Процессоры из чего делают: Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

Содержание

Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее…Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так «с лету» вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого — а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит.

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 — находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней — тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 — специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки — на ее обратной стороне есть большое количество золотистых «точек» — это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается «мостик» между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней — у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без «штырьков», поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где «штырьки» контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример — четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора — не одно и то же.

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип — графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

Российские процессоры «Эльбрус» могут оказаться ненужными рынку

Российская компания «МЦСТ», которая известная своими процессорами «Эльбрус», прогнозирует ощутимое снижение спроса на свою продукцию. 

Причина заключается в проекте изменений в постановление правительства «О подтверждении производства промышленной продукции на территории России», которое, по мнению компании, противоречит утверждённой летом президентом России Доктрине информационной безопасности, а также Стратегии развития электронной промышленности до 2030 года. 

В частности, имеется в виду разработанная Минпромторгом балльная система оценки техники для включения её в реестр российской радиоэлектронной продукции и отсрочка до 2024 года на обязательное использование отечественных процессоров. Глава «МЦСТ» отмечает, что по новым правилам и после 2024 года набрать допустимый проходной балл можно будет без применения отечественного процессора в изделии и обязательного монтажа в России системных плат, содержащих эти процессоры. Недостающие баллы можно будет получить, используя второстепенные электронные модули отечественного производства. 

Таким образом, у многих потенциальных клиентов «МЦСТ» отпадёт необходимость покупать процессоры «Эльбрус» и системы на их основе, так как будут более привлекательные варианты. Из-за этого могут стать невостребованными складские запасы процессоров и комплектующих для них на сумму более 20 млн долларов.  Также это приведёт к продолжению проникновения зарубежных решений в критическую инфраструктуру страны. А это уже является угрозой национальной безопасности, как считает глава компании.  

Представитель Минпромторга разъяснил, что указанный проект сейчас проходит межведомственное согласование. Обязательным условием для вычислительной техники в рамках этого проекта будет применение российского CPU или подтверждение затрат, направленных на закупку таких процессоров, разработку или производство. Производитель будет получать максимальное количество баллов при применении российского процессора в своей продукции, «проходной» балл для получения статуса будет возрастать ежегодно и со временем получить его без использования российского процессора будет невозможно, говорит представитель министерства.  

CryTech — как делают процессоры

Чипы производятся на поверхности тонких круглых пластин из чистейшего кремния путём многослойной обработки различными химикатами, газом и светом. Кремний для этой цели выбран не случайно, поскольку он относится к уникальному классу полупроводников – материалов, электрическая проводимость которых где-то между проводником и изолятором. Свойства кремния в процессе обработки могут быть изменены таким образом, что он становится или изолятором, препятствующим течению электрического тока, или проводником, пропускающим через себя электрический ток. Что касается физических размеров кремниевых пластин, используемых для масштабного производства, здесь всё логически понятно: чем больше диаметр пластины, тем выше выход готовых чипов с каждой пластины, и в то же время тем сложнее обрабатывать каждую пластину и снижать количество брака. До конца XX века в производстве преобладали пластины диаметром 200 мм (8 дюймов), однако на рубеже тысячелетий началось активное внедрение 300-мм (12-дюймовых) пластин. Сейчас многие компании активно разрабатывают планы использования 450-мм (15-дюймовых) пластин, однако на этом пути предстоит решить множество проблем до окончательного внедрения в массовое производство.

Физически процессор представляет собой миллионы или миллиарды транзисторов, объёдинённых между собой сверхтонкими алюминиевыми или медными проводниками. На практике процесс получения чипа сводится к созданию на поверхности чистой кремниевой пластины тонких слоёв различных материалов по точнейшим шаблонам. С учётом того, что речь идёт о формировании миллиардов элементов транзисторов, размеры которых составляют десятки и даже единицы нанометров, непосредственное нанесение этих элементов на пластину каким-либо физическим способом. Поэтому слои материалов осаждаются (или «выращиваются») на поверхности пластины, после чего ненужные материалы удаляются, и на поверхности остаётся лишь необходимое. Так на полированной поверхности кремниевой пластины под воздействием температуры «выращивается» изолирующий слой диоксида кремния, играющий одновременно роль затвора транзистора, с помощью которого регулируется прохождение тока.

Следующим в дело вступает процесс, называемый фотолитографией. Сначала на пластину наносится временный слой светочувствительного материала - «фоторезиста». С помощью ультрафиолета фоторезист экспонируется через специально подготовленный «трафарет» — «фотомаску», благодаря чему «засвечиваются» определённые участки фоторезиста. После этого экспонированные участки фоторезиста удаляются (по аналогии с проявлением фотоплёнки), и под ними открываются участки нанесённого ранее диоксида кремния.

Далее открытые участки диоксида кремния удаляют с помощью процесса под названием «etching», наиболее близкий перевод которого на русский язык звучит как «сухое травление». После удаления оставшегося фоторезиста на поверхности пластины остаётся рельефный рисунок из диоксида кремния, на который с помощью дополнительных этапов фотолитографии и сухого травления наносятся дополнительные материалы – вроде токопроводящего поликристаллического кремния. И далее – новый слой со своим уникальным рисунком, в результате чего формируется трёхмерная структура кристалла микросхемы.

Лишь на словах всё это звучит просто. На практике в процессе изготовления чипа применяется множество различных этапов химической и физической обработки. Например, процесс «легирования», при котором экспонированные области кремниевой пластины бомбардируют «ионами» различных химических добавок с целью получения областей различной (p- и n-) проводимости. Также важен процесс создания специальных межслойных «окошек», заполняемых металлическим проводником (в последнее время – всё чаще медью, хотя ранее широко применялся алюминий) для создания электрических соединений между слоями.

Весь процесс создания трёхмерных многослойных «небоскрёбов» может повторяться несколько десятков раз и занимать период в несколько недель.

Далее производится процесс тестирования, сборки и корпусировки чипов, после чего они поступают в розницу или компаниям, которые используют полученные чипы для создания конечных электронных устройств.

Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР

Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.

Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму — скажете фантастика?

А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению не Чебоксарский завод электроники.

Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.

Фотолитография

Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.

В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.

Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.

Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!

После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!

Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.

Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.

Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!

Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.

Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!

Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.

Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.

Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.

 

Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.

Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):

Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.

Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!

Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!

Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.

То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!

То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?

И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!

Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?

Как работает EUV-литография

Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!

Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 годов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!

В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!

 

Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.

Все совсем не так просто!

Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?

Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими!!! Практически идеально гладкими!

Вот вом аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее площадь должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же сможет подковать блоху?

Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.

Одна проблема решена — линзы есть!

Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!

Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!

А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.

И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.

Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.

В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.

Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.

 

И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.

Компания, стоящая за производством всех процессоров

О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал, но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!

В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?

Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идет об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.

Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии — Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!

Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!

Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!

Будущее

Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!

Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества потверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!

А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!

Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.

Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!

Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.

Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.

Сменят ли ARM процессоры x86 и почему все зависит от Apple

В мире электроники два лагеря: мобильные гаджеты с процессорами ARM и классические компьютеры с x86. В статье разберемся в отличиях и изучим тренд, который задала Apple, перейдя на собственный ARM-чип M1 в настольных ПК

Какими бывают процессоры: x86 и ARM

В мобильных устройствах (планшеты, смартфоны) и классических компьютерах (ноутбуки, настольные ПК, серверы) используются разные процессоры. Они по-разному взаимодействуют с операционными системами и программами — взаимной совместимости нет. Именно поэтому вы не сможете запустить привычные Word или Photoshop на своем iPhone или Android-смартфоне. Вам придется скачивать из AppStore или Google Play специальную версию софта для мобильных устройств. И она будет сильно отличаться от версии для настольного ПК: как визуально, так и по функциональности, не говоря уже о программном коде, который пользователь обычно не видит.

Сверху — материнская плата iMac предыдущего поколения с процессором Intel (x86), снизу — плата iMac 2021 года с чипом M1 (ARM) (Фото: Apple)

Процессоры для классических компьютеров строятся на архитектуре x86. Своим названием она обязана ранним чипам компании Intel c модельными индексами 8086, 80186 и так далее. Первым таким решением с полноценной реализацией x86 стал Intel 80386, выпущенный в 1985 году. Сегодня подавляющее большинство процессоров в мире с архитектурой x86 делают Intel и AMD. При этом у AMD, в отличие от Intel, нет собственного производства: с 2018 года им по заказу компании занимается тайваньская корпорация TSMC.

Процессор Intel 8086, 1978 год (Фото: wikipedia.org)

Когда Acer, Asus, Dell, HP, Lenovo и любые другие производители классических компьютеров используют процессоры Intel или AMD, то им приходится работать с тем, что есть. Они вынуждены закупать готовые решения без возможности гибко доработать чипы под свой конкретный продукт. А свои собственные процессоры на архитектуре x86 никто из производителей ПК делать не может. Дело не только в том, что это крайне сложно и дорого, но и в том, что лицензия на архитектуру принадлежит Intel, и компания не планирует ее ни с кем делить. AMD же воевала в американских судах за право создавать чипы на архитектуре x86 со своим главным конкурентом более десяти лет в 1980-х и 1990-х годах.

Процессоры для мобильных устройств строятся на базе архитектуры ARM. И это не какая-то быстро и внезапно взлетевшая вверх молодая компания. Корни истории современной британской ARM Limited уходят далеко в 1980-е. Только в отличие от своих доминирующих на рынке «больших» ПК-конкурентов ARM Limited процессоры не делает. Бизнес компании построен на том, что она продает лицензии на производство чипов по своей технологии всем желающим. Причем возможности для доработки у лицензиатов максимально широкие — отсюда популярность и многообразие решений. Именно на основе архитектуры ARM Huawei делает свои мобильные чипы Kirin, у Samsung это Exynos, у Apple — серия Ax. В этот же список входят Qualcomm, MediaTek, NVIDIA и другие компании. А еще свои процессоры на ARM делает Fujitsu. Японцы назвали их A64X, и именно они в количестве 158 976 штук используются в самом мощном на момент выхода этой статьи суперкомпьютере в мире — Fujitsu Fugaku.

