Перспективы развития микропроцессоров.

Содержание


Введение
Глава I Достижения в развитии микропроцессоров
1.1 Особенности архитектуры микропроцессоров
1.2 Использование технологии Hyper-Threading в современных микропроцессорах
1.3 Микропроцессоры Athlon-64
Глава II Направления развития микропроцессоров
2.1 Тенденции развития микропроцессоров
2.2 Закон Мура и перспективы развития микроэлектроники
2.3 Суперкомпьютеры и микропроцессоры
Глава III Будущее микропроцессорной техники
3.1 Будущие технологии производства микропроцессоров
3.2 Многоядерные процессоры
3.3 Перспективы развития процессоров и платформ Intel
3.4 Ближайшие перспективы развития процессоров AMD
3.5 Перспективы развития российской высокопроизводительной микропроцессорной техники серии «Эльбрус»
Заключение
Глоссарий
Список использованной литературы
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3

Перспективы развития микропроцессоров.

размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.
Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня. Например, в Pentium II использованы внутрикристальные кэш-памяти первого уровня для команд и данных по 16 Кбайт каждая, работающие на тактовой частоте процессора, и внекристальный кэш второго уровня, работающий на половинной тактовой частоте.
3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств
Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительныхустройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).
В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено двумя для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.
Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации.
Широко используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3 Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.
4. Системы на одном кристалле и новые технологии.
В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные на одном кристалле - SOC (System On Chip). Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.
Использование новой технологии открывает широкую перспективу для создания более мощных и миниатюрных микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.
II.2 Закон Мура и перспективы развития микроэлектроники
Вот уже более трети века микроэлектронная эволюция движется в соответствии с темпом, определенным известным всем компьютерщикам утверждением: сложность микросхем возрастает в два раза каждые 18 месяцев. Утверждение, сделанное в 1965 году директором научно-исследовательского подразделения компании Fairchild Semiconductors Гордоном Муром, за прошедшие без малого четыре десятка лет обрело статус чуть ли не закона природы и нашло подтверждение во множестве областей как самой микроэлектроники, так и смежных с нею областей: согласно закону Мура усложняются и чипы оперативной памяти, и микропроцессоры, множится тактовая частота электронных компьютерных сердец, развиваются многие другие параметры и показатели. Однако потенциал подмеченной однажды тенденции сильно преувеличен.
Дело в том, что закон Мура как таковой давно уже не принадлежит его автору. Мур, анализировавший данные полупроводниковой эволюции в период с появления первого микрочипа (1959 г.) до 1965 года, впервые констатировал факт удвоения сложности микросхем каждый год, причём оговорился, что справедливо это для чипов с самой дешёвой стоимостью компонентов. Иначе говоря, Мур имел в виду выведенные на рынок сложные микросхемы и предполагал, что подмеченная им тенденция будет справедлива на протяжении ещё, как минимум, десяти лет. Десять лет спустя, после основания компании Intel и изобретения микропроцессора, подстегнувшего полупроводниковую эволюцию, формулировка была подкорректирована. Гордон Мур изменил трактовку своего утверждения, сместив акцент со стоимости на сложность. В новом варианте закон Мура декларировал удвоение числа компонентов на самых сложных чипах и уже за два года. И это былая последняя его авторская редакция: в дальнейшем закон, обретший сравнительную известность, переписывали, кто хотел и как хотел, от журналистов до корпоративных PR-служб (в том числе и Intel). К настоящему моменту самый известный его вариант гласит: удвоение сложности микропроцессоров происходит каждые 18 месяцев.
Концовка закона Мура видится разным экспертам по-разному. Классический вариант гласит, что рано или поздно усложнение микроэлектронной продукции приведёт к исчерпанию возможностей существующих технологий и принципиальному изменению производственного процесса и механизмов функционирования самой электроники. Но есть и другие теоретические развязки. Одна из них - победа вычислительной мощи над сложностью решаемых задач: в случае, если производительность микропроцессоров однажды перекроет потребности разработчиков софта, дальнейшее повышение скорости и сложности устройств окажется невостребованным рынком, а следовательно, и экономически невыгодным.
На днях был сформулирован и третий вариант концовки: Чем больше элементов содержит чип, тем более мощный источник питания ему необходим. Конечно, отрицать прогресс в развитии энергосберегающих технологий глупо, но судя по тому, что сегодняшняя мобильная электроника чаще всего работает вполсилы, дабы не посадить свои аккумуляторы за полчаса, механизмы экономии неспособны конкурировать с темпами роста потребления энергии. Отсюда прямая необходимость введения второго закона Мура, учитывающего не просто сложность, но производительность системы. Формулировка его может звучать примерно так: общая чистая эффективность электронной системы удваивается каждые 24 месяца.
