ГлавнаяКонтактыКарта сайта
ЕПОС
О компанииКомпьютерная криминалистикаВосстановление информацииЗащита информацииПроизводство и ITСервисНаши разработки

Расследование инцидентов, компьютерная криминалистика, информационная безопасность

Книжная серия Взгляд на жесткий диск изнутри




Архив статей


06.06.2001
Эволюция техпроцесса на примере процессоров Intel

Сергей ТКАЧЕНКО
инженер исследовательского отдела компании «ЕПОС»

Всегда ли цель выпустить хороший продукт
оправдывает вложенные в него средства...

Народный ЕПОС

Эволюция транзистора и революции процессоров

Технологический процесс производства микропроцессоров неразрывно связан с эволюцией и постоянным усовершенствованием транзистора. Транзистор, изобретённый в 1948 году в лабораториях корпорации Bell, позволил создавать компьютер из малоразмерных электронных схем, созданных на печатных платах. Революционная роль транзистора – в его малых размерах. Объединение большого числа таких транзисторов на текстолитовой плате позволило создавать отдельные узлы и даже целые устройства. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения. Но ведь с точки зрения технологического процесса нет особой разницы, делать ли один транзистор на подложке или сразу много. Изготовив достаточное количество транзисторов на одной подложке, остается один шаг до превращения нескольких транзисторов в интегральную микросхему – соединить определённым образом полученные транзисторы. И такой революционный шаг был сделан спустя ровно 10 лет после изобретения транзистора. Первая настоящая интегральная схема была выпущена в 1958 году компанией Texas Instruments.

Рис. 1. Первая интегральная микросхема, выпущенная компанией Texas Instruments в 1958 году (две фотографии слева), и часть ядра Pentium ММХ (фотография справа)

Невооруженным глазом видны отличия. На левой фотографии еще не задумывались ни о техпроцессе, ни о дизайне изделия.

Интегральные микросхемы постепенно стали составной частью практически любого радиоэлектронного устройства, в том числе и ЭВМ. ЭВМ стали применяться не только для научных расчетов, но и в бизнесе. Но это всё же ещё были очень громоздкие и дорогие устройства.

Спустя 11 лет после выпуска первой интегральной микросхемы произошла очередная революция: появился микропроцессор. В 1969 году на только что созданную Intel поступил заказ от японской компании Busicom на разработку 12 специализированных микросхем для бухгалтерского калькулятора. Вместо этих микросхем инженеры Intel во главе с Гордоном Муром и Робертом Нойсом разработали микропроцессор общего назначения, предназначенный для применения в калькуляторах. Это был однокристальный микропроцессор, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус).

С появлением микропроцессоров эволюция транзисторов, из которых, собственно, и состоит любая микросхема, не остановилась. Продолжается борьба за чистоту исходных кремниевых пластин. Более точно дозируемым становится процесс внесения легирующих примесей. Это позволяет постоянно улучшать частотные свойства транзисторов. Но настоящая битва развернулась на фронте улучшения разрешающей способности процесса фотолитографии, лежащего в основе производства микросхем. Это так называемая «технологическая норма» технологического процесса. Она определяет минимальный размер элементов, которые могут быть сформированы на пластине. Когда говорят, например, о технологии 0,18 мкм, то подразумевают именно значение нормы технологического процесса 0,18 мкм.

Процессор i8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм2. Для сравнения, современный процессор Pentium 4 состоит из 42 млн транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 мм2. Матрица процессора Р4 имеет в 1400 раз больше транзисторов, чем у процессора 8088, однако площадь поверхности его ядра только в 7 раз больше размера ядра 8088!

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением является то, что при уменьшении нормы технологического процесса можно значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров (очередная революция) стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Это позволило внедрить в архитектуру процессора поистине революционные изменения:

  • В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере.
  • На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1, которые до этого располагались в отдельных микросхемах.

Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года.

486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Компьютеры с такими процессорами во многих случаях используются и в настоящее время. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами.

Процессор следующего поколения, Pentium, появился уже не через десятилетия, а меньше чем через 4 года, в марте 1993.

Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс – 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Основные особенности процессора:

  1. Ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты.
  2. Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этих проблем на кристалле расположили специальный буфер, Branch Target Buffer, с помощью которого реализован механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление (IF...ELSE или CASE 1...CASE N), в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника – 486-й, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени.

Уже первые модели процессоров Pentium были настолько совершенны (для своего времени), что во многих приложениях производительность компьютера определялась не скоростью вычислений, а скоростью обмена данными процессора с кэш второго уровня (L2). Ведь обмен данными осуществлялся по общей системной шине, как и в процессорах i486 (рис. 2).