Суперкомпьютер Fujitsu Fugaku (Фото: Riken)

Из открытого подхода ARM вытекает и главный недостаток: архитектура очень фрагментирована. Для x86 достаточно написать программу один раз, и она будет одинаково стабильно работать на всех устройствах. Для ARM приходится адаптировать софт под процессоры каждого производителя, что замедляет и удорожает разработку. Ну, а главный недостаток x86 вытекает из отсутствия конкуренции. В последние годы Intel, например, много упрекали за медленный или порой вовсе едва ощутимый прирост производительности от поколения к поколению. Также есть проблемы с высокими уровнями нагрева и энергопотребления.

Архитектура процессоров: CISC, RISC, и в чем разница

Ключевое отличие между x86 и ARM кроется в разной архитектуре набора инструкций. По-английски — ISA, Instruction Set Architecture. В основе x86 изначально лежала технология CISC. Это расшифровывается как Complex Instruction Set Command — вычислительная машина со сложным набором инструкций. «Сложность» здесь в том, что в одну инструкцию для процессора может быть заложено сразу несколько действий.

Полвека назад, когда первые процессоры только появились, программисты писали код вручную (сейчас для этого есть компиляторы). Одну сложную команду на старом низкоуровневом языке программирования Assembler написать было гораздо проще, чем множество простых, досконально разъясняющих весь процесс. А еще сложная команда занимала меньше места, потому что код для нее был короче, чем несколько отдельных простых команд. Это было важно, потому что объем памяти в те времена был крайне ограничен, стоила она дорого и работала медленно. Заказчики от этого тоже выигрывали — под любой их запрос можно было придумать специальную команду.

Но вот архитектура самого процессора страдала. По мере развития микроэлектроники в чипах с CISC копились команды, которые использовались редко, но все еще были нужны для совместимости со старыми программами. При этом под них резервировалось пространство на кристалле (место, где расположены физические блоки процессора). Это привело к появлению альтернативной технологии RISC, что расшифровывается как Reduced Instruction Set Command — вычислительная машина с сокращенным набором инструкций. Именно она легла в основу процессоров ARM и дала им название: Advanced RISC Machines.

Здесь ставку сделали на простые и наиболее востребованные команды. Да, код поначалу писать было сложнее, поскольку он занимал больше места, но с появлением компиляторов это перестало быть значимым недостатком. Результат — экономия места на кристалле и, как следствие, сокращение нагрева и потребления энергии. Плюс множество других преимуществ.

Почему о превосходстве ARM заговорили только недавно и при чем здесь Apple?

Если архитектура ARM так хороша, то почему же Intel и AMD не бросили все и не стали строить свои чипы на ней? На самом деле, они не оставили технологию без внимания, и к сегодняшнему дню CISC в чистом виде фактически уже не существует. Еще в середине 1990-х годов процессоры обеих компаний (начиная с Pentium Pro у Intel и K5 у AMD) обзавелись блоком преобразования инструкций. Сложные команды разбиваются на простые и затем выполняются именно там. Так что современные процессоры на архитектуре x86 в плане набора инструкций гораздо ближе к RISC, чем к CISC.

Кроме того, важно понимать, что противостояние x86 и ARM — это прежде всего противостояние Intel (потому что AMD гораздо меньше во всех отношениях: от капитализации до доли на рынках) и множества разрозненных производителей чипов для мобильных устройств. Долгое время два направления развивались как бы отдельно друг от друга. У Intel не получалось сделать достаточно мощное и энергоэффективное решение на x86 для мобильных устройств, а производители ARM-процессоров не стремились на рынок «больших» ПК. В нише мобильных устройств хватало места всем, и конкурировать там было проще, чем на фактически монополизированном Intel рынке процессоров для традиционных компьютеров.

Однако в последние годы доминирующее положение Intel пошатнулось. Прежде всего из-за того, что бизнес компании перестал соответствовать ее же собственной производственной стратегии. Согласно прогнозу одного из основателей Intel Гордона Мура, количество транзисторов в процессорах должно удваиваться каждые два года за счет перехода на более компактный технологический процесс производства (измеряется в нанометрах — нм). Как раз за счет этого повышается производительность. Впоследствии впервые озвученный в середине 1960-х годов «Закон Мура» корректировался, но сегодня стало ясно, что бесконечным этот рост быть не может. Технологии Intel дошли до «потолка возможностей» и пока уперлись в него. Переход на 14 нм, а потом и на 10 нм сильно затянулся, в то время как AMD в партнерстве с TSMC уже работает по техпроцессу 7 нм, а первым 5-нанометровым процессором в мире стал Apple M1 на архитектуре ARM.

О законе Мура на английском с русскими субтитрами

Решая множество технологических проблем с процессорами для «больших» компьютеров, Intel полностью упустила из вида рынок мобильных чипов, и теперь здесь господствуют решения ARM. Проблемы, кстати, при этом никуда не делись — чипы Intel для настольных ПК последних лет активно и справедливо критикуют. Мощные процессоры компании страдают от высокого нагрева и сильного энергопотребления, а энергоэффективные, наоборот, сильно ограничены в плане производительности.

Большинство производителей ноутбуков и компьютеров продолжают с этим мириться, и не уходят на ARM — не позволяет огромный багаж популярного софта и массовость их техники. Как вы помните, одна и та же программа не сможет работать и на x86 и, на ARM — ее нужно обязательно программировать заново. Но в 2020 году после почти 15 лет выпуска компьютеров с процессорами Intel компания Apple объявила о переходе на процессоры ARM собственной разработки. Они, кстати, тоже производятся внешним подрядчиком: на заводах уже упомянутой TSMC.

И это крайне важное заявление, потому что на рынке только у Apple есть все возможности для того, чтобы сделать этот переход успешным. Во-первых, компания сама разрабатывает процессоры на базе ARM много лет. Настольные M1 «выросли»

из мобильных чипов серии Ax. У производителей ПК на других ОС такого опыта нет или он сильно ограничен. Во-вторых, у Apple огромный опыт разработки собственных операционных систем: как мобильной, так и настольной. Конкуренты в основном используют Windows или «надстройки» для Android.

Остается совместить две системы (OS X для компьютеров, iOS для смартфонов), «заточенные» под разную архитектуру вместе, унифицировав софт, и это самый сложный пункт программы. Но и тут у Apple есть целая россыпь козырей. Это и лояльная аудитория, не готовая смотреть на продукцию конкурентов, но готовая подождать пока программы адаптируют под ARM. И собственный язык программирования Swift, который давно унифицировал процесс разработки ПО для iOS и OS X. И пусть небольшая в количестве устройств, но зато очень заметная доля на рынке ПК в деньгах, чтобы процесс адаптации «настольного» софта для x86 под работу с «мобильным» ARM стал интересен крупным разработчикам ПО. За примерами далеко ходить не надо: в Adobe на зов откликнулись одними из первых.

Немаловажно и то, что переход с Intel на ARM для Apple — далеко не первый опыт смены процессоров в своих устройствах. На Intel корпорация из Купертино переходила с PowerPC в 2005 году. А чипы PowerPC пришли на замену Motorola 68K в начале 1990-х.

Стив Джобс о переходе на процессоры Intel в 2005 году

Процессор Apple M1: чем он так хорош?

Apple M1 интересен не столько тем, что построен на базе технологий ARM, сколько своей архитектурой. Здесь на одной подложке собраны сам процессор, в котором по 4 производительных и энергоэффективных ядра, восьмиядерная графическая подсистема, нейромодуль для машинного обучения, огромные (по меркам процессоров) объемы кэш-памяти плюс тут же распаяна оперативная память. Такое решение занимает совсем мало места в корпусе компьютера, потребляет мало энергии (аккумулятор ноутбука дольше не разрядится) и может работать без активного охлаждения (ноутбук будет тихим или вовсе бесшумным) при хорошем уровне производительности.

Чип Apple M1 в Macbook Air Late 2020 (Фото: iFixit)

И совсем не просто так первым компьютером Apple с процессором M1 стал MacBook Air. С одной стороны, это лэптоп, главными преимуществами которого как раз и должно быть все, что дает новый процессор: компактность, автономность, тишина. С другой стороны, это компьютер для наименее требовательных пользователей, которым практически не нужен никакой специфический софт — достаточно того, что сама Apple предлагает «из коробки»: браузера, проигрывателя, офисного пакета. А для софта, который под ARM адаптировать пока не успели, Apple использует встроенный эмулятор Rosetta 2.

Следующими ПК Apple с M1 после MacBook Air стали 13-дюймовый MacBook Pro и Mac Mini. Также недавно был анонсирован новый iMac. Такие машины уже ориентированы на задачи посерьезнее, но все равно это еще далеко не профессиональный сегмент — на него в Купертино пока лишь намекают. И именно здесь к решению Apple на базе технологий ARM возникает основной вопрос: получится ли «отмасштабировать» M1 до уровня профессиональных решений, где компактность и энергоэффективность не так важны, а на первый план выходит именно производительность? Как реализовать связку М1 с мощными дискретными видеокартами, без которых о монтаже, рендеринге и других сложных вычислениях говорить не приходится? Или может быть Apple вообще готовится к выпуску собственной дискретной графики? Вопросов пока куда больше, чем ответов на них.

Новая линейка тонких (11,5 мм) iMac 2021 на базе M1 (Фото: Apple)

Уже готовые компактные устройства Apple с чипами M1 выглядят действительно интересно, правда выигрыш в производительности в них явно ощущается в основном только в уже адаптированных под ARM программах, но зато он очень заметный. Так что если Intel и AMD не смогут дать достойный ответ конкуренту в нише энергоэффективных ПК, то рост популярности решений Apple не заставит себя ждать даже несмотря на то, что еще какое-то время софта будет не хватать. Массовому пользователю ведь много не нужно.

Сравнение производительности отдельных ядер на чипах M1 и Intel, больше — лучше (Фото: GeekBench)

Сравнение производительности всех ядер на чипах M1 и Intel, больше — лучше (Фото: GeekBench)

Придут ли процессоры ARM на смену x86?