В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10).
График изменения количества транзисторов представлен на рисунке 1.
Рис.1
Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.
За время существования корпорации Intel (т.е. с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак - например, запятую. В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн транзисторов.
Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.
В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются.
Закон Мура означает увеличение производительности. Вычислительная мощность, измеряемая в миллионах команд в секунду, стабильно увеличивалась с повышением количества транзисторов. Однако закон Мура также означает сокращение расходов. С увеличением производительности полупроводниковых компонентов и элементов платформы стоимость их производства экспоненциально уменьшается, благодаря чему увеличивается их количество и распространенность в повседневной жизни.
II.3 Суперкомпьютеры и микропроцессоры
Развитие вычислительных систем с наивысшей производительностью (суперкомпьютеров) тесно связано с новейшими технологическими достижениями, в первую очередь в области микроэлектроники. Предполагает оно и решение энергетических проблем, задач оптимальной компоновки и межсоединений. В суперкомпьютерах стремятся объединить максимально возможное с технологической точки зрения число логических схем и элементов памяти.
Для работы на высокой частоте эти схемы должны быть объединены в предельно компактной конструкции, чтобы сократить потери сигналов в межсоединениях. Увеличение плотности компоновки, как на уровне интегральных схем, так и на уровне модулей и устройств, приводит к увеличению удельной мощности питания и удельного тепловыделения. В этих условиях необходимы эффективные методы разводки шин питания и средства отвода тепла, в частности жидкостные или фреоновые системы охлаждения. Поэтому остро стоит проблема создания интегрированных систем моделирования, разработки, верификации, изготовления и контроля изделий. Только такие системы способны обеспечить приемлемые технико-экономические показатели разработки в целом.
В то же время развитие микропроцессоров было бы невозможно без того задела в архитектуре и в методах повышения производительности, который накоплен при разработке суперкомпьютеров. Более того, в применяемых для создания микропроцессоров мощных САПР в качестве инструментальных средств часто используют суперкомпьютеры. Трудно переоценить значение суперкомпьютеров и в таких областях, как ядерная физика, астрофизика, геофизика, метеорология, биология, биомедицина, проектирование летательных аппаратов, где чрезвычайно важную роль играет математическое моделирование. Повышение производительности вычислительных систем увеличивает точность моделей и сокращает время вычислений.
Рост производительности вычислительных систем достигается путем повышения тактовой частоты при увеличении быстродействия логических элементов, повышения степени параллелизма за счет объединения в системе большого числа одновременно работающих логических, вычислительных и запоминающих устройств, а также путем совершенствования алгоритмов решения прикладных задач и повышения эффективности программного обеспечения. За последние 25 лет тактовая частота микропроцессоров увеличилась с 1 до 600 МГц, в векторных суперкомпьютерах – с 80 до 500 МГц. Производительность возросла соответственно с 0,1 MFLOPS до 1,2 GFLOPS и с 160 MFLOPS до 32 GFLOPS, т.е. повышение степени параллелизма в микропроцессорах и суперкомпьютерах позволило увеличить быстродействие соответственно в 20 и 50 раз.
Еще более резко пиковая производительность возросла в современных системах с массовым параллелизмом, создаваемых на основе объединения тысяч высокопроизводительных микропроцессоров.
Так, в системе T3E фирмы Cray Research, включающей в себя до 2048 микропроцессоров, пиковая производительность достигает 2,5 ТFLOPS. Таким образом, за 30 лет (в середине 60-х годов был преодолен рубеж 1 МFLOPS) производительность на аппаратном уровне поднялась более чем в миллион раз. Оценить рост эффективности алгоритмов и программ сложнее. Однако можно утверждать, что только их совершенствование не может обеспечить роста производительности, соизмеримого с ее ростом на аппаратном уровне [1].
Известны две основные разновидности архитектуры суперсистем [2].
Первая разновидность – векторные машины, основанные на предельной тактовой частоте и конвейерных структурах. В них одновременно выполняются операции в рамках векторной команды и несколько векторных или скалярных команд. Машины такого типа прошли несколько этапов развития – от реализации на ИС среднего уровня интеграции до выполнения на специализированных наборах СБИС, технологически близких к новейшим микропроцессорам.