Рис. 2. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе 486-х CPU

Конечно, этот недостаток был известен, но при технологии 0,8 мкм расположить кэш-память второго уровня на одном кристалле с процессором было невозможно.

Первая попытка расположить кэш второго уровня если не на одном кристалле, то хотя бы рядом с ядром процессора была реализована в процессоре Pentium Pro. Этот процессор появился, когда технология достигла уровня 0,5 мкм. Изготовленные по этой технологии CPU и кэш второго уровня могли разместиться в одном корпусе. Обмен данными процессора с кэш второго уровня осуществлялся не по системной шине, а напрямую, на частоте его ядра.

В процессоре Pentium Pro были реализованы и другие новшества:

  • Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14.
  • Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.

Только с переходом на технологию 0,35 мкм процессоры шестого поколения нашли широкое применение. Первым в этой серии был процессор Pentium II. Правда, кэш второго уровня так и осталась в виде отдельной микросхемы. Более того, кэш работала на частоте в два раза меньшей, чем ядро процессора (рис. 3). Тем не менее это был серьёзный шаг в повышении производительности, и к тому же цена процессора оказалась доступной для большинства покупателей.

Рис. 3. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе CPU Pentium II

При переходе на 0,25-микронный техпроцесс появился новый процессор, Pentium III, в котором было достаточно много усовершенствований, однако кэш второго уровня всё ещё работала на половинной частоте ядра процессора.

Только с появлением процессора Pentium III Coppermine, изготавливаемого по 0,18-микронной технологии, кэш второго уровня переместилась в ядро процессора и стала работать на частоте ядра процессора (рис. 4).

Рис. 4. Архитектура организации обмена данными в платформах на основе CPU Pentium III Coppermine

Самый совершенный на сегодняшний день процессор семейства Pentium, Pentium 4, изготавливается также по 0,18-микронной технологии.

Ядро нового процессора было практически полностью переработано. Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Несмотря на революционную новизну архитектуры нового процессора, многие аналитики заметили, что производительность процессора всё же возросла весьма незначительно, а в отдельных тестах процессору Pentium 4 не уступает его предшественник, Pentium III, даже с более низкой тактовой частотой.

Отчасти такое положение обусловлено тем, что новая архитектура, безусловно, требует соответствующей оптимизации программного обеспечения, на что потребуется определённое время. Надо также понимать, что сегодняшний Pentium 4 – это некий компромисс между тем, что разрабатывали инженеры Intel, и тем, что позволила реализовать 0,18-микронная технология. Как заявил на проходившей в декабре 2000 года выставке «Micro-33» инженер Intel Дарелл Боггс (Darell Boggs): «Появившийся на рынке Pentium 4 является урезанным от первоначально спроектированного – нет мегабайтовой кэш-памяти L3, одного модуля для операций с плавающей точкой, намного меньше по первоначальному объему кэш исполнения и L1. Полноценный вариант занимал примерно 300 мм2 площади силиконовой подложки, что для производства является очень дорогим и нецелесообразным решением. С переходом на 0,13-микронный процесс все недостающие компоненты удастся разместить на подложке, что повысит быстродействие на сегодняшних приложениях».

Таким образом, со времени появления первого микропроцессора норма технологического процесса уменьшилась примерно в 17 раз. За это же время количество транзисторов в процессоре увеличилась в 18 000 раз, а тактовая частота – почти в 14 000 раз (табл. 1).

Таблица 1

Модельный ряд процессоров, выпущенных корпорацией Intel в 1969...2000 гг.

Название процессораТактовая частота CPU, МГцКоличество транзисторов, млнТехнология изготовления, мкмНапряжение питания, В
40040,1080,002335
808650,02935
8028612...160,1341,55
8038625...330,2751,55; 3,3
8048625...1201,2...1,815; 3,3
Pentium60...2003,1...3,30,8; 0,5; 0,355; 3,3
Pentium MMX166...2334,50,352,8
Pentium Pro166...2005,50,5; 0,353,3
Pentium II233...4507,50,35; 0,252,8; 2,0
Pentium III450...100018; 250,25; 0,181,5; 1,65
Pentium 41300...1500420,181,7

Новый техпроцесс

В самое ближайшее время ожидается переход на 0,13-микронный технологический процесс. Этот переход давно обещан ведущими производителями процессоров, но по разным причинам его внедрение откладывается. Тем не менее есть все основания полагать, что уже в этом году такой переход состоится. Чего можно ожидать от перехода на новую технологию?