Точного ответа на этот вопрос пока не знает никто. Но уже сейчас очевидно, что в ближайшие годы основная борьба x86 в лице Intel и ARM в лице Apple развернется на рынке компактных ноутбуков. Они, в отличие от неттопов (Mac Mini) и моноблоков (iMac), значительно более востребованы. Также очевидно и то, что пользователи от такого противостояния только выиграют.

Конечно, техника (особенно у Apple) от этого не подешевеет, но зато мы прямо сейчас получили ультрапортативные лэптопы без активного охлаждения с долгожданным ощутимым приростом мощности и времени работы от батареи. Здорово и то, что разработчики Intel наконец-то взбодрятся. Из-за отсутствия конкуренции они слишком долго почивали на лаврах: самое время доставать из рукавов все припрятанные козыри. Собственно, именно так технологии и развиваются. Новый виток эволюции процессоров происходит прямо у нас на глазах, и ситуация выглядит так, что все вполне может обернуться революцией, которая полностью изменит как рынок процессоров, так и рынок компьютеров.

Где делают процессоры | Computerworld Россия

Борис Бабаян: «Процессорные архитектуры разрабатываются только в Америке. И в нашем центре»
За временем маркетинговой шумихи Intel, направленной на продвижение «процессора XXI века», пришла пора реальных действий. Крупнейшие производители RISC-процессоров, еще так недавно выглядевшие неприступными бастионами всех оппозиционных платформе Wintel сил, один за другим заключают с Intel стратегические альянсы и берут курс на Merced, не найдя в себе сил противостоять ему в одиночку. По словам члена-корреспондента РАН Бориса Арташесовича Бабаяна, сейчас в мире процессорами архитектуры VLIW занимается всего тpи группы: в Intel, в IBM и в коллективе, который возглавляет он. В «Московском центре SPARC-технологий», который теперь называется «Эльбрус-2000», трудится костяк разработчиков советских супеpЭВМ «Эльбрус». Здесь еще до 2000 года рассчитывают создать процессор, который должен превзойти Merced. Об этом Бабаян рассказал в беседе с научным редактором нашего еженедельника Игорем Левшиным.


Прежде чем окунуться в технологии XXI века, давайте немного поговорим о фундаменте, на который опирается ваш центр. Как финансируются ваши разработки?

Мы сами себя кормим. Несмотря на то что экономика сейчас переживает непростые времена, мы получаем заказы от государства — ведь мы делаем вещи, которые работают в реальных системах. У нас есть контракты на солидные суммы с западными фирмами. Но свой главный проект — процессор новой архитектуры — мы некоторое время финансировали сами, хотя он и очень велик: в нем участвует более 70 человек. Сейчас он активно поддерживается западными фирмами. Первый контракт с Западом мы подписали в 1992 году. Тогда же я впервые встретился с Биллом Джоем (создатель SunOS, вице-президент и один из основателей Sun Microsystems. — Прим. ред.). Сейчас мы сопровождаем SunOS; к нам стекаются ошибки со всего мира. Полностью поддерживаем Pascal Sun — за эту работу отвечает филиал в Санкт-Петербурге. FORTRAN 77 поддерживает наш новосибирский филиал. Очень много работ по Java: мы занимаемся оптимизацией байт-кода. Все до одной библиотеки для расширения набора команд Visual Instruction Set написаны в нашем центре.

А купить ваш проект иностранные компании не пытались?

Пытаются постоянно. Можно было бы попытаться продать проект. Но мы хотим делать свой кристалл. Мы не тешим себя иллюзиями полной независимости, но вести работы должен именно наш коллектив. Положение у нас очень непростое. Если у фирмы-партнера есть грамотный коллектив разработчиков, который в состоянии разобраться в нашем проекте, то возникнет естественная творческая конкуренция. А если такого коллектива нет, фирме будет трудно развернуть столь серьезный проект. Никто не возьмется за выпуск кристалла, не будучи полностью уверен в успехе. Поэтому мы много работаем над «раскручиванием» проекта, повышаем свой международный авторитет. Здесь помощь государства была бы очень полезна, но мы не чувствуем достаточно внимания государства. Многие коллективы утверждают, что делают совершенные проекты. Банкиры в России очень богатые, но от нас три года никакого возврата не будет — на такие инвестиции они вряд ли пойдут. А потом ведь очень большие доходы будут! Если мы «возьмем» лишь полпроцента рынка процессоров — это уже несколько миллиардов долларов в год.

А отечественная оборонная промышленность?

«Оборонка» нас очень любит, но у нее денег мало. Мы делаем для них рабочие станции: берем станции Sun, перепроверяем их и дополняем согласующими устройствами по оборонным нормам. Мы сделали свои SBus-карты, интерфейсы, «сделали математику». Для нас это не очень сложно, потому что мы владеем исходными кодами операционных систем Sun. Мы гарантируем, что наше оборудование «чистое», без жучков и закладок.

Следующий этап — более серьезный. Мы возьмем станцию SPARCStation 10, вытащим SPARC и вставим процессор собственной разработки. От SPARC в нем только система команд. Два миллиона транзисторов по 0,5-микронной технологии. Такой технологии у нас в России нет, процессор будет выпускаться во Франции. Первый экземпляр уже в производстве, выпуск намечен на февраль.

Вы говорили о возможности сборки на базе плат Sun UltraAX. Как идут дела?

Об этом проекте говорить пока рано. Это, кстати, не первая наша попытка собирать компьютеры Sun. Ближе всего мы были к этому два-три года назад, когда хотели организовать сборку станций на базе SPARC под торговой маркой Sun. В Воронеже есть великолепная, полностью автоматизированная фабрика. Даже слишком автоматизированная — на Западе, например, начинают отказываться от полной автоматизации: такая сборка, в частности, занимает больше площади. Мы разобрали рабочую станцию Sun и дали воронежцам, чтобы они «прогнали» ее по всем сборочным линиям — все прошло великолепно. Договорились с Sun, приехали два вице-президента и сказали, что они полностью удовлетворены: все чисто, все работает. Но добавили, что сборочных мощностей у Sun вполне достаточно, поэтому собирать здесь имеет смысл лишь в расчете на резкий рост сбыта в России. Окончательное решение должен был принять московский офис, где, оценив рынок, решили, что это нецелесообразно. Тогда на этом дело и закончилось.

Процессор, о котором вы говорили, будет принципиально другой архитектуры?

Конечно да. Процессор необходимо делать, конечно, на западной элементной базе. Мы рассматриваем только вариант 0,18 мкм. Иначе то, что мы выиграем на логике, будет потеряно на технологии — кто у нас тогда такие процессоры купит?

А кто еще в стране этим занимается?

Я не знаю никого. Не в том смысле, что все хуже, а просто никто не работает. Тот, кто разработал кристалл, прекрасно знает, как делать из него систему. Создать свою архитектуру и выйти на рынок с микропроцессором — это весьма непростая задача. Необходимо убедить организации, с которыми рассчитываешь сотрудничать. Хороший показатель — международное признание. Для меня критерий таков: тот, кто может обанкротиться, должен финансировать разработку. Тогда это действительно серьезно. Государство не может обанкротиться. А такого, чтоб положил кто-то деньги, — такого нет. Кроме сборки. У нас, конечно, хорошие и востребованные программисты. Здесь Россия очень сильна. Программисты, сборка, возможно, что-то в области связи…

А откуда уверенность в том, что ваш процессор, даже самый совершенный, нужен на рынке?

Давайте посмотрим немного вперед. Сейчас у многих компаний есть лицензии на технологии Intel. Когда-то Intel была не такой могущественной и продавала лицензии. Их срок истекает в 2000 году. Есть маленькие фирмы, которые производят процессоры несмотря на отсутствие патентов — просто на милость Intel.

Зачем с ними судиться, только лишние неприятности. В Merced, своем новом процессоре, Intel запатентовала буквально все. После 2000 года наступит полная монополия Intel. А мы от Intel не зависим — так как все наши работы защищены собственными патентами, совместимость мы обеспечиваем с помощью двоичной компиляции.

Допустим. А как же производители RISC-процессоров?

RISC-процессоры производят HP, DEC, SGI, Sun и IBM. Но Intel доминирует на рынке. HP ведет совместный проект по Merced с Intel и несмотря на то, что компания продолжает выпускать собственные процессоры PA-RISC, велика вероятность, что она все же полностью перейдет на Merced. Была DEC с его великолепной Alpha. Что теперь будет с Alpha? Это основной конкурент Merced по скорости, и Intel будет выпускать Alpha? По контракту-то обязана, но ситуация ненадежна. Кристалл, конечно, великолепный, а вот фабрика — не на современном уровне. Они отстают на два года: переходят на 0,25, а Intel — уже на 0,18. Их кристалл хорош потому, что методология разработки прекрасная. Они каждый триггер делают индивидуально, у них неплохие средства САПР. Кристалл рисуют просто блестящие инженеры. Сейчас за Alpha взялась Samsung, но будут ли Alpha покупать? В Digital долго меняли курс: то VAX, то MIPS, то Alpha… Слишком долго продолжали выпускать VAX — в этом виноват Олсон: все боялся перейти на RISC-платформу — уж больно хорошо шли VAX. Он переоценил проблему совместимости. Потом слишком поспешно перешли на MIPS. Тогда уж надо было покупать компанию MIPS.

Но остались IBM, SGI, Sun…

У IBM не просто хорошая технология — сверххорошая. Не хуже, чем у Intel. Очень дешевые кристаллы, но не слишком удачные разработки. Я имею в виду PowerPC. Сейчас они более серьезно продвигают Power 2, потому что тройственный союз распадается. Apple заботят свои собственные проблемы, Motorola думает, как бы уйти из этого союза. IBM остается одна. Процессор серии 620 они так и не выпустили. При всей их блестящей технологии они теряют свой рынок.

Дальше Silicon Graphics. Важный показатель — выпускает ли производитель, кроме собственной платформы, машины на базе Intel-процессоров. SGI объявила, что намеревается выпускать рабочие станции на Intel. Раньше это были разные рынки: рабочие станции — один, а персоналки — другой. Поэтому, выпуская продукцию на двух платформах, производитель не конкурировал сам с собой. А сейчас Intel сделала Pentium Pro и просто ворвалась в рынок рабочих станций. Быстрый Merced, который в силу своей массовости будет дешевым, — как осиновый кол в могилу всех RISC-процессоров.