Вторая разновидность – системы с массовым параллелизмом. Их развитие началось еще до появления микропроцессоров. Предпринимались попытки создавать специализированные СБИС для таких систем (например, транспьютеры). Однако они не выдержали конкуренции с универсальными микропроцессорами, разработанными для машин массового применения. На аппаратном уровне построение систем массового параллелизма сопряжено с разработкой специализированных СБИС для коммутации и обмена данными между узлами системы, состоящими из одного или нескольких микропроцессоров и локальной памяти.
Из-за высокой сложности современных СБИС, в частности микропроцессоров, стоимость разработки и производства новых СБИС окупается только при значительном их тиражировании [8]. Поэтому специализированные СБИС для суперкомпьютеров, выпускаемые малыми сериями, будут иметь либо более низкую степень интеграции и, соответственно, худшие параметры, либо очень высокую цену. Ближайшие перспективы развития микроэлектроники связывают с кристаллами, содержащими от 100 млн. до 1 млрд. транзисторов, что на один-два порядка больше, чем в новейших микропроцессорах. По-видимому, в силу экономических причин основные усилия будут сосредоточены на создании кристаллов для вычислительных машин массового применения. При этом возможны три подхода к архитектуре кристаллов:
разработка интегральных структур, объединяющих на одном кристалле процессор, оперативную память и другие элементы персонального компьютера [9];
получение на одном кристалле мультипроцессорных структур на базе схемотехники и топологии современных микропроцессоров [10];
создание новых архитектур унипроцессоров с более высокой производительностью.
Очевидно, что только третье направление закладывает основы для развития как машин массового применения, так и суперсистем. Однако при повышении производительности одного процессора приходится отводить значительную площадь для кэш-памяти второго уровня и схем предварительного анализа условных переходов. В результате только небольшая часть кристалла остается для собственно функциональных устройств [11].
В предлагаемой вычислительной структуре заложена масштабируемость и модульность как всей системы, так и отдельных подсистем, что достигнуто благодаря возможности объединения до восьми основных вычислительных модулей. Каждый модуль состоит из модульного мультипроцессора, модульного унипроцессора и общей оперативной памяти. Неоднородность структуры вычислительных средств обеспечивает ориентация мультипроцессора на параллелизм программ, а унипроцессора – на векторную обработку.
Мультипроцессор может быть реализован на наиболее высокопроизводительных микропроцессорах (в перспективе следует ожидать роста их производительности до 4 GFLOPS). При 2048 микропроцессорах интегральная производительность мультипроцессора составит 8 TFLOPS [16].
Унипроцессор предназначен для решения конвейеризуемых или векторизуемых фрагментов задач, в особенности для вычисления сложных векторных выражений. Такая специализация существенно повышает его производительность за счет объединения в виде последовательных цепочек и параллельных ветвей большого числа конвейерных модулей.
Глава III Будущее микропроцессорной техники
III.1 Будущие технологии производства микропроцессоров
Известно, что существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий.
В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика). Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для его высочайшего быстродействия (заряженные частицы передвигаются быстрее через затвор, в результате чего такой VT может переключаться до 10 миллиардов раз в секунду). Упрощенно - чем ближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), тем «большее влияние» в плане быстродействия он будет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора.
Но с другой стороны, такой тонкий диэлектрик пропускает большие паразитные токи электронов утечки из затвора в канал (идеальный МОП-транзистор должен пропускать ток от истока к стоку и не пропускать - от затвора к истоку и стоку). И в современных высокоинтегрированных микросхемах с сотнями миллионов транзисторов на одном кристалле токи утечки затворов становятся одной из фатальных проблем, препятствующих дальнейшему наращиванию количества транзисторов на кристалле. Более того, чем меньше по размерам мы делаем транзистор, тем тоньше нужно делать подзатворный диэлектрик. Но при его толщинах менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание традиционных транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров (если при этом мы хотим получить от них хорошие скоростные характеристики). По оценкам экспертов, в современных чипах почти 40% энергии может теряться из-за утечек.
Поэтому важность открытия ученых Intel нельзя недооценивать. После пяти лет исследований в лабораториях корпорации разработали специальный материал, позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в обычном маршруте производства микросхем. Требования к такому материалу весьма серьезны: высокая химическая и механическая (на атомарном уровне) совместимость с кремнием, удобство производства в едином цикле традиционного кремниевого техпроцесса, но главное - низкие утечки и высокая диэлектрическая проницаемость.
Если бороться с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм . Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10-12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл.
Исходя из этой картинки можно предположить, что новый материал - это тоже оксид. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди.
Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора - привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (ширина запрещенной зоны транзистора определяет минимально возможные для него напряжения). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП) в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов (см. график). В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.