При прочих равных условиях (если архитектура процессора останется неизменной) переход на 0,13-микронный техпроцесс:

  1. Позволит достигнуть больших тактовых частот.
  2. Снизит величину потребляемой энергии и, соответственно, количество выделяемого тепла.
  3. Позволит сэкономить на силиконовых пластинах (silicon wafer), так как чем меньше площади занимает процессор, тем больше можно разместить на одной пластине кристаллов CPU, что, конечно же, уменьшит себестоимость самого процессора.

Если не будет увеличен объём кэш-памяти L2 и не добавится кэш L3, то размер ядра 0,13 мкм версии Pentium 4 Northwood будет приблизительно наполовину меньше размера Willamette, т.е. около 110 мм2.

Есть, однако, предположение, и тому есть подтверждения с выставки Intel Developer Forum (IDF) 2001, что с переходом на новый 0,13-микронный техпроцесс Intel выпустит «настоящий» Pentium 4, с двумя блоками для операций с плавающей точкой и большей по размеру кэш второго уровня (512 кбайт).

В том или ином виде появления процессора Pentium 4, серийно выпускаемого по технологии 0,13 мкм, следует ожидать в самое ближайшее время. 28 марта 2001 года из пресс-релиза компании Intel стало известно, что уже была выпущена первая пробная партия микропроцессоров Pentium 4, выполненных по 0,13-микронному техпроцессу с использованием 300-миллиметровых кремниевых пластин (на заводе D1C, г. Хиллсборо, штат Орегон, США).

Рис. 5. 0,13-микронный Pentium 4, у которого ножки всего 2 мм (http://www.intel.com/research/)

Переход на 0,13-микронную технологию – это не единственное новшество, ожидаемое в ближайшее время. В настоящее время процессоры изготавливаются из кремниевых пластин, которые в настоящее время имеют диаметр 8 дюймов (200 мм) [процесс Р8ххх]. После анонса Northwood корпорация Intel должна постепенно перейти на 12-дюймовые кремниевые заготовки (300 мм) [процесс Р12ххх]. Для конечного пользователя переход производителей микропроцессоров на 12-дюймовые кремниевые заготовки может означать снижение цены процессора. Это всегда радостное событие, позволяющее купить хороший процессор за меньшие деньги.

Intel, конечно же, не в одиночку разрабатывает новые технологические нормы, по которым будут выпускаться следующие поколения CPU. Корпорация Nikon, заручившись наличием спроса, сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проекционной литографии (Electron Projection Lithography, EPL) с использованием производственных норм 0,07-микронного технологического процесса. Согласно сообщению представителей Nikon, компания Texas Instruments (та самая, что выпустила первую интегральную микросхему) изъявила желание использовать технологию EPL в производстве чипов памяти, как только консорциум производителей полупроводниковых изделий (Semiconductor Leading Edge Technology Inc., SELETE) одобрит и поддержит предложенную Nikon программу. Корпорация IBM заявила, что рассматривает EPL как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения. Agere Systems, дочернее предприятие Lucent Technologies, также является сторонником EPL. Исследовательское подразделение Nikon – Research Corporation of America – на конференции SPIE Microlithography, которая прошла в конце мая 2001 года в г. Санта-Клара, США, представило на одобрение конструкторскую документацию по программе Nikon EPL, начатой совместно с IBM ещё в 1995 году.

Nikon планирует начать коммерческие поставки EPL-оборудования чипмейкерам в конце 2004 года.

Прогнозы Intel (оптимистические)

Для решения проблемы уменьшения размеров транзисторов и токопроводящих дорожек в корпорации Intel создана целая рабочая группа под названием Technology & Manufacturing Group (TMG), имеющая в своём составе около 4000 служащих.

Это подразделение улучшает техпроцесс, делая его всё более «тонким», а также проводит громадные исследования по материалам, которые могут быть использованы в качестве проводников и токопроводящих элементов. В частности, инженеры, работающие в этой группе, доказали, что целесообразно будет вместе с переходом на 0,13-микронный техпроцесс использовать медные соединения. Но основные усилия этой группы направлены всё же на уменьшение нормы технологического процесса. Прогнозы специалистов этой группы представлены в табл. 2.

Таблица 2

Эволюция техпроцесса (по данным специалистов TMG)

Развитие технологииСегодняПрогноз
Кодовое обозначение процессораP852P854P856P858P860P1262P1264
Год выхода1993199519971999200120032005
Техпроцесс, мкм0,500,350,250,180,130,100,07
Тестовый техпроцесс, мкм0,500,350,200,130,070,050,03
 

Чтобы пояснить массовому пользователю, как же мал будет планируемый к выходу в 2005 году транзистор, специалисты из TMG заявили: «Транзистор по своему размеру будет идентичен вирусу». Конечно, это заявление несколько приукрашивает действительное положение дел. И в 2005 году транзисторы будут примерно на порядок «крупнее» вирусов. Но правы они в одном – это уже сопоставимые размеры.