Сейчас только Sun пытается стоять на своем. А остальные собираются делать машины на Merced. Да и Sun дрогнула: недавно Макнили объявил, что они будут переносить Solaris на Merced. Скотт — боец. Sun уступила Intel в настольных системах. В Sun надеялись, что, сделав UltraSPARC, они смогут затмить Intel. Они не стали производить сложную архитектуру. Сделали простой микропроцессор, потому что не ожидали, что так скоро появится Pentium Pro. Теперь они выпускают UltraSPARC III. Они и в то, что Intel будет делать Merced, не очень верили — это моя оценка. Думали: мало ли что они там в Intel говорят. Они вели разговоры и про Intel 432, и про Intel 860 — и все бросали.

Безрадостная картина… Как же столь глобальным процессам сможете противостоять вы со своим новым кристаллом?

Мы знаем, как сделать новый микропроцессор. Все принципиальные разработки ведутся в США. Intel — это американские разработки, хотя первый кристалл с MMX и создавался в Израиле. Архитектуры микропроцессоров, системы команд разрабатываются только в США. Сами кристаллы с уже заданной архитектурой делаются не только в Америке, но и в Японии; например, Fujitsu производит свой SPARC. В Южной Корее тоже собираются заняться выпуском таких кристаллов. Samsung делает Alpha. Выпускает кристаллы гораздо больше фирм, чем разрабатывает. Для встроенных систем кристаллы разрабатываются и в Японии, и в Корее, и в Европе. Но процессорные архитектуры и системы команд для использования с универсальной операционной системой создаются только в Америке. И в нашем центре.

Мы в свое время вышли из ИТМиВТ. Сейчас нас около 300 разработчиков плюс два филиала — в Новосибирске и Санкт-Петербурге. У нас работают специалисты мирового уровня. Потому что мы всегда делали свои машины, а не копировали IBM или DEC. Государство всех заставило копировать, один наш директор, Лебедев, настоял на своем. Мы знаем, что мы не хуже американцев. Быстрая арифметика — быстрое сложение, деление и извлечение квадратного корня — была мной сделана в студенческой работе в 1954 году. Западные публикации появились только в 1956 году. Сейчас же этот принцип используется повсеместно. Первый настоящий суперскалярный процессор, где мы дешифровали две команды за такт с техникой out-of-order execution (внеочередное исполнение), register renaming (переименование регистров) и спекулятивным выполнением команд, мы сделали задолго до американцев. Причем в варианте, аналогичном Pentium Pro. В нем используется команда переменной длины, которая перекодируется по ходу исполнения в RISC-команду постоянной длины. Потом он уже работает как суперскалярный процессор. Это же «Эльбрус 1». У нас была стековая безадресная система команд, переменная байтовая организация — суперскалярный процессор на ней трудно сделать, поэтому мы на лету перекодировали ее в фиксированную трехадресную регистровую систему; декодировали две команды за такт — все, что реализовано в современном суперскалярном процессоре. Американцы это предложили только в 1995 году, а наша машина заработала в 1978-м.

Скотт Макнили, глава Sun Microsystems, держит в руках специально привезенный в Москву первый UltraSPARC, в котором несколько миллионов транзисторов. На заднем фоне огромная стойка «Эльбруса 3», разработанного в 1991 году, — 15 млн. транзисторов. Это два процессора SPARC
Ваш приоритет признали?

Сейчас этот факт на Западе признан. Но мы не только раньше американцев убедились в достоинствах суперскалярной архитектуры, мы первыми обнаружили и ее слабости. Они еще не начали делать суперкалярные процессоры, а мы уже поняли, в чем их недостатки. В 1986 году мы взялись за постсуперскалярный «Эльбрус 3». Создали мы его только в 1991-м. В 1991 году об «Эльбрусе 3» докладывали на конференции в США. Тут же приехал Питер Розенблат из HP, предлагал сотрудничать. Теперь Розенблат — руководитель проекта, который потом превратился в Merced! В архитектуре Merced не реализовано и половины возможностей «Эльбруса». В Merced используется широкая команда, но не в полной мере.

Чем же «Эльбрус» лучше Merced?

Они многое не доделали. Архитектура, над которой мы сейчас работаем, будет значительно быстрее Merced. Фактически мы делаем вторую реализацию «Эльбруса 3». Огромная стойка «Эльбруса 3», разработанного в 1991 году, — 15 млн. транзисторов. Это два процессора Ultra SPARC. Эта машина съедала бы слишком много электричества и денег, была бы ненадежна. Мы решили, что надо реализовывать все на кристалле.

Каковы же преимущества нового «Эльбруса»?

В рамках этого проекта разработаны как минимум три серьезные технологии. Первый — широкая команда. Здесь мы — лидеры. Во всем мире этим занимаются всего три группы: Intel/HP, IBM и мы. Мы потратили на разработку около десяти лет. По нашим оценкам, разработанный нами процессор будет вдвое быстрее второй версии Merced, которая появится после наступления 2000 года (а на старых кодах Intel — намного быстрей). При этом у Intel нет нашей второй важнейшей технологии. В Merced на входе предусмотрен некий блок, который перекодирует во время исполнения старые коды в новые. Это не самый быстрый способ.

Вы, возможно, что-то и знаете о Merced, мы же о его архитектуре осведомлены крайне скудно. Что вы можете сказать об архитектуре EPIC?

До сих пор происходило следующее: программист знает параллельную структуру, но пишет на языке с последовательной парадигмой. Транслятор проводит сложнейший анализ, чтобы распараллелить все, что можно, что-то оптимизировать, переставить местами команды. Но система команд — опять последовательная. Вслед за этим суперскалярная машина снова проводит анализ и снова переставляет команды! Это же просто глупо! Нужно в систему команд ввести явный параллелизм, и машина снова упростится, станет похожа на добрый старый RISC. В этом и заключается идея EPIC (Explicit Parallel Instruction Computing). Это не что иное, как микропрограммирование на новом витке. Дело не в самой идее — она проста, а в том, как ее реализовать. В нашем компиляторе полмиллиона строк текста. Ясно, что систему команд надо менять, но с несовместимой машиной невозможно выходить на рынок. Мы решили почти полностью освободить архитектуру от «пут» совместимости, полностью сохранив в то же время совместимость для пользователя (но только почти: арифметические операции, например, должны быть стандартными, правда, с ними-то как раз проблем не возникает). Мы разработали технологию двоичной компиляции. При первой попытке исполнить коды Intel незаметно для пользователя будет активизирован двоичный компилятор; сначала запустится динамическая компиляция (почти интерпретация), и машина заработает сразу, но параллельно будет происходить обычная статическая компиляция. Откомпилированная программа окажется сохранена и в следующие, и отныне она уже будет работать очень быстро.

Почему же другие не пошли по этому пути?

Никто не верил в двоичную компиляцию, считали ее ненадежной. Но мы компилируем чужой двоичный код в свой собственный, а в машине есть встроенная поддержка двоичной компиляции, поэтому все функционирует очень надежно. У нас, например, есть оттранслированные двоичные коды Windows, и мы их запускаем на SPARC! Это, пожалуй, наиболее сложная для компиляции программа. Мы совсем не разбираемся с двоичными кодами, все делает транслятор автоматически. А у нас все работает, причем эффективно. Мы берем UltraSPARC/166 МГц и Pentium/100 МГц — скорости получаются одинаковые. А ведь это трансляция почти без оптимизации. Мы еще ее ускорим раза в полтора. Здесь был мистер Росс из Ross Technology, который разрабатывал HyperSPARC. Он назвал наши планы по двоичной компиляции очень трудными. Я спросил его, что можно считать критерием успеха. Он в ответ предложил перекомпилировать игру FlightSimulator, там масса ассемблерного кода: дескать, если она заработает, считайте, что вы победили. FlightSimulator у нас уже давно работает. Если бы он знал, что мы транслируем операционные системы…

Третья наша технология — теги. Она использовалась на «Эльбрусах» всегда. В мире никто ее по-настоящему не опробовал. Теги задействовались в машинах компании Burroughs, но их там использовали для безопасности. Теги открывают путь для очень мощной системы типизации. Java — очень хороший язык, но он все же статичен: когда вы объявляете переменную, то связываете тип с этой переменной, в то время как на языке Ассемблера, скажем, вы можете записать любые данные. В тегах же есть контроль типов, но это контроль динамический. А раз есть контроль типов — можно построить великолепную защиту. «Эльбрусы» все так работали. Базовый язык «Эльбрусов», Эль-76 — язык высочайшего уровня, ничуть не ниже любого из существующих. В нем, как и в языке Ассемблера, нет никаких статических ограничений — можно писать все что угодно; с другой стороны, благодаря тегам он защищен не хуже Java. На этом языке у нас пишут любые приложения: системы реального времени, и компиляторы, и операционную систему. С Java люди обретут нормальное интеллектуальное программирование, а не «чумазый» Ассемблер или незащищенный C++. Но Java не универсален, и из-за байт-кода не очень эффективен. Вводя теги в реализацию C++, мы получаем защищенный язык, лишенный главного недостатка Java.

Итак, имея двоичный код для процессоров Intel, мы можем его исполнять на своем кристалле как он есть, а при наличии исходных текстов получаем возможность выполнить программу в защищенном режиме. В любой программе на C наш компилятор обнаружит много ошибок, но если их подправить, программа станет защищенной. Мы переносили многие программы с ЕС на «Эльбрус», и всегда в любых отлаженных программах находили много ошибок. Это своего рода постоянно работающий бесплатный мощный отладчик.

Возможно ли добиться подобной совместимости со SPARC-командами?

