VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Цель работы

Проанализировать инновации в конструктивных решениях процессоров на рынке ЭВМ; выявить фирмы-лидеры на рынке ЭВМ; выделить основные характеристики существующих процессоров; рассмотреть конструкцию и назначение устройства.

Введение

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Глава 1

1.1. Назначение процессоров

Микропроцессор (МП) - это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора ПК. Термин “большая” относится не к размерам, а к количеству электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластинке. Их число достигает нескольких миллионов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор штырьками вставляется в специальное гнездо на системной плате, которое имеет форму квадрата с несколькими рядами отверстий по периметру. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле (или нескольких кристаллах) путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд (ЯМК). Из команд ЯМК составляют программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) компьютера. В ЯМК существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции, операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.

Назначение процессора:

1) управлять работой ЭВМ по заданной программе;

2) выполнять операции обработки информации.

Основные функции процессора:

1. чтение и дешифрация команд из основной памяти;

2. прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

3. чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

4. обработка данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

5. выборка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

1.2. Конструкция процессора

В состав процессора входят следующие устройства: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры процессорной памяти.

УУ управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе. УУ извлекает очередную команду из регистра команд, определяет, что надо делать с данными, а затем задает последовательность действий выполнения поставленной задачи. (Функцию устройства управления можно сравнить с работой дирижера, управляющего оркестром. Своеобразной "партитурой" для УУ является программа.)

АЛУ- вычислительный инструмент процессора; это устройство выполняет арифметические и логические операции по командам программы.

Регистры - это внутренняя память процессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. Предположим, что у процессора возникла необходимость сложить два числа. Для этого ему нужно считать из памяти первое слагаемое, затем - второе слагаемое, сложить их и, если необходимо, отправить результат снова в оперативную память. Стало быть, процессору необходимо где-то хранить первое и второе слагаемое, а затем и результат. Для этого служит внутренняя ячейка самого процессора, называемая сумматор, или аккумулятор. Кроме того, процессору необходимо знать, из какой ячейки оперативной памяти считывать очередную команду. Об этом ему сообщает содержимое его внутренней ячейки, называемой счетчиком команд. Сама команда после извлечения из оперативной памяти помещается в ячейку - регистр команд. Полученный после выполнения команды результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

Все устройства процессора обмениваются между собой информацией с помощью внутренней шины данных. Современные процессоры имеют и другие части, но три перечисленные выше, вместе со связующим звеном - внутренней шиной данных - необходимый минимум.

На кристалле микропроцессора могут размещаться дополнительные устройства, такие как кэш-память (Cache) и средства поддержки виртуальной памяти.

Кэш-память используется в качестве буфера между микропроцессором и менее быстродействующим ОЗУ. При отсутствии такого буфера процессору иногда приходится простаивать в ожидании поступления информации из ОЗУ. Если же предусмотрена быстродействующая кэш-память, то вероятность таких простоев резко сокращается.

Можно выделить 4 этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и запись результата.

Процессор должен выполнять команды программы, которые хранятся в оперативной памяти по определенным адресам. В команде указано, какие действия необходимо выполнить над данными (операндами), а также адреса данных. Таким образом, процессор должен иметь возможность подключиться к адресной шине и шине данных. Это обеспечивается подключением внутренней магистрали процессора к внешней магистрали через буферы адреса и данных.

Операции над данными производятся в сумматоре, а результат помещается в специальный регистр, называемый аккумулятором.

Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощённая структурная схема процессора.

Рисунок 2. Пример структуры простейшего процессора.

Рисунок 3. Конструкция процессора.

Рисунок 4. Архитектура процессора.

Рисунок 5. Упрощённая схема процессора.

Рисунок 6. Модель архитектуры процессора Pentium 4

1.3. Характеристики процессора

• Тактовая частота.

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

• Разрядность процессора.

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

• Адресное пространство.

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

1.4. Принципы Джона фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, общих принципах, сформулированных в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. ЭВМ состоит из процессора, памяти и внешних устройств.

2. Единственным источником активности ЭВМ является процессор, который управляет программами, находящимися в памяти ЭВМ.

3. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации.

4. В любой момент времени процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора – счетчика программ.

5. Обработка информации проходит только в регистре процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и набором.

6. В каждой программе зашифровано следующее предписание: из каких ячеек взять на обработку информацию; какие совершить действия над информацией; в какие ячейки памяти направить полученную информацию; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда брать следующую команду.

7. Процессор исполняет программу команду за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

• Принцип программного управления.

Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп". Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

• Принцип однородности памяти.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции; перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

• Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без "счетчика команд", указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Глава 2

2.1. Инновации конструктивных решений процессоров. Анализ нововведений

Развитие вычислительной техники идет непрерывно. Постоянно конструкторы ищут новые пути совершенствования своих изделий. Наиболее ценным ресурсом процессоров является их производительность. По этой причине изобретаются разнообразные приемы повышения производительности процессоров.

Одним из таких приемов является экономия времени за счет предсказания возможных путей выполнения разветвляющегося алгоритма. Это осуществляется с помощью блока предсказания адреса. Идея его работы похожа на идею работы кэш-памяти.

Как известно, существуют линейные, циклические и разветвляющиеся вычислительные процессы. В линейных алгоритмах команды выполняются в порядке их записи в оперативной памяти: последовательно одна за другой. Для таких алгоритмов введенный в процессор блок предсказания адреса перехода не может дать выигрыша.

В разветвляющихся и циклических алгоритмах выбор команды определяется результатами проверки условий ветвлений. Если ждать окончания вычислительного процесса в точке ветвления и затем выбирать из ОЗУ нужную команду, то неизбежно появятся потери времени из-за непроизводительного простоя процессора (считывание команды из ОЗУ идет медленно).

Блок предсказания адреса перехода работает на опережение и пытается заблаговременно предсказать адрес перехода, чтобы заранее перенести нужную команду из медленной оперативной памяти в специальный быстрый буфер перехода ВТВ (Branch Target Buffer).

Когда буфер ВТВ содержит правильное предсказание, переход происходит без задержки. Это напоминает работу кэш-памяти, у которой также бывают промахи. Из-за промахов операнды приходится считывать не из кэш-памяти, а из медленной ОП. Из-за этого происходит потеря времени.

Реализацию идеи предсказания адреса перехода осуществляют в процессоре два независимых буфера предварительной выборки. Они работают совместно с буфером предсказания переходов, причем один из буферов выбирает команды последовательно, а второй – согласно предсказаниям ВТВ.

Процессор Pentium имеет два пятиступенчатых конвейера для выполнения операций с фиксированной точкой. Кроме того, в процессоре имеется конвейер с восьмью ступенями для вычислений с плавающей точкой. Такие вычисления требуются при выполнении математических расчетов, а также для быстрой обработки динамических трехмерных цветных изображений.

Производительность, безусловно, важный показатель работы ЭВМ. Однако не менее важно, чтобы быстрые вычисления происходили при малом числе ошибок.

В процессоре имеется устройство самотестирования, которое автоматически проверяет работоспособность большинства элементов процессора.

Кроме того, выявление сбоев, произошедших внутри процессора, осуществляется с помощью специального формата данных. К каждому операнду добавляется бит четности, в результате чего все циркулирующие внутри процессора числа становятся четными. Появление нечетного числа сигнализирует о случившемся сбое. Наличие нечетного числа – это как бы появление фальшивой банкноты без водяных знаков.

Развитие архитектуры процессоров идет по пути постоянного увеличения объемов кэш-памятей первого и второго уровней. Исключением стал процессор Pentium 4, у которого объем кэш-памяти неожиданно снизился по сравнению с Pentium III.

Для повышения производительности в новых конструкциях процессоров создают две системные шины, работающие с разными тактовыми частотами. Быстрая шина используется для работы с кэш-памятью второго уровня, а медленная – для традиционного обмена информацией с другими устройствами, - например, ОЗУ. Наличие двух шин исключает конфликты при обмене информацией процессора с основной памятью и кэш-памятью второго уровня, находящейся за пределами кристалла процессора. Следующие за Pentium процессоры содержат большое число ступеней в конвейере. Это уменьшает время выполнения каждой операции в отдельной ступени, а значит, позволяет поднять тактовую частоту процессора.

В процессоре Pentium Pro (P6) применен новый подход к порядку выполнения команд, последовательно расположенных в ОЗУ.

Новый подход (он называется опережающим) заключается в использовании так называемого пула команд. При этом команды могут выполняться в произвольном порядке по мере их готовности (независимо от расположения в ОЗУ). Однако конечный результат формируется всегда в соответствии с исходным порядком команд в программе.

Единицами измерения быстродействия процессоров (и ЭВМ) могут служить:

– МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллион команд (инструкций) над числами с фиксированной точкой за секунду;

– МФЛОПС (MFLOPS – Mega Floating Operation Per Second) – миллион операций над числами с плавающей точкой за секунду;

– ГФЛОПС (GFLOPS – Giga Floating Operation Per Second) – миллиард операций над числами с плавающей точкой за секунду.

