XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Центральный процессор является основным вычислительным устройством, в задачу которого входит исполнение находящейся в памяти машины программы. Основные функциональные блоки процессора – арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

АЛУ осуществляет функции арифметической и логической обработки информации. Данный блок представляет собой комплекс специализированных операционных устройств, каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических и логических операций с определенными типами данных из всего разнообразия операций и типов обрабатываемых данных, предусмотренных системой команд конкретной ВМ.

УУ выполняет функции управления вычислительным процессом и осуществляет автоматическое исполнение программы, обеспечивая для этого следующие основные действия: извлечение из памяти очередных команд, их расшифровку и преобразование в последовательность стандартных элементарных операций, занесение в АЛУ исходных данных, сохранение полученных в АЛУ результатов. УУ обеспечивает синхронизацию работы процессора, оперативной памяти, а также других устройств ВМ.

История развития процессоров

Процессоры для персональных компьютеров получили свое распространение в семидесятых годах прошлого столетия. Они выпускались большим количеством производителей. Практически каждой компании в то время хотелось использовать для их производства только самые новые технологии. Однако, не все компании имели такой же успех как AMD и Intel. Одни производители полностью пропали с рынка, другие же перешли в другую сферу деятельности. Таким образом, на начало 21 века противостояние этих двух гигантов становится главным двигателем прогресса в области микроэлектроники.

2000-e годы

В 2001 году процессоры Pentium III получили ядро Tualatin и частоты до 1400 МГц. У AMD в это же время были очень удачные процессоры Athlon и Duron на ядре Thunderbird с частотами до 1400 МГц. Поскольку частоты превысили 1000 МГц, теперь проще называть их гигагерцами (ГГц).

Рисунок 1 – Процессор intel Pentium 3

Дальше началось захватывающее соревнование между Pentium 4 от Intel и Athlon XP от AMD. Pentium 4 начал с 1.4 ГГц в 2000 году и быстро дошел до 2 ГГц в 2001 году. Athlon XP в 2001 году смог покорить 1,6 ГГц. Так как производительность на МГц у него была выше, AMD ввела так называемый P-рейтинг, который показывал производительность процессоров Athlon XP относительно сопоставимого по мощности процессора Pentium 4 от Intel. Поэтому модель с реальной частотой 1.6 ГГц имела обозначение 1900+.

Рисунок 2 – Процессор intel Pentium 4

В 2002 году Pentium 4 достигли частот 3 ГГц, в 2003 — 3.2 ГГц, в 2004 — 3.4 ГГц, в 2005 — 3.8 ГГц. На этом диапазоне частот хотелось бы заострить внимание, поскольку становится заметным резкое замедление прироста частот. Процессоры уперлись в технологический потолок, даже сейчас большинство выпускаемых моделей имеют частоты из диапазона 3.2-3.8 ГГц, а ведь достигнуты они были почти 20 лет назад.

С трудом современные массовые процессоры перевалили потолок в 4 ГГц и сейчас штурмуют 5 ГГц. Intel Core i9-9900KS — первый процессор, который с заводскими настройками работает на частоте 5 ГГц по всем ядрам.

В 2006 году процессор Intel Pentium D960 работал на частоте 3.6 ГГц, Athlon 64 FX-60 на ядре Toledo, на 2.6 ГГц. Гонка частот практически остановилась.

Последующие Core 2 Duo и Core 2 Quad работали все на тех же частотах, что и предшественники. Процессоры Intel Core i3/i5/i7 на микроархитектуре Bloomfield, Gulftown, Sandy Bridge, Ivy Bridge, тоже работали на частотах до 4 ГГц.

Рисунок 3 – Процессор intel Core 2 Quad

2010-е годы

У AMD сменились процессоры Athlon 64 X2, Athlon II, Phenom, Phenom II, не выходя за рамки 4 ГГц. В 2011 году процессоры на архитектуре Bulldozer смогли в турбобусте покорить частоты выше 4 ГГц. У Intel первыми это смогли сделать Core i7 4790K, на ядре Haswell, в 2014 году.

Рисунок 4 – Процессор intel core i7

AMD и Intel вели жестокую борьбу за рынок процессоров и цифра 5 ГГц была очень важна. Битва за нее развернулась нешуточная, и победила в ней AMD с FX-9590 на ядре Vishera в 2013 году.

Но это была чисто маркетинговая победа, FX-9590 имел ужасающее энергопотребление в 220 ватт и невысокую производительность. Это не позволило ему стать массовым. Intel смогла достичь заветной цифры в 5 ГГц процессором Core i7-8086K на ядре Coffee Lake лишь в 2018 году.

Рисунок 5 – Процессор AMD FX-9590

Наши дни

На сегодняшний день массовые процессоры AMD Ryzen 3000-й серии и Intel Coffee Lake Refresh имеют частоты по всем ядрам в районе 3.9-4.7 ГГц и постепенно подбираются к 5 ГГц при нагрузке на все ядра.

Планы Intel, AMD и производителей ARM следующего поколения говорят, что мы на пороге небольшой технологической революции. Транзисторы с круговым затвором, техпроцесс 2 нм, 3D-компоновка, квантовые технологии — вот планы производства микросхем на ближайшие годы.

На отраслевой конференции IEDM 2021 компания Intel поделилась планами на ближайшую пятилетку. Она рассчитывает на фундаментальные технологические прорывы в следующих областях:

Упаковка микросхем с 10-кратным повышением плотности межсоединений.

Увеличение плотности размещения транзисторов в CMOS на 30–50%.

Первые в мире переключатели на основе GaN (нитрид галлия).

Новые концепции в физике, которые могут произвести революцию в вычислительной технике.

Рисунок 6 – Современные технологические процессы

Как показано на рис.6, современные технологические процессы используют полевые транзисторы с вертикальным затвором (FinFET). Сейчас происходит переход с технологии компоновки межсоединений EMIB (2.5 D) на Foveros Direct HBI (3D).

Технология трёхмерной компоновки Foveros Direct позволяет уменьшить шаг контактных площадок до 10 микрон, что сильно увеличивает плотность межсоединений.

Таким образом, к 2025 году все ведущие производители должны наладить производство CPU по техпроцессу 2 нм на транзисторах с круговым затвором. Это означает значительное повышение количества транзисторов на единицу площади кристалла. Процессоры нового поколения будут значительно мощнее существующих и гораздо энергоэффективнее. Десятки новых заводов помогут удовлетворить растущий спрос.

Список используемой литературы:

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. – Высш. шк., 2006.

2. История процессоров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://hi-tech.mail.ru/review/processors_history_computerbild/.

3. Эволюция процессоров. Часть 5: современность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ferra.ru/review/computers/processor-evolution-part-5.htm.

4. Как будут выглядеть процессоры после 2025 года [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/company/first/blog/598095/.

5. История создания процессоров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://brainfart.ru/istoriya-sozdaniya-proczessorov/.

Код для цитирования: Скопировать