Так как мы используем двоичную компиляцию, то нам, вообще говоря, почти все равно, с какого двоичного кода компилировать. Вот если будет какая-то несовместимая вещественная арифметика, при ее интерпретации мы потеряем всю скорость. Но, слава Богу, вещественная арифметика хорошо стандартизована, за исключением небольших мелочей. Но мы считаем, что главное — совместимость с Intel, поскольку это самый большой рынок. Ну а будет что-то расходиться со SPARC, скажем коды условий, ну что же — станем эмулировать. Будет работать чуть-чуть медленней или с маленькими ограничениями.

В общем, позиции у нас очень сильные. Практически разработана логика кристалла. Выполнено моделирование, мы гоняем тесты, получаем хорошие показатели на тестах SPEC: наши скорости — это не просто теоретические оценки, это реальные миллиарды операций в секунду. Компилятор работает. Мы надеемся найти хорошего западного партнера для реализации этого проекта.

Кремниевый занавес: чем обернется запрет Intel и AMD для России

Камень раздора

На фоне антироссийских санкций на повестке дня оказался вопрос доступности в стране чипов Intel и AMD. Согласно сообщениям СМИ, некоторые российские разработчики электроники на прошлой неделе получили устные уведомления от компаний о приостановке поставок в Россию своих изделий. Пока эти ограничения не касаются физлиц, то есть подавляющее большинство граждан по-прежнему могут приобретать компьютеры, ноутбуки и прочие устройства с использованием чипов американских компаний. «Газета.Ru» попросила российских разработчиков электроники оценить текущую ситуацию и дать прогноз по ее развитию.

«До настоящего времени официального подтверждения информации о запрете поставок указанными компаниями у нас нет», — сказал генеральный директор компании «Норси-Транс» Сергей Овчинников.

Другой представитель рынка российской электроники сказал «Газете.Ru», что информация об ограничениях поставок может исходить не со стороны самих Intel и AMD, а со стороны поставщиков, поскольку то, что многие из них сегодня приостановили деловые отношения с Россией, известно достоверно. Причинами такой приостановки, по словам источника, может быть как угроза санкционных взысканий, так и более очевидные проблемы вроде логистики, которая нарушилась из-за спецоперации на Украине.

«Все просто нажали на «паузу» и ничего не делают. Насколько мы понимаем, никто пока никаких официальных бумаг никому не выставил, но все все равно решили перестраховаться», — рассказал источник.

В свою очередь генеральный директор компании «Аэродиск» Вячеслав Володкович считает, что заявления об ограничении поставок процессоров в Россию может быть всего лишь элементом запугивания. По словам экспертам, на практике Intel и AMD едва ли решатся на этот шаг, поскольку РФ является важным сырьевым участников полупроводниковой отрасли, которому есть чем ответить западным партнерам.

«Свою продукцию указанные компании не могут выпускать без участия России. Некоторые компоненты (сапфировые подложки, химикаты, редкоземельные металлы) для процессоров поставляет только Россия, или же наша доля в этих поставках критически велика. Если запретят поставки вендоры, мы, конечно же, ответим запретом со своей стороны. И тогда возникнет патовая ситуация для всех – выполнять запрет будет невозможно, потому что будет нечего поставлять», — заявил Володкович.

Нет данных

В компании Intel «Газете.Ru» ответили, что «внимательно следят за ситуацией и обеспечивают соблюдение применимых санкций и правил экспортного контроля, введенных OFAC (подведомство Министерством финансов США, которое занимается планированием и применением санкций, — «Газета.Ru»), и правил, изданных BIS (подведомство Министерстве торговли США, которое занимается экспортным контролем. — «Газета.Ru»)».

Новый список ограничений BIS по экспорту техники в РФ, опубликованный после начала спецоперации на Украине, вступит в силу только 3 марта. Согласно ему, ряд американских компаний должны будут получать у властей США разрешение на поставку в РФ в том числе и компьютерных компонентов, то есть поставки в Россию будут проходить жесткую модерацию.

Сергей Овчинников считает, что в случае ограничений поставок, в РФ случится «серьезный» дефицит процессоров, поскольку в данный момент компенсировать отсутствие американских в полной мере нечем. Дефицит коснется многих сфер, поскольку бизнес-клиентами процессоры Intel и AMD используются в основном в серверном оборудовании и системах хранения данных. Последние, в свою очередь, по словам Овчинникова используются повсеместно.

Вячеслав Володкович добавляет, что процессоры для серверов и СХД – инфраструктурная основа IT-системы в любой компании. Без вычислительных мощностей и систем хранения данных их работа невозможна.

«С учетом масштабов цифровизации в экономике и государственной деятельности, серверы и СХД применяются сегодня абсолютно везде. Отличаются только объемы, модели и архитектура решений, которые строятся на их основе. Основной тренд здесь – увеличение требований к производительности процессоров и СХД: данных становится все больше, обрабатывать и передавать их нужно все быстрее», — сказал он.

В крайнем случае, по его словам, из-за недостатка западных компонентов, в компаниях, которые ими пользуются, могут возникнуть разрывы в работе их IT-систем, что в свою очередь отразится на бизнес-процессах. Уже последнее может обернуться различными последствиями, в зависимости от специфики компании, которые могут отразиться и на клиентах этих предприятий: например, пользователях интернет-сервисов и мобильных приложений.

Нужен козырь

Несмотря на, казалось бы, малоприятную перспективу, эксперты отмечают и ряд позитивных моментов. Например, аналитик MForum Analytics Алексей Бойко отмечает, что даже в случае принятия ограничительных мер, российские бизнес-клиенты Intel и AMD столкнутся с дефицитом не сразу. Во-первых, работу продолжит уже запущенное оборудование, а во-вторых, какое-то время компании будут наращивать мощности IT-систем за счет резервов.

«Как правило, мощности закупаются с некоторым избытком на развитие, то же касается и мощностей, которые можно арендовать. Так что в ближайшие месяцы проблемы еще не станут остро», — говорит Бойко.

Не стоит исключать, что за счет выигранного времени российские клиенты Intel и AMD успеют найти альтернативу американской продукции в Китае. Например, Бойко не исключает, что производимых по 28-нанометровому техпроцессу китайской компанией Loongson чипов может хватить для удовлетворения потребностей российских систем хранения данных.

Большинство экспертов считают, что главным выходом из ситуации для России является производство собственных процессоров. Хотя специалисты и соглашаются, что это очень сложная задача, невыполнимой они ее не считают.

«При определенной поддержке государства и крупного отечественного бизнеса, тем более в партнерстве с другими странами (например, БРИКС), в течение двух-трех лет наша страна способна выйти на уровень собственного микроэлектронного производства по технологическим нормам 28 нанометров или даже 14. А объем инвестиций я бы оценил в 8-10 млрд долларов в год от каждой страны-участницы», — сказал генеральный директор Liberum Navitas Айрат Мустафин.

Аналогичного мнения придерживаются и Бойко. Хотя он более пессимистично настроен относительно сроков. По его словам, запуск в России производства собственных процессоров – вопрос десятилетий.

Intel показывает, как делают ЦП

Ваш процессор появился из песка

Песок. Состоящий из 25 процентов кремния, он является вторым после кислорода наиболее распространенным химическим элементом в земной коре. Песок, особенно кварц, содержит большое количество кремния в форме диоксида кремния (SiO2) и является основным ингредиентом для производства полупроводников.

Очистка и выращивание

После получения необработанного песка и отделения кремния излишки материала утилизируются, а кремний очищается в несколько этапов, чтобы, наконец, достичь качества производства полупроводников, которое называется кремнием электронного класса.Полученная чистота настолько высока, что в кремнии электронного качества может быть только один чужеродный атом на каждый миллиард атомов кремния. После процесса очистки кремний переходит в фазу плавления. На этой картинке вы можете видеть, как из расплава очищенного кремния вырастает один большой кристалл. Полученный монокристалл называется слитком.

Большой слиток

Монокристаллический слиток изготовлен из кремния электронного класса. Один слиток весит примерно 100 кг (или 220 фунтов) и имеет чистоту кремния 99.9999 процентов.

Нарезка слитков

Затем слиток перемещается на этап нарезки, где отдельные кремниевые диски, называемые пластинами, тонко нарезаются. Некоторые слитки могут стоять выше пяти футов. Существует несколько разных диаметров слитков в зависимости от требуемого размера пластины. Сегодня процессоры обычно изготавливаются на пластинах диаметром 300 мм.

Полировка пластин

После резки пластины полируются до безупречной зеркально-гладкой поверхности. Intel не производит собственные слитки и пластины, а вместо этого покупает готовые к производству пластины у сторонних компаний.В передовом 45-нм техпроцессе Intel High-K/Metal Gate используются пластины диаметром 300 мм (или 12 дюймов). Когда Intel впервые начала производить микросхемы, она печатала схемы на 50-миллиметровых (2-дюймовых) пластинах. В настоящее время Intel использует пластины диаметром 300 мм, что снижает затраты на один чип.

Нанесение фоторезиста

Голубая жидкость, изображенная выше, представляет собой отделку фоторезиста, аналогичную той, что используется в фотопленке. Пластина вращается на этом этапе, чтобы обеспечить равномерное покрытие, гладкое и очень тонкое.

Воздействие УФ-излучения

На этом этапе светостойкое покрытие подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) света. Химическая реакция, вызванная ультрафиолетовым излучением, аналогична той, что происходит с материалом пленки в камере в тот момент, когда вы нажимаете кнопку спуска затвора.

Области резиста на пластине, подвергшиеся воздействию УФ-излучения, становятся растворимыми. Экспонирование осуществляется с помощью масок, которые действуют как трафареты. При использовании с УФ-светом маски создают различные узоры цепей.По сути, при построении ЦП этот процесс повторяется снова и снова, пока несколько слоев не будут наложены друг на друга.

Линза (в центре) уменьшает изображение маски до небольшого фокуса. Полученный «отпечаток» на пластине обычно в четыре раза меньше, чем рисунок на маске.

Подробнее Разоблачение

На картинке показано, как выглядел бы один транзистор, если бы мы могли видеть его невооруженным глазом. Транзистор действует как переключатель, контролирующий поток электрического тока в компьютерной микросхеме.Исследователи Intel разработали транзисторы настолько маленькие, что, по их утверждению, примерно 30 миллионов из них могут поместиться на булавочной головке.