Имеются сообщения о самом быстром в мире компьютере ASCI White (корпорация IBM), быстродействие которого достигает 12,3 ТФЛОПС (триллиона операций).

2.2. Фирмы-лидеры на рынке ЭВМ

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 740 кГц и стоил 300 долл.

За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC - архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel,AMDиIBM.

Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium («пень», «пенёк», «второй пень», «третий пень» и т. д. Наблюдается также возврат названий: Pentium III называют «тройкой», Pentium 4 - «четвёркой»), Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др.

AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.).

Вечные соперники

После долгой и упорной борьбы за лидерство среди производителей процессоров, наконец, определились победители – ими являются Intel и AMD. Обе корпорации заслуживают первого места – и те, и другие внесли огромный вклад в развитие микропроцессоров для ПК и не только. Но в настоящее время Intel все же чуть опережает AMD своими передовыми технологиями. Удастся ли AMD восстановить равновесие? Узнаем это в ближайшем будущем.

2.3. Особенности, различия, перспективы конструктивных решений процессоров Intel и AMD

Технология

Intel придерживается стандарта EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing). Данная технология создавалась специально для крупных серверов и некоторых рабочих станций. Возможности EPIC огромны: во-первых, это высокая скорость выполнения операций с плавающей запятой. Во-вторых, поддержка распараллеливания. И, в-третьих, благодаря улучшению считывания данных из памяти, скорость обмена информацией резко возрастает.

AMD избрал иной путь к 64-разрядности. Производители прибавили 32 к уже имеющимся разрядам и получили новую архитектуру x86-64. Новая технология отличается от старой лишь префиксом 64. В новом процессоре был сделан ряд улучшений, в первую очередь ядра процессора. Это позволило получить новый уровень быстродействия как для 32, так и для 64-разрядных систем.

Итоги: AMD переходит на новый уровень без применения новых технологий. Это приводит к полной совместимости как 32, так и 64-разрядных приложений. Intel же стремится показать себя лишь в 64 разрядах.

Архитектура

В новых процессорах были сделаны большие изменения, которые повлекли за собой производительность и совместимость со старыми платформами.

В AMD были добавлены режимы совместимости и 64-битные адресные регистры. Они позволяют расширить адресуемое пространство оперативной памяти и избавиться от существующего ограничения в 4 Гб, которое создает ощутимые трудности при построении систем обработки информации. Для ускорения работы с памятью используется технология NUMA, позволяющая работать напрямую с памятью, минуя системную шину и набор микросхем. Такое нововведение было названо HyperTransport и появилось в первом чипсете Golem.

В Intel все намного сложнее. Из-за интенсивного пути развития, компания в корне поменяла архитектуру.

1. Режимы совместимости со старыми платформами.

2. Уменьшение количества ошибок, так как против них созданы две независимых технологии. Главной является EMCA, которая позволяет вести контроль и протоколирование всех ошибок, возникающих во время работы процессора. И второстепенная технология ECC, позволяющая предварительно обрабатывать код и вести контроль четности.

3. Поддержка многопроцессорности. Так как компания Intel ориентировала свой процессор для крупных серверов, то позаботилась и о мультипроцессорности. Процессор был снабжен рядом микросхем, которые позволяют вести быстрый обмен с памятью. Теперь для работы с «мозгами» используются методы чередования, буферизации и деления модулей памяти. При этом процессор работает с 64 гигабайтами оперативки с пропускной способностью 4,2 Гб/сек.

Совместимость

Intel создал ряд регистров для полной совместимости старых приложений. В итоге получается, что все 64-разрядные инструкции выполняются как обычно, иные же обрабатываются технологией IA-32.

В AMD все намного сложнее. Для улучшения производительности со старыми платформами были придуманы специальные режимы.

Архитектура AMD 64 предусматривает два главных режима работы: Long и Legacy. В первом открываются все достоинства технологии x86-64. Для полной совместимости над старыми приложениями существует подрежим совместимости, в котором способны обрабатываться 32/16-разрядные инструкции. В режиме Legacy процессор работает по принципу обычной x86-архитектуры. Преимуществом такой системы режимов является то, что процессор можно эксплуатировать до выхода стабильных релизов 64-разрядных операционных систем.

Применение

Intel изначально поставил перед собой задачу – выполнить распараллеливание процессов в одном кремниевом устройстве. Как правило, этот процессор используют на мощных серверах с большими базами данных либо в банковских системах, где нельзя ошибаться. AMD же ориентировался как нечто среднее между 32 и 64 разрядами. Конечно, он встречается в крупных серверах, но также может использоваться в обычных рабочих станциях, ибо подстроен как под x86-64, так и под x86-архитектуру.

