Современные микропроцессорные технологии

Достижения ведущих производителей в искусстве проектирования и производства полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры в все более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время работают с комплиментарным технологическим процессом метал — оксид полупроводник с разрешением менее, чем микрон.

Долгое время процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных суперкомпьютеров.

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров, обусловленное:

• ? низкой активностью конкурентов на рынке в виду достаточной прибыльности продаж их предшественников;
• ? доминирующим положением цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний;
• ? необходимостью внедрения принципиально новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. [2. C. 156]

Тем не менее, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Несколько десятилетий назад первые процессоры Pentium производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году.

Основные этапы производства процессоров представлены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Основные этапы производства процессоров.

Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния — подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.

Затем следует фотолитография — процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются пространства, которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям. микропроцессорный технология рынок После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет впоследствии установлен. Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. [10. C. 104] Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла.

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных.

При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Ведущие разработчики мира намерены заменить эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.

По мнению экспертов, увеличение числа ядер и компонентов в процессорах ведет к снижению эффективности соединительных проводов, которые переполняются данными и становятся слабым каналом связи.

Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в сотни раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью.

Преимуществом подобной технологии является отсутствие требований по применению внутри процессоров огромного количества тонких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.

Кроме того, сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, может сделать компьютеры более экологичными — дружественными для окружающей среды, так как лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.

Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2016 году.

Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1−2% слоя кремния, из которого он сделан.

В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители намерены использовать в вертикальных слоях как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, другие разработчики создают многослойные 3D-структуры внутри чипов.

Вместо того, чтобы впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, компания Tabula использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат восемь разных слоев, свойства которых можно изменить всего за 80 пкс, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд. [17. C. 16].

Быстродействие современных процессоров достигает около сотни или более миллионов команд (или инструкций) в секунду.

Для решения задач, требующих разработки систем с повышенной производительностью, широкое распространение получили многоядерные микропроцессорные системы. До последнего времени одним из основных методов повышения производительности было повышение тактовой частоты процессоров при одновременном совершенствовании систем буферизации обмена данными с основной памятью.

Однако в настоящее время такой путь развития стал достаточно трудной задачей в силу действия ограничений, определяемых законами физики. Например, скорость доступа к памяти растет не так быстро, как скорость работы вычислительных устройств, что может свести на нет преимущества от повышения частоты процессора.

Практически единственным решением этой задачи в рамках существующих технологий является распараллеливание вычислений, суть которого состоит в том, что программа на уровне исходного программного ода может быть разделена на несколько независимых потоков команд, выполняемых на самостоятельных вычислительных блоках. Варианты построения таких систем были известны и проработаны достаточно давно. Сейчас же эти варианты переносятся с уровня законченных процессорных блоков на уровень микросхем процессоров; при этом многопроцессорность дополняется суперскалярностью.