Промывка фоторезиста

После воздействия УФ-света открытые участки синего фоторезиста полностью растворяются в растворителе. Это показывает рисунок фоторезиста, созданный маской. С этой точки начинают расти зачатки транзисторов, межсоединений и других электрических контактов.

Травление

Слой фоторезиста защищает материал пластины, который нельзя травить.Обнаженные участки будут вытравлены химическими веществами.

Удаление фоторезиста

После травления фоторезист удаляется, и желаемая форма становится видимой.

Как работают микропроцессоры | HowStuffWorks

Даже невероятно простой микропроцессор, показанный в предыдущем примере, имеет довольно большой набор инструкций, которые он может выполнять. Набор инструкций реализован в виде битовых комбинаций, каждая из которых имеет разное значение при загрузке в регистр инструкций.Люди не особенно хорошо запоминают битовые комбинации, поэтому набор коротких слов определяется для представления различных битовых комбинаций. Этот набор слов называется языком ассемблера процессора. Ассемблер может очень легко преобразовать слова в их битовые комбинации, а затем выходные данные ассемблера помещаются в память для выполнения микропроцессором.

Вот набор инструкций на языке ассемблера, которые разработчик может создать для простого микропроцессора в нашем примере:

  • LOADA mem — Загрузить регистр A из памяти с адресом
  • LOADB mem — Загрузить регистр B из памяти с адресом
  • CONB con — Загрузить постоянное значение в регистр B
  • SAVEB mem — Сохранить регистр B по адресу памяти
  • SAVEC mem — Сохранить регистр C по адресу памяти
  • ADD — Добавить ADD 9007 и B сохранить результат в C
  • SUB — вычесть A и B и сохранить результат в C
  • MUL — умножить A и B и сохранить результат в C
  • DIV — разделить A и B и сохранить результат в C
  • COM — сравнить A и B и сохранить результат в тесте ual, to address
  • JNEQ addr — Перейти, если не равен, к адресу
  • JG addr — Перейти, если больше, к адресу
  • JGE addr — Перейти, если больше или равно, к адрес
  • JL-адрес — Перейти, если меньше, к адресу
  • JLE-адрес — Перейти, если меньше или равно, к адресу
  • STOP — Остановить выполнение

Если вы прочитали C Programming Works, то вы знаете, что этот простой фрагмент кода на C вычисляет факториал 5 (где факториал 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120):

a=1;f=1;в то время как (a <= 5){ f = f * a; a = a + 1;}

В конце выполнения программы переменная f содержит факториал 5.

Язык ассемблера

Компилятор C переводит этот код C на язык ассемблера. Предположим, что ОЗУ в этом процессоре начинается с адреса 128, а ПЗУ (содержащее программу на ассемблере) начинается с адреса 0, тогда для нашего простого микропроцессора язык ассемблера может выглядеть так:

// Предположим, что a находится по адресу 128/ / Предположим, F находится по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // если a > 5, переход на 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // вернуться к if17 STOP

ROM

Итак, теперь возникает вопрос: «Как все эти инструкции выглядят в ПЗУ?» Каждая из этих инструкций языка ассемблера должна быть представлена ​​двоичным числом.Для простоты предположим, что каждой инструкции на ассемблере присвоен уникальный номер, например:

  • LOADA — 1
  • LOADB — 2
  • CONB — 3
  • SAVEB — 4
  • SAVEC mem — 5
  • 6 Добавить — 6
  • Sub — 7
  • Mul — 8
  • DIV — 9
  • COM — 10
  • Jeq addr — 11
  • Jeq addr — 12
  • jneq addr — 13
  • JG Addr — 14
  • JGE адрес — 15
  • JL адрес — 16
  • JLE адрес — 17
  • STOP — 18

Числа известны как коды операций .В ПЗУ наша маленькая программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a находится по адресу 128 // Предположим, что F находится по адресу 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 129212 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Вы можете видеть, что семь строк кода C превратились в 18 строк ассемблера, и это стало 32 байта в ПЗУ.

Декодирование

Декодер инструкций должен преобразовать каждый код операции в набор сигналов, которые управляют различными компонентами внутри микропроцессора. Давайте возьмем в качестве примера инструкцию ADD и посмотрим, что она должна делать:

  1. Во время первого такта нам нужно загрузить инструкцию. Таким образом, декодер команд должен:
  2. активировать буфер с тремя состояниями для счетчика команд
  3. активировать линию RD
  4. активировать буфер с тремя состояниями ввода данных
  5. зафиксировать команду в регистре команд
  6. второй такт, инструкция ADD декодируется.Для этого нужно сделать совсем немного:
  7. настроить операцию АЛУ на сложение
  8. зафиксировать вывод АЛУ в регистр C
  9. второй такт).

Каждую инструкцию можно разбить на набор последовательных операций, подобных этим, которые манипулируют компонентами микропроцессора в правильном порядке. Некоторые инструкции, такие как инструкция ADD, могут выполняться за два или три такта.Другим может потребоваться пять или шесть тактов.

Что такое кремний и почему из него делают компьютерные чипы?

Может показаться глупым вопрос, на который можно ответить всего несколькими короткими словами: кремний — это 14-й элемент периодической таблицы.Это один из фундаментальных компонентов Вселенной, на один протон тяжелее алюминия и на один протон легче фосфора. Тем не менее кремний чаще, чем любой другой элемент, слишком часто упоминается на таком сайте, как ExtremeTech — это основной компонент строительных материалов, из которых состоит ваш дом, это основа всех современных компьютерных процессоров и даже самый вероятный кандидат на роль инопланетной жизни, не основанной на углероде. Что именно делает кремний таким особенным?

Ну много всего.

Кремний как строительный элемент

Главной отличительной чертой кремния является то, что его чертовски много. Это второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода, но не ожидайте, что он просто валяется. Кремний почти никогда не встречается в чистом виде в природе и практически всегда встречается в виде соединения с другими элементами. Чаще всего он встречается в виде силиката (SiO 4 , или один атом кремния, связанный с четырьмя атомами кислорода) и диоксида кремния (SiO 2 , или один атом кремния, связанный с двумя атомами кислорода).Кремнезем в грубой и сильно загрязненной форме является основным компонентом песка. Полевой шпат, гранит, кварц и другие материалы основаны на соединениях кремния и кислорода.

Смешайте это с водой и гравием, и вы получите бетон.

Соединения кремния обладают широким спектром полезных свойств, главным образом потому, что они могут очень прочно связывать другие атомы и образовывать сложные структуры. Различные силикаты, такие как силикат кальция, являются основным компонентом портландцемента, основного связующего вещества в бетоне, растворе и даже штукатурке.Некоторые материалы, богатые силикатами, можно нагревать для производства закаленной керамики, такой как фарфор, в то время как другие сплавляются, образуя основную форму стекла в мире, известково-натриевое стекло. А кремний также может быть полезен в качестве следовой добавки к другим веществам, таким как чугун, в котором используются как углерод, так и кремний, чтобы сделать железо более упругим и менее хрупким.

И, да, кремний также является основным структурным компонентом синтетического материала силикона, но не путайте эти два понятия — если это действительно была Силиконовая долина, мир технологий сильно отличался от того, что мы видим сегодня.

Кремний в качестве компьютерного чипа

При выборе элемента для использования в качестве основы компьютерного транзистора ключевым словом является сопротивление. Проводники имеют низкое сопротивление и очень легко пропускают электрический ток, в то время как изоляторы имеют (предсказуемо) высокое сопротивление и замедляют или блокируют поток электронов. Для транзистора, который должен иметь возможность включаться и выключаться по желанию, нам потребуется проводник полупроводник , вещество с сопротивлением между сопротивлением проводника и изолятора.Лучшие полупроводники для промышленности могут быть обработаны широким спектром «примесей» для точной регулировки их сопротивления по мере необходимости.

Кристалл чистого кремния, называемый слитком.

Кремний — не единственное полупроводниковое вещество на Земле, это даже не лучший полупроводник на Земле. Что это такое, так это самый распространенный полупроводник на Земле. Кремний легко доступен во всем мире; вам не нужно импортировать его из специальных африканских шахт или проводить месяцы дорогостоящей и загрязняющей окружающую среду обработки только для того, чтобы получить его.С ним легко работать, и, самое главное, ученые придумали надежные способы выращивания его в идеально упорядоченные кристаллы. Эти кристаллы относятся к кремнию так же, как алмаз к углероду.

Выращивание огромных, почти идеальных кристаллов кремния является одним из основных навыков в производстве современных компьютерных микросхем. Затем эти кристаллы нарезают на тонкие пластины, затем гравируют, обрабатывают и обрабатывают иногда сотнями различных способов, прежде чем нарезать кубиками отдельные кристаллы и упаковать в коммерческие процессоры.Можно делать превосходные транзисторы из таких вещей, как углерод, и даже из более экзотических материалов, таких как германий, но ни один из них не позволяет массовое производство кремния путем выращивания больших кристаллов — по крайней мере, пока.

В настоящее время кристаллы кремния (называемые «слитками») производятся в цилиндрах диаметром 300 мм, но исследования быстро приближаются к порогу 450 мм. Это должно помочь снизить производственные затраты и, таким образом, позволить скорости продолжать расти, по крайней мере, в течение еще одного десятилетия или около того.После этого? Возможно, наконец, не останется иного выбора, кроме как отказаться от кремния в пользу чего-то менее распространенного и простого в работе — хорошая новость для скорости обработки, но почти наверняка плохая новость для вашего кошелька.

Кремний как инопланетная жизнь

Фраза «жизнь на основе углерода» часто используется, но что она означает на самом деле? Это означает, что основные структурные молекулы, составляющие наши тела (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и т. д.), построены на скелетах атомов углерода.Это потому, что углерод обладает замечательным свойством быть «четырехвалентным». Кислород может одновременно образовывать только две стабильные химические связи (что приводит к образованию воды, или H 2 O), а азот только три (что приводит к образованию аммиака, или NH 3 ), но углерод может стабильно удерживать до четырех разные атомы сразу (что дает нам метан, или CH 4 ). Тетравалентность – это мощная основа для создания прочных и геометрически сложных молекул, и этот дуэт химических достоинств позволил развиться всей жизни, известной в настоящее время во Вселенной.