Цена

Intel просит за свое изобретение $1200. Причем раньше процессор стоил в три раза дороже: около $4k. Учитывая, сколько будет стоить материнская плата под процессор, можно сделать вывод: денег на сервер придется потратить немало.

У AMD цена на Athlon 64 составляет всего $417. Остальные 64-разрядные процессоры стоят от $300 до $600, что значительно ниже цен Intel.

Основные недостатки процессоров фирм AMD и Intel

Работают процессоры Athlon XP и Pentium 4 в разных приложениях очень по-разному. Например, в сложных математических вычислениях, архивации, кодировании в MPEG4, P4 часто "обыгрывает" AXP. Но есть и ряд программ, лучше работающих с AXP. В основном это - игры. Для обычного пользователя стоит ориентироваться именно на них, так как перекодировка в любом случае требует много времени, а играм, наоборот, необходимо провести все вычисления как можно быстрее. Уже выпущены процессоры AXP Barton с 400Mhz шиной и принципиально новые K8.

2.4. Новые разработки компаний Intel и AMD Двухъядерный процессор

Двуядерные процессоры являются лучшим выбором для тех пользователей, кто желает собрать систему, максимально защищённую по инвестициям на будущее. Но эра одноядерных процессоров в многопроцессорных конфигурациях ещё не закончилась. В качестве примера можно привести цену разумного двухпроцессорного компьютера с одноядерными процессорами с системой, оснащённой передовым двуядерным процессором.

Популярные двуядерные процессоры AMD и Intel стоят около $1000 - примерно столько стоит целый готовый компьютер. В то же время, одноядерные процессоры, работающие на такой же тактовой частоте, обойдутся всего в $300-$350.

Технологии создания процессора со сдвоенным ядром

Сегодня существует три возможных способа создавать двуядерные чипы. Первый заключается в создании тесно связанных двух ядер на едином кристалле. Второй способ - сочетать два обычных ядра на едином кристалле. Третий вариант - разместить два ядра на разных кристаллах в одной упаковке. Первый подход тесно связанных ядер позволяет разработчикам связать между собой отдельные блоки процессора, что потенциально даёт возможность увеличения производительности, в то время как два других решения менее дорогие в разработке и производстве.

Последний вариант является самым дешёвым способом вступления в двуядерную эру, поскольку он позволяет получить максимально высокий уровень выхода годных кристаллов. При этом каждое ядро можно протестировать и отсеять по тем или иным дефектам.

У размещения двух в целом независимых ядер в одну упаковку есть существенный недостаток. Каждый раз, когда одно ядро пожелает получить данные, с которыми работает второе ядро, необходим доступ к системной шине. На шину в данном случае ляжет двойная нагрузка. И это характерно не только для 65-нм чипов Presler со сдвоенным ядром, но и для 90-нм двуядерных Smithfield, у которых два ядра находятся на едином кристалле. С другой стороны, дизайн с общим кэшем приводит к проблеме распределения кэша между двумя ядрами.

Intel анонсировала появление общего кэша L2 только в новой микро-архитектуре, которая появится во второй половине 2006 года: процессоры Woodcrest для серверов, Conroe для настольных ПК и Merom для мобильных компьютеров. Вероятно, AMD пойдёт на такой же шаг с выпуском процессоров для Socket M2: Windsor (двуядерный) и Orleans Athlon 64 (версия Revision F).

2.5. Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер — это механизм на стыке компьютерных наук и квантовой физики, самого сложного раздела теоретической физики. Ричард Фейнман, один из крупнейших физиков XX века, как-то сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую физику, значит, вы её не понимаете». Поэтому учтите, что последующие объяснения — невероятно упрощённые. На то, чтобы разобраться в квантовой физике, люди тратят долгие годы.

Квантовая физика занимается элементарными частицами меньше атома. То, как эти частицы устроены и как они себя ведут, противоречит многим нашим представлениям о Вселенной. Квантовая частица может находиться в нескольких местах одновременно — и в нескольких состояниях одновременно. Представьте, что вы подкинули монету: пока она находится в воздухе, вы не можете сказать, выпадет орёл или решка; эта монета — как бы орёл и решка одновременно. Примерно так ведут себя квантовые частицы. Это называется принципом суперпозиции.

