Особености на съвременните процесори

Ключови понятия:
 Нанометрова технология
 Ултравиолетова литография
 “Tri-gate” транзистори
 Суперскаларна архитектура
 Многонишкова технология




Цел:
След запознаване с материала Вие трябва да можете да посочите
особеностите в архитектурата и основните характеристики на
съвременните процесори.

Съвременните процесори се характеризират със следното:
 Използване на силициеви подложки с по -голям диаметър (от 300 mm
2

нагоре), което позволява да се повиши рандеманът (процентът на годните
процесори) и така да се понижи цената им;
 Използване на все по-тънки силициеви подложки (от 0,775 mm надолу), което
позволява да се повиши тактовата честота на процесорите (от 5 GHz нагоре);
 Използване на пределно ултравиолетовата литография за отпечатване на
схемата на процесора върху подложката, с което се намалява дължината на
вълната на светлината, която достига до пластинката - това позволява да се
правят чипове с по-ниски разходи и с по-малки размери;
 Използване на нанометрова технология (от 22 nm надолу), с което се
намаляват размерите на транзисторите, на пътечките за адреси и данни и
др., т.е. увеличава се степента на интеграция - фиг.1;



Фиг.1. Тенденция в развитието на нанометровата технология

 Използване на транзистори с триизмерна структура (tri-gate), което позволява
да се увеличи скоростта на превключване и да се намалят утечните токове,
които са с паразитен характер - фиг.2. Крайният резултат от това е
възможността процесорът да работи с по-висока тактова честота при по-
ниски напрежения и да се намали консумацията му с близо 50%, поради
което някои автори наричат такива процесори "хладни".



Фиг.2. Транзистори с триизмерна структура

 Повишаване броя на транзисторите на един кристал (от 2 млрд. нагоре);
 Използване на биполярна технология за ядрото на процесора и MOS
технология за кеш паметта и останалите компоненти;
 Увеличаване на разрядността на шините за адреси (от 64 нагоре), с което се
увеличава обемът на директно адресируемата оперативна памет ;
 Увеличаване на разрядността на шините за данни (от 128 нагоре), с което се
увеличава точността на представяне на числата и се намалява времето за
извършване на операции с дълги операнди;
 Използване на схемния принцип за управление на основната част от
операциите и микропрограмния – за управление на някои по-рядко срещани
такива, напр., коренуването;
 Обединяване на CISC и RISC технологиите (процесорите PENTIUM са с RISC
ядро, но “погледнати отвън” са CISC, като благодарение на това е запазена
програмната съвместимост между различните поколения процесори на
INTEL);
 Увеличаване на броя на регистрите с общо предназначение и със специални
функции с възможност за динамично преименуване;
 Използване на отделни КЕШ памети за инструкции и за данни, т.е. на
Харвардска архитектура;
 Вграждане на КЕШ памет от 2-ро и 3-то ново и увеличаване на обема им;
 Откриване и коригиране на грешки при предаването на данни между
отделните нива на паметта;
 Използване на суперскаларна архитектура, характеризираща се с наличието
на няколко операционни блока (ядра) за числа съответно с фиксирана и с
плаваща запетая, които могат да функционират едновременно,
благодарение на което за един такт на процесора могат да бъдат изпълнени
повече от една инструкция;
 Използване на конвейерна организация на изчислителния процес в
отделните ядра;
 Вграждане на графични ядра с цел да се ускори обработката на големи
графични файлове, характерни за компютърните игри;
 Вграждане на DSP процесори с цел ускоряване на обработка на аудио- и
видео, т.е. на мултимедийна информация;
 Преподреждане на инструкциите в програмата (неподредено изпълнение на
инструкциите), което позволява едновременното натоварване на всички или
повечето ядра. Преподреждането може да се прави от компилатора или от
самия процесор – преди или след КЕШ-а за инструкции;
 Предсказване на преходите в програмата при инструкциите за условен
преход – статично, динамично, квазидинамично;
 Използване на многонишкова технология, което позволява всяко едно ядро
да обработва по две "софтуерни нишки";
 64-битовите процесори могат да работят и като 32-битови;
 Могат да работят с различни режими на адресиране – на INTEL или
MOTOROLA;
 Могат да стартират WINDOWS приложения под UNIX и обратно;

Като резултат от всичко това, непрекъснато се увеличава производителността на
процесорите на всеки ват изразходвана енергия.

В световен мащаб водещи производители на процесори са фирмите INTEL и AMD. В
табл. 1, 2 и 3 са показани основните характеристики на някои техни процесори.

Табл. 1

Табл. 2

Табл. 3

Фиг. 2. Микроархитектура на Ivy Bridge

След като INTEL бяха критикувани, че правят и представят значими подобрения в
технологиите си твърде рядко (веднъж на 4-5 години), фирмата въведе нов график
за представяне на продуктите си, наречен “тик-так“, който се състои от цикли с
период около 2 години. По време на “тик“-периода се представят продукти, базирани
на вече утвърдена платформа, но със значителни подобрения, докато при „так“ -
периода се представя напълно нова архитектура. Ivy Bridge се базира на успешните
Sandy Bridge процесори и неговата поява е “тик“-период. В „так”-периода през 2013 г.
ще се появи процесорът Haswell, който ще бъде разработен по същата 22 -
нанометрова технология, но ще притежава обновена микроархитектура.