная система.
История создания. Дальнейшее развитие процессоров
В настоящее время технология развивается стремительно, каждый год появляется несколько новых микропроцессоров. Однако факторы, влияющие на это развитие, известны. Зная эти факторы, довольно уверенно можно предсказывать и основные пути развития процессоров в ближайшем будущем. Нам необходимо, выявить основную цель развития процессоров, определить ограничения, которые накладываются на процессоры, оценить существующие современные подходы построения микропроцессоров.
Устремления и ограничения — общая цель, которую стремятся достичь все разработчики микропроцессоров – получить процессор максимальной производительности с наименьшими затратами как в разработке, так и в производстве. При этом процессор должен быть как можно более универсален. Лишь при достаточно большой массовости производства можно разделить все расходы по разработке модели на такое количество выпущенных экземпляров, что цена одного процессора будет иметь разумный размер. Если же процессор найдет весьма узкое применение, то львиную долю его стоимости будут составлять расходы по собственно разработке процессора, а не расходы по его производству. Именно поэтому так дороги уникальные серверные и процессорные платформы, применяемые для нужд обороны и прочих малораспространенных задач. В общем случае, расходы по разработке, скажем, новой модели Celeron и какой-либо сложной специализированной структуры весьма сопоставимы. Однако цена специализированной системы будет превышать цену обычной в десятки раз.
Проще всего создать процессор, оптимизированный под одну-единственную задачу. В рамках этой задачи можно достичь пика производительности для данной элементной базы. Но в связи с универсальностью происходят потери в производительности. Борьба противоположных требований, при всей своей простоте, является основным фактором влияния. Другим фактором, является удобство применения процессора для разработки приложений. При разработке любого сложного проекта на каком-то этапе сама технология производства оказывается делом первостепенной важности. Качественная реализация проекта оказывается невозможной без применения специальных средств для контроля за качеством производимых программных продуктов. Именно в этом заключаются корни популярности объектно-ориентированного подхода в языках высокого уровня. В той же мере и на уровне машинных кодов удобство системы команд может оказывать большое влияние на качество работы. Чем удобнее окажется процессор для разработчиков, тем больше будет выпущено программных продуктов именно для этой платформы, и тем привлекательней окажется эта платформа для конечных пользователей. Процессор должен обладать максимальной производительностью, при этом он должен сохранять свою относительную универсальность, обеспечивающую массовость производства. Также процессор должен быть достаточно удобен для разработки сложных приложений. С учетом всех этих требований можно рассматривать ныне существующие модели, оценивать их перспективность и, до некоторой степени, предсказывать их дальнейшее развитие.
Самым существенным фактором, влияющим на архитектурные решения современных процессоров, является постоянное совершенствование технологии производства. Как следствие,- рост уровня интеграции, уменьшение задержек в транзисторах и связях, снижение энергопотребления при переключении транзистора.С ростом уровня интеграции увеличиваются ресурсы на кристалле и повышается тактовая частота работы, что позволяет повышать производительность процессоров. Первое направление связано с увеличением объёма внутренней кэш-памяти. Второе направление связано с реализацией в процессорах принципов конвейеризации и параллельной обработки в нескольких конвейерах на разных стадиях выборки и выполнения команд.
Практически все накопленные в процессе конкуренции различных фирм архитектурные решения находят своё воплощение в новых архитектурах. В архитектуре современных процессоров различных производителей много общего, и ставится вопрос об унификации архитектур. Современный процессор – это 64-разрядный суперконвейерный, суперскалярный процессор с RISC-операционным ядром и большим числом дополнительных блоков, реализующий динамическое исполнение команд. Для эффективной обработки данных мультимедиа и графики система команд современных процессоров расширяется за счёт специализированных команд мультимедийной обработки.
Для унификации структур обработки данных в структуры некоторых современных процессоров включают специальные преобразователи исходных кодов команд во внутренние машинные команды «исполнительного процессора». Масштабные исследования ведутся по созданию процессорных элементов и компьютеров в целом с использованием принципиально иной элементной базы: биполярных молекул, молекул ДНК, квантовых кубитов и света.