Квантовый компьютер — это пока ещё гипотетическое устройство, которое будет использовать принцип суперпозиции (и другие квантовые свойства) для вычислений. Обычный компьютер работает с помощью транзисторов, которые воспринимают любую информацию как нули и единицы. Бинарным кодом можно описать весь мир — и решать любые задачи внутри него. Квантовый аналог классического бита называется кьюбит (qubit, qu — от слова quantum, квантовый). Используя принцип суперпозиции, кьюбит может одновременно находиться в состоянии 0 и 1 — и это не только значительно увеличит мощность по сравнению с традиционными компьютерами, но и позволит решать неожиданные задачи, на которые обычные компьютеры не способны.

Считается, что в квантовых компьютерах также будут применять квантовую запутанность.Это феномен, который Альберт Эйнштейн называл «жутким» (он вообще был против квантовой теории, потому что она не сочетается с его теорией относительности). Смысл феномена в том, что две частицы во Вселенной могут оказаться взаимосвязанными, причём обратно: скажем, если спиральность (есть такая характеристика состояния элементарных частиц, не будем вдаваться в подробности) первой частицы положительная, то спиральность второй всегда будет отрицательной, и наоборот. «Жутким» этот феномен называют по двум причинам. Во-первых, эта связь работает моментально, быстрее скорости света. Во-вторых, запутанные частицы могут находиться на любом расстоянии друг от друга: например, на разных концах Млечного Пути.

Учёные ищут квантовым компьютерам применение и одновременно разбираются, как их построить. Главное — то, что квантовый компьютер сможет очень быстро оптимизировать информацию и вообще работать с большими данными, которые мы накапливаем, но пока не понимаем, как использовать.

Давайте представим такой вариант (сильно упрощённый, конечно): вы собираетесь стрелять из лука в мишень и вам нужно высчитать, насколько высоко целиться, чтобы попасть. Скажем, нужно просчитать высоту от 0 до 100 см. Обычный компьютер будет высчитывать каждую траекторию по очереди: сначала 0 см, потом 1 см, потом 2 см и так далее. Квантовый же компьютер просчитает все варианты одновременно — и моментально выдаст тот, который позволит вам попасть ровно в цель. Таким образом можно оптимизировать много процессов: от медицины (скажем, раньше диагностировать рак) до авиации (например, делать более сложные автопилоты).

Ещё есть версия, что такой компьютер сможет решать задачи, на которые обычный компьютер просто не способен — или которые заняли бы у него тысячи лет вычислений. Квантовый компьютер сможет работать со сложнейшими симуляциями: например, высчитать, есть ли во Вселенной разумные существа, кроме людей. Не исключено, что создание квантовых компьютеров приведёт к появлению искусственного интеллекта. Представьте, что с нашим миром сделало появление обычных компьютеров — квантовые компьютеры могут стать примерно таким же прорывом.

Разработкой квантовых компьютеров занимаются все. Правительства, военные, технологические компании. Создать квантовый компьютер будет выгодно практически кому угодно. Скажем, среди документов, обнародованных Эдвардом Сноуденом, была информация о том, что у АНБ есть проект «Внедрение в сложные цели», куда входит создание квантового компьютера для шифрования информации. Microsoft всерьёз занимаются квантовыми компьютерами — первые исследования в этой области они начали ещё в 2007 году. IBM ведут разработки и несколько лет назад заявили, что создали чип с тремя кьюбитами. Наконец, Google и NASA сотрудничают с компанией D-Wave, которая заявляет, что уже сейчас выпускает «первый коммерческий квантовый процессор» (а точнее уже второй, сейчас их модель называется D-Wave Two), но он пока не работает как квантовый — их, напомним, не существует.

Исправление ошибок в квантовых компьютерах. Если упрощать, ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два уровня. Первый — это ошибки, которые совершают любые компьютеры, в том числе классические. В памяти компьютера может появиться ошибка, когда 0 непроизвольно меняется на 1 из-за внешнего шума — например, космических лучей или радиации. Эти ошибки решить легко, все данные проверяют на предмет таких перемен. И с этой проблемой в квантовых компьютерах как раз недавно справились в Google: они стабилизировали цепочку из девяти кьюбитов и избавили её от ошибок. В этом прорыве есть, впрочем, один нюанс: Google справились с классическими ошибками в классических вычислениях. Есть второй уровень ошибок в квантовых компьютерах, и его гораздо сложнее понять и объяснить.

Кьюбиты крайне нестабильны, они подвержены квантовой декогеренции — это нарушение связи внутри квантовой системы под воздействием окружающей среды. Квантовый процессор нужно максимально изолировать от окружающего воздействия (хотя декогеренция происходит иногда и в результате внутренних процессов), чтобы свести ошибки к минимуму. При этом от квантовых ошибок невозможно избавиться полностью, — но если сделать их достаточно редкими, квантовый компьютер сможет работать. При этом некоторые исследователи считают, что 99% мощности такого компьютера как раз направят на устранение ошибок, но и оставшегося 1% хватит для решения любых задач. По мнению физика Скотта Ааронсона, достижение Google можно считать третьим с половиной шагом из семи, необходимых для создания квантового компьютера, — иначе говоря, мы прошли половину пути.