Орта Star Trek предположительно сделаны на основе кремния.

Тем не менее, если мы знаем, как устроена Периодическая таблица, мы знаем, что элементы в вертикальной колонке имеют схожие химические свойства, а прямо под углеродом находится кремний. Вот почему авторы научной фантастики потратили так много времени и чернил на идею жизни на основе кремния; будучи четырехвалентным, кремний является наиболее вероятным альтернативным структурным элементом в совершенно новых формах жизни. Кремний также может прочно связываться с другими атомами кремния (точно так же, как углерод с углеродом) и, таким образом, может дважды зафиксировать определенные конформации на месте.Предполагается, что оба имеют решающее значение для развития жизни.

Конечно, поскольку кремния на Земле намного больше, чем углерода, должна быть причина, по которой мы органические (на основе углерода), а не на основе кремния, и эта причина восходит к Периодической таблице. Не вдаваясь в подробности, отметим, что элементы, находящиеся вертикально ниже в Периодической таблице, имеют более тяжелые ядра и более крупные электронные оболочки; кремний физически больше и тяжелее углерода, что делает его менее подходящим для сверхтонких задач, таких как, например, рекомбинантная ДНК.Кремний также менее активен, чем углерод, а это означает, что жизнь на основе кремния может быть менее разнообразной в химическом отношении или требовать гораздо более широкого набора кремниевых ферментов, запускающих реакции, для создания химически менее желательных соединений.

Тот факт, что вся жизнь на Земле является органической, несмотря на то, что количество атомов кремния на планете превышает число атомов углерода почти в тысячу к одному, может указывать на то, насколько вероятно, что это может произойти где-то еще во Вселенной. Здесь есть множество видов, которые в той или иной степени используют кремний, но ни один из них не использует его в качестве структурного элемента ДНК.Жизнь на основе кремния, безусловно, возможна, но если она действительно существует, есть большая вероятность, что она никогда не сможет развиться до уровня сложности, который позволил углерод прямо здесь, дома.

Силикон и вы

Силикон будет появляться в вашей ленте новостей еще много лет. Несмотря на то, что некоторые рассматривают углерод и другие некремниевые элементы как платформу для вычислений следующего поколения, что будет необходимо, если мы хотим продолжить экспоненциальную историческую тенденцию в вычислительной мощности, кремний остается предпочтительным материалом во многих областях.Найдем ли мы новые и захватывающие способы контролировать его обращение с электронами? Возможно. Обнаружим ли мы, что она лежит в основе всей жизни во Вселенной, за исключением той, которая развилась на Земле? Вероятно, нет, хотя это возможно. По крайней мере, мы не собираемся отказываться от его использования в качестве строительного материала, поскольку соединения кремния являются основой горной породы, составляющей большую часть земной коры.

Возможно, мы собираемся оставить кремний позади — но это было не менее вероятно 20 лет назад.По всей вероятности, он по-прежнему будет одним из самых важных веществ для развития человеческого мастерства в физическом мире.

Как создается компьютерный чип – От песка до процессора

Компьютерные чипы, как и центральные процессоры для настольных ПК, сделаны из чего-то технически не впечатляющего: из песка.

Чипы Intel Kaby Lake и AMD Ryzen производятся по 14-нанометровому технологическому процессу, который относится к размеру транзисторов чипа.

Чем меньше производственный процесс, тем больше транзисторов может поместиться на одном кристалле.

Микропроцессоры

— одни из самых сложных продуктов в мире, и создание этих микросхем — сложный и точный процесс.

Шаги, которые мы описали ниже, являются самыми основными этапами процесса изготовления, и многие шаги повторяются, изменяются или опускаются — в зависимости от конструкции чипа.

Ниже представлен обзор того, как производится процессор Intel для настольных ПК, с использованием изображений из 22-нанометрового производственного плана Intel .


Начните с песка

Процесс создания компьютерного чипа начинается с песка, называемого кварцевым песком, который состоит из диоксида кремния.

Кремний является основным материалом для производства полупроводников и должен быть чистым, прежде чем его можно будет использовать в производственном процессе.


Слиток кремния

Многократные процессы очистки и фильтрации выполняются для получения кремния электронного качества, который имеет чистоту 99,9999%.

Слиток очищенного кремния весом около 100 кг формуют из расплавленного кремнезема и готовят к следующему этапу.


Нарезанные вафли

Круглый кремниевый слиток нарезается на максимально тонкие пластины, сохраняя при этом способность материала использоваться в процессе изготовления.

Затем кремниевые пластины очищают и полируют, чтобы обеспечить наилучшую возможную поверхность для следующих этапов изготовления.


Фотолитография

После полировки и подготовки к процессу на пластину наносится тонкий слой фоторезиста.

Затем этот слой подвергается воздействию маски УФ-излучения, форма которой повторяет схему схем микропроцессора.

Экспонированный фоторезист становится растворимым и смывается растворителем.


Ионы и допинг

Экспонированный фоторезист смывается, а кремниевая пластина бомбардируется ионами, чтобы изменить ее проводящие свойства – это называется легированием.

Оставшийся фоторезист затем смывается, открывая образец пораженного и неповрежденного материала.


Травление

Рисунок из твердого материала наносится на пластину с помощью еще одного этапа фотолитографии.

Затем химические вещества

используются для удаления нежелательного кремния, оставляя после себя тонкие кремниевые выступы.

После этого применяются дополнительные этапы фотолитографии, которые создают дополнительную структуру транзистора, в зависимости от того, какое формирование затвора используется.


Гальваника

На поверхность почти готового транзистора нанесен изоляционный слой и в нем вытравлены три отверстия.

Затем производители используют процесс, называемый гальванопокрытием, для нанесения ионов меди на поверхность транзистора, образуя слой меди поверх изоляции.

Излишки меди счищаются, оставляя только три отложения меди в отверстиях изоляционного слоя.


Многоуровневые межсоединения

Все транзисторы теперь соединены в архитектуру, которая позволяет чипу функционировать как процессор.

Слои и конструкция этих межсоединений невероятно сложны, и в одном процессоре может быть более 30 слоев металлических соединений.


Штамп для испытаний и нарезки

Теперь чипы на пластине готовы к тестированию.

Пластина нарезается на штампы, и функциональные штампы переходят к заключительному этапу производственного процесса.


Упаковка

Кристаллы

упакованы с подложкой и распределителем тепла и имеют знакомый форм-фактор процессора для настольных ПК.

Теплоотвод отводит тепло от кремния к установленному на нем радиатору.

Затем процессоры

проверяются на энергоэффективность, максимальную частоту и другие показатели производительности.

Те, которые проходят, затем упаковываются как розничный продукт.


Обзор видео


Прочтите: разогнанный AMD Ryzen 1800X побил мировой рекорд Cinebench

Как транспортировать материалы для компьютерных микросхем

Материалы, используемые в компьютерных чипах и процессорах, требуют особого обращения во время транспортировки из-за их потенциально летучей или хрупкой природы. Чтобы обеспечить надлежащий поток товаров по цепочке поставок электроники, вам необходимо предотвратить потери, защитив даже сырье от повреждений.Безопасная транспортировка компьютерных материалов производителям электроники необходима для удовлетворения растущего мирового спроса на компьютеры и другие подключенные устройства. По состоянию на 2019 год во всем мире использовалось около 1,33 миллиарда персональных компьютеров, не считая планшетов и других мобильных устройств. Эти данные ясно показывают постоянно растущую потребность в бережном обращении с материалами, используемыми для создания таких продуктов в таких больших количествах.

Содержание

  1. Какие материалы входят в состав компьютерных микросхем и процессоров?
  2. Как безопасно транспортировать материалы для компьютерных процессоров
  3. Как хранить материалы для компьютерных микросхем и процессоров

Какие материалы входят в состав компьютерных микросхем и процессоров?

Компьютерные чипы и процессоры изготавливаются из трех материалов, из которых состоит основная часть их конструкции: кремний, пластик и медь.Диоксид кремния получают либо из кварцевого песка, либо из кварца. Кремний требует очистки. Для производства кремния из кварца производители плавят и кристаллизуют породу. Созданные кристаллы настолько прочны, что требуют использования алмазной пилы, чтобы разрезать их на тонкие пластины. Песок требует аналогичного количества шагов для производства слитков кремния электронного качества.

Как правило, эти очищенные цилиндрические слитки кремния имеют диаметр 12 дюймов и чистоту 99,9999%, или одну постороннюю частицу на один миллиард атомов кремния.Пластины или слитки могут нуждаться в хранении и транспортировке для доставки на заводы по производству чипов, которые должны поддерживать очень чистую атмосферу для предотвращения загрязнения чипов. На самом деле чистые помещения для производства микросхем требуют чистоты в 1000 раз выше, чем операционные больниц.

Однако некоторые минералы, используемые в меньших количествах, так же важны для функционирования чипов и процессоров. Например, для очистки кремниевых пластин и обеспечения их чистоты производители используют перекись водорода и серную кислоту.Промывка плавиковой кислотой и деионизированной водой следует за парой ванн с этими первыми двумя химическими веществами. Наконец, пластины подвергаются окончательной ванне с соляной кислотой, перекисью водорода и деионизированной водой.

Другие материалы, которые некоторые производители могут использовать в своих компьютерных чипах или процессорах, включают следующее:

  • Гафний: Редкий металл, наиболее часто используемый в ядерных реакторах. Это ускоряет процессоры.
  • Тантал: используется в транзисторах графического процессора вместе с палладием для увеличения объема памяти чипа.
  • Палладий
  • Гидроксид калия: это химическое вещество, также известное как едкое кали, наносит схему на плату.
  • Алюминий
  • Золото
  • Цинк
  • Железо
  • Никель
  • Медь

Это лишь некоторые из многочисленных материалов, используемых при производстве компьютерных микросхем. Некоторые химические вещества, используемые во время обработки, или драгоценные металлы требуют осторожного обращения из-за их опасного характера или дороговизны. Безопасная транспортировка и хранение этих материалов являются важнейшими элементами цепочки поставок для производителей компьютеров и электроники.

