Файл: "Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора".pdf

Обобщающее название для 32- и 64-битной инструкции RDRAND Intel Secure Key, позволяет использовать аппаратную реализацию генератора случайных чисел Digital Random Number Generator (DRNG). Инструкции используются в криптографических целях для генерации высококачественных и красивых случайных ключей.

Технология Intel Transactional Synchronization Extensions – New Instructions предполагает наличие возможностей надстройки над системой работы с кэшем процессора персонального компьютера, которая позволяет оптимизировать среду исполнения многопоточных прикладных приложений, но, конечно, только в том случае, если эти приложения используют специализированные прикладные программные интерфейсы TSX-NI.

1.3. Классификация процессора

По числу больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно [6].

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства «стыковки».

Классификация по назначению.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума [4].

Классификация по характеру временной организации работы.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

Классификация по количеству выполняемых программ.

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

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

1.4. Технология производства процессоров

Производство современных микропроцессоров состоит из двух основных этапов. Первый этап заключается в производстве специальной подложки, что осуществляют на своих заводах AMD и Intel. Второй этап представляет собой тестирование подложек, сборка и упаковка процессора. Последнюю операцию обычно выполняют в других странах, например, Коста-Рика, Малайзия, Филиппины. Это связано с малой стоимостью трудовых ресурсов.

Производство чипов основывается в наложении специальных слоёв. Вначале создаётся изолирующий слой, используемый в качестве электрического затвора. Далее налаживается фоторезистивный материал, лишние участки удаляются и под ними откроются участки диоксида кремния, удаляемый с помощью травления. После чего происходит удаление и фоторезистивного материала, за счет чего получается определённая структура на поверхности кремния. Затем выполняется фотолитография, с разными материалами, до получения желаемой трёхмерной структуры. Каждый слой легируется специальным веществом или ионами, за счет чего меняются электрические свойства. В каждом слое создаются окна, для подведения металлических соединений.

Производство подложек происходит из цельного монокристалла-цилиндра, которые нарезаются тонкими «блинами», и в последствии разрезаются на отдельные кристаллы процессоров. Для тестирования всех кристаллов на подложке используются электрические зонды. На каждом шаге производства выполняется сложное тестирование, позволяющее оценить качество выполняемой работы. Наконец, подложку разрезают на отдельные ядра, нерабочие ядра удаляются. Помещение для производства процессоров, рис. 1.2.

Рис. 1.2 – Помещение для производства процессоров

Производство процессоров начинается с выращивания монокристалла, для чего затравочный кристалл помещается в специальную ванну с расплавленным кремнием, находящийся чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами. После расплавления кремния, его можно легировать с помощью специальных веществ, меняющих его электрические свойства.

Монокристалл разрезается на «блины» с помощью кольцевой алмазной пилы. В процессе чего, поверхность подложек не идеально плоская, поэтому в дальнейшем будут выполняться дополнительные операции.

Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала, снимается толстый слой с подложек. В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм [8].

Последний шаг - полировка, которая сглаживает поверхность до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка выполняется с помощью смеси гранулированного диоксида кремния и гидроксида натрия.

Следующим шагом будут 450-мм подложки. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. На 300-мм подложке можно разместить более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

Легирование выполняется и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это необходимо для изменения электрических свойств определённых слоёв и областей, а не всей структуры кристалла

Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. Диффузия осуществляется с помощью твёрдых веществ или с помощью газов других источников легирующего вещества [12].

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то необходимо использовать маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на необходимые участки. Интегральные схемы имеют множество слоёв (21 и более), и для каждого из них необходима своя маска. Графическое представление использования маски, рис. 1.3.

Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, для создания шаблона.

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется специальная структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 21).

Рис. 1.3 – Графическое представление использования маски

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Жёсткое УФ-излучение, длинна волны 13,5 нм облучает специальный материал, проходя через маску, рис. 1.4.

Далее, удаляется ослабленный фоторезистивный материал, для получения доступа к диоксиду кремния. После травления и очистки происходит осмотр подложки, для принятия решения о переходе на новый этап производства [13].

 
Рис. 1.4 – УФ-излучение (длинна волны 13,5 нм) облучает фоторезистивный материал

Готовые подложки тестируются на установках зондового контроля. На контакты всех кристаллов наносятся контакты зонда, для проведения электрических тестов. С помощью специального программного обеспечения выполняется тестирование всех функций каждого ядра [14].

С помощью разрезания подложки получается множество отдельных ядер. На данном этапе установки зондового контроля будут выявлены, негодные кристаллы, рис. 1.5.

Рис. 1.5 – Разрезание подложек

Затем ядро связывается с процессорной упаковкой, в процессе чего используется специальный клейкий материал.

Далее создаются проводные соединения, которые связывают контакты и кристалл. Для чего, используются медные, алюминиевые или золотые соединения [15].

В большинстве случаев ядро заключается в пластиковую или керамическую упаковку, для предотвращения повреждений. В основном процессоры комплектуются распределителями тепла, которые обеспечивают защиту кристалла, и большую контактную поверхность с устанавливаемым кулером, рис. 1.6.

На последнем этапа выполняется тестирование полученного процессора, что выполняется при повышенных температурах, с учетом спецификаций данного процессора. Процессор в автоматическом режиме устанавливают в тестовый сокет, для выполнения анализа всех функций созданного процессора. 

 
Рис. 1.6 – Упаковка процессора с распределителем тепла

2. Современные процессоры

2.1. AMD Ryzen 7

В новой архитектуре AMD Zen процессора AMD Ryzen 7 1700 3.0GHz/16MB используется мощный механизм исполнения, а также поддерживается функция одновременной многопоточности (SMT). Ядра Zen разработаны для эффективного использования имеющихся ресурсов микроархитектуры для обеспечения максимальной вычислительной производительности. Новая трехуровневая кэш-память с низкой задержкой и новые алгоритмы предварительной выборки значительно уменьшают количество кэш-промахов и увеличивают пропускную способность по сравнению с предыдущей микроархитектурой.