2.6. Разработка микропроцессоров в России

Разработкой микропроцессоров в России занимаются ЗАО «МЦСТ» и НИИСИ РАН.

НИИСИ разрабатывает процессоры серии Komdiv на основе архитектуры MIPS. МЦСТ разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус. Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК.

История развития микропроцессора включает следующие этапы:

• 1998 год, SPARC-совместимый микропроцессор с технологическими нормами 500 нм и частотой 80 МГц.

• 2001 год, МЦСТ-R150 - SPARC-совместимый микропроцессор с технологическими нормами 350 нм и тактовой частотой 150 МГц.

• 2003 год, МЦСТ-R500 - SPARC-совместимый микропроцессор с технологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 500 МГц.

• 2004 год, Эльбрус 2000 (E2K) - микропроцессор нового поколения на полностью заказной технологии с технологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 300 МГц (авторские права защищены 70 патентами). E2K имеет разработанную российскими учёными вариант архитектуры явного параллелизма, аналог VLIW/EPIC.

• Январь 2005 года. Успешно завершены государственные испытания МЦСТ-R500. Этот микропроцессор явился базовым для пяти новых модификаций вычислительного комплекса Эльбрус-90микро, успешно прошедших типовые испытания в конце 2004 года.

• На базе МЦСТ-R500 в рамках проекта Эльбрус-90микро создан микропроцессорный модуль МВ/C, фактически являющийся одноплатной ЭВМ.

• На базе ядра МЦСТ-R500 начата разработка двухпроцессорной системы на кристалле (СНК). На кристалле будут также размещены все контроллеры, обеспечивающие её функционирование как самостоятельной ЭВМ. На базе СНК планируется создание семейств новых малогабаритных носимых вычислительных устройств - ноутбуков, наладонников, GPS-привязчиков и т. п.

• Май 2005 года - получены первые образцы микропроцессора Эльбрус 2000.

Восьмиядерный процессор «Эльбрус-8С», выпускаемый по технологическому процессу 28 нм, был представлен на четвёртой конференции «ИТ на службе оборонно-промышленного комплекса». Крупнейшее специализированное мероприятие, объединяющее разработчиков и ИТ-специалистов ВПК, началось 26 мая 2015 г. в г. Иннополис (Республика Татарстан) и продлится до 29 мая.

О завершающем этапе работ по созданию отечественного микропроцессора на новом для России техпроцессе объявил Александр Якунин – генеральный директор «Объединенной приборостроительной корпорации», входящей в «Ростех».

«Прорывной результат достигнут в рамках проекта «Байкал», который мы ведем совместно с компанией «Т-Платформы», – пояснил Александр Якунин. – Только что выпущен первый инженерный образец процессора «Байкал-Т» с революционным для России техпроцессом 28 нм.

Следующей российской разработкой будет новое поколение процессоров «Эльбрус» на таком же техпроцессе. Его создание вышло на завершающую стадию, очередной инженерный выпуск сейчас проходит тестирование».

Разработку «Эльбрус-8С» ведёт Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) имени И. С. Брука при участии компании МЦСТ. Его характеристики выглядят так:

• площадь кристалла 350 кв. мм;

• восемь идентичных процессорных ядер без гипертрединга;

• кэш второго уровня 512 KB на ядро;

• кэш третьего уровня – общий, 16 МБ;

• собственная архитектура «Эльбрус», разработанная в ЗАО «МЦСТ»;

• система команд с векторными ускорителями и инструкциями для ускорения математических расчётов, шифрования и обработки сигналов. Они не выделяются в отдельные расширения, а предусмотрены изначально;

• система оптимизирующей двоичной трансляции кода обеспечивает совместимость с архитектурами x86 / x86-64 при лицензионной независимости от Intel и достижении производительности на уровне 80% от нативной;

• возможность прямого исполнения команд без двоичной трансляции в двадцати дистрибутивах ОС и свыше тысячи популярных приложений (список быстро пополняется);

• встроенные механизмы защиты от запуска вредоносного кода: структурированная память с доступом к объектам через дескрипторы и контекстной защитой по языковым областям видимости; определение нарушения границ объекта (переполнения буфера), использования неинициализированных данных и опасных отклонений от стандартов программирования.