Как безопасно транспортировать материалы для компьютерных процессоров

Как и ожидалось, безопасная транспортировка материалов, используемых для компьютерных микросхем и процессоров, требует осторожности. Потенциально едкие химические вещества, такие как соляная кислота и серная кислота, должны оставаться изолированными, чтобы сохранить их чистоту и не повредить другие материалы.

При транспортировке химических веществ часто требуется контроль температуры, чтобы предотвратить возникновение реакций с материалами. В зависимости от того, куда вы будете отправлять химикаты, вам могут понадобиться обогреваемые или рефрижераторные контейнеры.Кроме того, некоторые материалы могут быть легковоспламеняющимися и нуждаться в изоляции от пламени и искр во взрывозащищенных контейнерах.

При перевозке химикатов водители и лица, занимающиеся упаковкой материалов, должны пройти тщательную подготовку по упаковке используемых грузовиков или транспортных контейнеров. Неравномерная упаковка может привести к опрокидыванию грузовика или содержимого внутри. Это произошло с прицепом-цистерной, который рабочие сначала распаковали сзади, что привело к перегрузке передней части и опрокидыванию грузовика.

Едкие химические вещества, такие как соляная кислота, часто перевозятся в больших концентрациях, что делает их еще более опасными при транспортировке.Если оставить разлагаться или упаковать в контейнеры с реактивными материалами, эти кислоты могут выделять токсичные газы.

При каждой перевозке опасных веществ тщательно обучайте всех рабочих правильной упаковке, загрузке и обращению с химикатами. Держите каждый контейнер четко маркированным и убедитесь, что вы полностью заполнили документы, чтобы все в цепочке поставок знали, что с контейнерами нужно обращаться одинаково осторожно.

Другие материалы, такие как палладий, гафний и золото, нуждаются в дополнительной защите от кражи.Надежные контейнеры и условия доставки гарантируют, что эти материалы будут доставлены в пункт назначения.

Разрезанные кремниевые пластины и штампы могут быть повреждены статическим электричеством. При транспортировке этих материалов необходимо защитить их от электростатического разряда (ЭСР).

При транспортировке нераспиленные вафли остаются в коробках, а формы остаются в вафельных упаковках. Азот заполняет мешки, окружающие любой из этих продуктов, чтобы защитить их от внешних повреждений или загрязнения. Распиленные пластины лежали на липкой ленте, которая также укладывалась в заполненные азотом пакеты.Чтобы продукты доставлялись в хорошем состоянии, вы должны защищать их от экстремальных температур и ударов. Температура должна оставаться в пределах от 8 градусов Цельсия (46,4 градусов по Фаренгейту) до 60 градусов Цельсия (140 градусов по Фаренгейту).

Как хранить материалы для компьютерных микросхем и процессоров

Хотя многие производители заказывают материалы по запросу, чтобы покрыть пробелы в цепочке поставок, такие производители, как Texas Instruments, часто имеют около 90 дней запасов для удовлетворения потребностей.Условия хранения материалов, используемых для микросхем и компьютерных процессоров, аналогичны условиям транспортировки.

Химические вещества нуждаются в тщательно контролируемых температуре и условиях окружающей среды, чтобы защитить их от разлива или причинения ущерба из-за их едкой природы.

Вы должны защищать пластины и кристаллы от электростатического разряда и экстремальных температур. Условия хранения зависят от того, храните ли вы штампы и пластины без защитных пакетов, наполненных азотом. При хранении запечатанными в пакетах поддерживайте такую ​​же температуру, как и при транспортировке, и уровень влажности около 75%.

Если вы извлекаете пластины или штампы из пакетов, храните их в герметичном контейнере с газообразным азотом. Влажность должна оставаться в пределах от 7% до 30%, а температура должна быть в более узком диапазоне, чем при транспортировке. Поддерживайте температуру внутри этих контейнеров между 18 градусами Цельсия (64,4 градуса по Фаренгейту) и 24 градусами Цельсия (75,2 градуса по Фаренгейту). Рефрижераторные контейнеры могут помочь вам сохранить такую ​​жестко ограниченную среду для хранения пластин и штампов как в их мешках, так и вне их транспортных мешков, заполненных азотом.

Приобретите взрывозащищенные или резервные контейнеры для защиты компьютерных материалов

Одним из способов защиты материалов, используемых для компьютерных процессоров и чипов, является их хранение и транспортировка во взрывозащищенном рефрижераторном контейнере (когда это необходимо для определенных химикатов) или использование резервных систем контейнеров (которые имеют резервную холодильную установку для обеспечения надлежащего поддержание температуры). Одиночные и резервные системы также доступны для перевозки наливных жидких химических веществ (известных как контейнеры-цистерны).

При наличии значительного количества материалов, необходимых для удовлетворения растущего спроса на компьютеры и аналогичные электронные устройства, вы не можете рисковать и повредить используемые материалы. Чтобы получить дополнительную информацию о наших рефрижераторных контейнерах и других вариантах транспортировки и хранения материалов для переработчиков, свяжитесь с нами сегодня.

Это проницательное видео Intel объясняет, как производятся процессоры, словами, которые вы действительно можете понять

Да, компьютерные процессоры работают. Но задумывались ли вы когда-нибудь над , как они работают? Сегодня корпорация Intel опубликовала увлекательный анимационный видеоролик, в котором рассказывается о «ключевых концепциях и их роли в производстве микросхем.” Болтливый процессор Chip, который проводит вас через видео, навевает воспоминания о вызывающем раздражение Clippy, представленном Microsoft в Office 97 (и убитом в 2014 году), тем не менее, стоит потратить пять минут на его просмотр, если вы когда-либо были интересно, как мозг вашего компьютера оживает.

Энтузиасты ПК

часто используют такие термины, как транзисторы, кремниевые пластины, фотолитографические маски, межсоединения и подложки. Видео от Intel дает отличный общий обзор того, что на самом деле означает .Более того, он делает это в дружелюбной и доступной манере, так что вы действительно можете понять, даже если у вас нет диплома инженера. Посмотрев его, вы лучше оцените всю тяжелую работу, проделанную крутым процессором, лежащим в основе вашей игровой системы.

Проверьте это!

Хотите нырнуть еще глубже в кроличью нору? Вчера Intel также опубликовала видео, в котором подробно рассказывается о технологии транзисторов, хотя оно не так доступно для нетехнических типов.«Узнайте больше о том, как мы превращаем песок в кремниевые чипы, которые питают мир», — обещает он.

В последнее время Intel распространяет более полезную информацию. Ранее в этом году компания распахнула двери своих секретных лабораторий по разгону, раскрыв, что инженеры Intel используют для повышения частоты процессора до 11.

.

Если вам интересно узнать больше о том, как изготавливаются компоненты вашего ПК, несколько экскурсий по фабрике пролили свет на различные части оборудования. Они не такого высокого уровня, как видео о чипах Intel — они не объясняют основных концепций, а просто показывают, как делается колбаса, — но, тем не менее, они освещают ситуацию.

Мы разместили наши камеры на заводе по производству материнских плат Gigabyte, а Gamers Nexus рассказали о производстве кулеров AMD Ryzen, жидкостных кулеров Cooler Master и DeepCool, корпусов NZXT, закаленного стекла и медных тепловых трубок. Мы встроили их все ниже для вашего удовольствия от просмотра.

Руководство по различным типам процессоров

Центральный процессор компьютера, или ЦП, управляет действиями и потоком данных в компьютере.Есть два основных производителя компьютерных процессоров, Intel® и AMD®. У обоих производителей есть три общие линейки процессоров.

Во всех случаях ЦП компьютера должен быть совместим с материнской платой, памятью, блоком питания и любыми видеокартами. Узнайте больше о сборке ПК из нашего руководства.

Оба производителя ЦП имеют три линейки процессоров в зависимости от производительности и, конечно же, стоимости. Эти линии меняют названия по мере того, как компании переоснащают свои продукты.

Процессоры

Budget предназначены для эффективного и экономичного выполнения основных компьютерных задач. Эти процессоры легко справятся с большинством офисных программ, просмотром веб-страниц, редактированием фотографий и другими общими задачами.

Бюджетные процессоры

имеют примерно 85% производительности по сравнению с основной моделью. Если вы модернизируете свой компьютер, бюджетный процессор, скорее всего, будет совместим со старой материнской платой и более медленной памятью.

Процессоры

массового или среднего класса могут быть физически больше и могут выполнять задачи с более высокой производительностью, такие как 3D-игры, редактирование видео и другие приложения с интенсивным использованием мультимедиа.

Основные процессоры

потребляют больше энергии и могут иметь ядра и кэш-память, несовместимые со старыми материнскими платами и памятью. Однако, если вы обновите всю свою систему, вы увидите повышение производительности.

Самые быстрые процессоры, известные как экстремальные или high-end, используются для игр, интенсивной графики, создания и редактирования профессионального видео и статистического анализа. Если вы обновляете существующий компьютер, обратите особое внимание на характеристики совместимых компонентов.Высокопроизводительные процессоры потребляют больше энергии и требуют больше памяти. Подробнее об игровых спецификациях читайте здесь.

По мере развития всех компьютерных технологий передовые технологии внедряются в компоненты самого высокого уровня, а затем перемещаются вниз. Это справедливо и для процессоров. Текущая тенденция состоит в том, чтобы вводить все больше и больше ядер в каждый ЦП. Это приводит к повышению производительности в многозадачных средах, например, в приложениях, использующих многопоточность, таких как веб-браузер.Это увеличение количества ядер коснется процессоров среднего и бюджетного уровня.

Еще одним технологическим прорывом являются встроенные контроллеры памяти, которые повышают производительность системы за счет уменьшения задержки памяти. Однако встроенные контроллеры памяти обычно совместимы только с некоторыми типами ОЗУ.

Выбор процессора зависит от вашего бюджета и других компонентов вашей системы. Обязательно тщательно проверьте совместимость процессора со всеми остальными компонентами вашей системы.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.