• поддержка четырёх слотов памяти стандарта PC3‑12800 (DIMM DDR3-1600);

• исполнение 30 операций за такт;

• тактовая частота 1.3 ГГц – планируемый частотный потолок, при котором возможна стопроцентная загрузка всех восьми ядер неограниченно долгое время в стандартных условиях. Для работы в неблагоприятных (и особенно – полевых) условиях эксплуатации для защиты от перегрева будет реализована схема автоматического снижения частоты (аналог throttling) и (временное) программное отключение отдельных ядер средствами операционной системы;

• пиковая производительность 250 Гфлопс на вычислениях с плавающей запятой одинарной точности (FP32) при полной загрузке всех блоков FPU;

• рассеиваемая мощность на уровне 60 – 90 Вт (расчётные показатели);

• процессор распаивается прямо на плате, что позволяет снизить затраты на корпусировку чипов и их отбраковку.

Работать «Эльбрус-8С» будет в паре с контроллером периферийных интерфейсов отечественной разработки — КПИ-2.

В этой микросхеме, пока выпускаемой по технологическому процессу 65 нм, реализована поддержка 20 линий шины PCI-Express 2.0 (8+8+4), трёх гигабитных сетевых контроллеров Ethernet, восьми портов SATA v.3.0 и восьми портов USB 2.0. Скорость обмена данными с процессором у КПИ-2 составляет 16 Гбайт/с. Помимо поддержки основных интерфейсов она содержит встроенный контроллер SPMC, обеспечивающий энергосберегающие функции, а также контроллер прерываний.

Аппаратная часть взаимодействует с операционной системой через собственный микрокод BIOS. Возможна работа с дистрибутивами Linux, FreeBSD, QNX, Windows XP, но для ответственных сфер применения рекомендуется ОС «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6.33. Коллективом МЦСТ проделана огромная работа по созданию ОС реального времени с собственными механизмами обработки прерываний, синхронизации, управления памятью и поддержки тегированных вычислений. Всё это направлено на раскрытие потенциала архитектуры отечественного процессора и защиты от распространённых эксплоитов.

Оптимизация кода программ с учётом архитектуры «Эльбрус» достигается за счёт применения специализированных средств разработки: оптимизирующих компиляторов с языков C и C++, Фортран и Java, отладчики, средства и библиотеки для распараллеливания вычислений. Среди последних возможно использование интерфейса передачи сообщений между процессами (MPI) и открытого стандарта OpenMP.

Рисунок 7. Развитие процессоров «Эльбрус».

Уже создаются служебные программы и вспомогательные компоненты, оптимизированные для выполнения на процессорах «Эльбрус». Это утилиты, сервисы, библиотеки общего назначения, поддержка баз данных, графическая подсистема (на базе Xorg, GTK+ и Qt), средства для работы с сетью и периферийными устройствами.

Первоочередная задача – выполнить импортозамещение на ключевых объектах ВПК и стратегически важных объектах российской инфраструктуры. В различных источниках уже говорилось о технической возможности создать троянскую закладку аппаратного уровня в процессорах Intel архитектуры Ivy Bridge, которую исключительно сложно обнаружить. Эта работа исследователей проводилась на базе университета штата Массачусетс и позиционировалась как доказательство концепции – подобные закладки можно создавать и в других процессорах.

«Применение техники с зарубежными ключевыми компонентами создает большие угрозы в критически важных для страны сферах управления и производства, – отмечает Александр Якунин. – Прежде всего, с точки зрения защиты данных и скрытых возможностей влияния на работу оборудования извне»

Государственные испытания процессора «Эльбрус-8С» назначены на конец этого года. В случае их успешного прохождения серийный выпуск начнётся уже в 2016 году. Пока речь идёт скорее о мелкосерийном производстве на уровне порядка 50 тысяч процессоров в год, но это уже огромный шаг для российской микроэлектроники.

«В конце этого – начале следующего года «Т-Платформы» должны завершить работу над новым процессором «Байкал-М», а в 2018 году мы планируем представить «Эльбрус-16С» на той же технологии 28 Нм, с частотой 1,5 ГГц и производительностью уже свыше 512 ГФлопс», – озвучивает ближайшие планы Александр Якунин. Уже известно, что следующий процессор «Эльбрус» будет исполнять 50 операций за такт. Его расчётная производительность будет выше, чем у «Эльбрус-8С», в 2,5 раза.

2.7. Экологически безопасные процессоры из древесины

Человечество стало ещё на один шаг ближе к полностью биоразлагаемым гаджетам. Ведь учёным из Университета Висконсина удалось разработать микропроцессор, который практически полностью создан из древесины. Потенциально это изобретение может положительно сказаться на экологии, учитывая, сколько десятков тысяч тонн электроники оказывается выброшенной на помойки ежегодно. Кто знает, может быть, в будущем компьютеры будут и вовсе целиком состоять из биоразлагаемых материалов.

Исследователи опубликовали результаты свои достижения в издании Nature Communications. При создании чипа из древесины Университету Висконсина помогали сотрудники Лаборатории департамента сельскохозяйственной продукции США. Большая часть микропроцессоров состоит из «поддерживающего слоя», на котором и расположен сам чип. Этот самый неразлагаемый слой и был заменён на материал, который получил название целлюлозный нанофибрилл (CNF).

CNF представляет собой гибкий материал, основанный на древесных волокнах, который является полностью биоразлагаемым, что делает процессор куда менее опасным для экологии.

«Наш микропроцессор настолько экологичен, что вы можете просто оставить его на опушке леса, а грибы полностью переработают его в пригодные для использования удобрения», — рассказывает журналистам профессор Женкьянг Ма.

Одной из проблем древесины как материала является её физическое расширение под воздействием влаги. Этот момент команда исследователей сумела преодолеть благодаря особой эпоксидной глазури, которой покрывается подложка чипа. В результате у команды получился абсолютно «зелёный чип», который недорог в производстве и куда менее токсичен для окружающей среды, нежели аналоги, применяемые в современной электронике.

Может быть, однажды мы с вами увидим полностью деревянные гаджеты для тех, кто особенно бережёт экологию и чистоту природы.

Заключение

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрует и выполняет команды программ, организует обращение к ОП, инициирует работу ПУ, воспринимает и обрабатывает внешние события. Процессор осуществляет управление взаимодействием всех устройств ЭВМ (при наличии специальных процессоров эти функции рассредоточиваются).

Следует отметить, что AMD удалось создать новую аппаратную платформу, которая призвана стать в самое ближайшее время технологической основой всех решений этой корпорации. Чтобы оценить серьезность намерений AMD, достаточно лишь отметить, что уже к середине 2005 года доля процессоров, основанных на 64-разрядных ядрах, превышает в спектре продукции AMD 50%. О поддержке 64-разрядной платформы AMD заявили едва ли не все ведущие производители аппаратного обеспечения, в том числе - разработчики наборов системной логики (nVidia, VIA, SiS, ULi), материнских плат (ASUS, MSI, TYAN, Gigabyte, ECS, AOPEN, EPoX и многие другие). Известные разработчики ПО, в том числе Microsoft, тоже не остаются в стороне, планируя к выпуску 64-разрядные версии своих продуктов.

После долгой и упорной борьбы за лидерство среди производителей процессоров, наконец, определились победители – ими являются Intel и AMD. Обе корпорации заслуживают первого места – и те, и другие внесли огромный вклад в развитие микропроцессоров для ПК и не только. Но в настоящее время Intel все же чуть опережает AMD своими передовыми технологиями. Удастся ли AMD восстановить равновесие? Узнаем это в ближайшем будущем.

Список литературы

Леонтьев В.П. Персональный компьютер // Москва, «Олма-пресс» - 2002.

Материалы ОАО «Объединенная приборостроительная корпорация»

Валиев К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // УФН. — 2005. — Т. 175.

Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Глав. ред. В. А. Садовничий, Ижевск: ИЖТ, 1999.

Ланина Э.П. История развития вычислительной техники // ИрГТУ, Иркутск – 2001.

Гук М., Юров В. Процессоры Pentium III, Athlon и другие // СПб: издательство «Питер» — 2000.

Оглавление

Цель работы…….......…………………………………………………….……. 1

Введение…………………….......…………………………………….………... 1

Глава 1.

1.1. Назначение процессоров………………………………………….……… 2

1.2. Конструкция процессора………………………………………….…...…. 3

1.3. Характеристики процессора……………………………………………… 8

1.4. Принципы Джона фон Неймана………………………………………….. 9

Глава 2.

2.1. Инновации конструктивных решений процессоров. Анализ

нововведений……………………………………………………...…….…. 11

2.2. Фирмы-лидеры на рынке ЭВМ…………………………………...…...… 14

2.3. Особенности, различия, перспективы конструктивных решений процессоров Intel и AMD………………………………......………...……….. 15

2.4. Новые разработки компаний Intel и AMD……………………...………. 18

2.5. Квантовые компьютеры…………………………………………...…...… 19

2.6. Разработка микропроцессоров в России………………...……………… 22

2.7. Экологические безопасные процессоры из древесины………...……… 27

Заключение………………………………………………………………....… 28

Список литературы…………………………………………………………... 29

38

Код для цитирования: Скопировать