В целом, по прогнозам корпорации Intel, к 2005 году:

  • Транзисторы будут иметь размеры 0,03 мкм, что для сравнения составляет ширину 3-х атомных слоев. На длине в один сантиметр можно расположить 12 млн транзисторов, а размер одного транзистора будет в 100 000 раз меньше толщины листа папиросной бумаги.
  • Транзисторы будут функционировать на частоте 10 ГГц.
  • На этих транзисторах будет создано ядро следующих поколений CPU от Intel, являющееся примерно в 10 раз более интегрированным, чем наиболее продвинутые на сегодняшний день процессоры Рentium 4. Для сведения: будущие микропроцессоры будут иметь 400 млн или большее количество транзисторов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц, и напряжение питания ядра менее 1 В. Выпускаемые сегодня Рentium 4 состоят из 42 млн транзисторов, работающих на частоте 1,3...1,5 ГГц, напряжение питания – 1,7 В.
  • Потребляя 1 В или того меньше, CPU следующего поколения будут потреблять значительно меньшее количество энергии, чем сегодняшние процессоры. Таким образом, они легко могут черпать энергию из батареек и аккумуляторов и использоваться в ноутбуках и КПК.

Прогнозы «ЕПОС» (пессимистические)

Прогнозы Intel действительно довольно оптимистичны. Но они касаются только одного аспекта: технологического. Нам же интереснее узнать, насколько повысится вычислительная мощность будущих компьютеров.

Производительность процессора неразрывно связана с технологическим процессом. Из вышеприведённого краткого анализа видно, что уменьшение нормы технологического процесса могло бы привести к уменьшению размеров кристалла процессора. Но реально этого никогда не происходило (рис. 6).

Рис. 6. Графическое представление характеристик центральных процессоров: количество транзисторов, тактовая частота, величина техпроцесса

Как только появлялась технологическая возможность, количество транзисторов в процессоре увеличивалось. Дополнительные транзисторы использовались для улучшения архитектуры, направленного на повышение производительности. Поэтому технологический процесс изготовления процессоров можно характеризовать как величиной нормы технологического процесса, так и количеством транзисторов в процессоре, изготовленном по данному технологическому процессу.

Если построить график, связывающий тактовую частоту процессора с количеством транзисторов в данном процессоре, то мы получим практически линейную зависимость (рис. 7).

Рис. 7. Графическое представление зависимости тактовой частоты от количества транзисторов

Отклонение от линейной зависимости наблюдалось только в самом начале развития процессоров, когда никто ещё толком-то и не знал, как их делать.

Но производительность процессора – это далеко не только тактовая частота.

Существуют и постоянно развиваются различные тестовые программы, которые позволяют достаточно полно оценить различные аспекты производительности процессора. Единственная трудность состоит в возможности корректного сравнения результатов. Вряд ли можно найти данные о производительности ранних типов процессоров для современных тестовых программ. Поэтому для оценки производительности использовалась программа TestCPU. Первый вариант данной программы разработан автором. Особенностью TestCPU является возможность накопления и экспорта результатов в собственную базу данных. Автором проведены измерения производительности ранних типов процессоров до Pentium включительно. Естественно, все результаты сохранены в базе данных. В дальнейшем все права на данную программу переданы Роберту Смиду (Чехия), он же осуществляет сопровождение программы, включая её модернизацию. Сейчас программа TestCPU распространяется свободно, получить её можно на сайте TestCPU. Там же можно получить полное описание программы и результаты 202-х тестов процессоров от i386SX до Pentium III различных модификаций и процессоров других производителей. Последний вариант программы переработан в среде Borland Delphi и обладает простым и понятным интерфейсом (рис. 8).

Рис. 8. Интерфейс программы TestCPU

Зависимость производительности процессоров, измеренная в MIPS, от количества транзисторов в ядре процессора приведена на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость производительности CPU (в MIPS) от количества транзисторов в ядре процессора

Как видно из графиков, увеличение количества транзисторов в ядре CPU не приводит к желаемому росту производительности. За исключением начального периода развития технологии производства микропроцессоров, зависимость производительности процессора от количества транзисторов в его ядре близка к логарифмической. Увеличение количества транзисторов с 5 до 10 млн штук (в два раза) привело к повышению производительности также в два раза. Увеличение же количества транзисторов с 10 до 20 млн штук (тоже в два раза) привело к увеличению производительности только в 1,25 раза.

Поэтому освоение производителями процессоров новых значений технологической нормы позволит значительно увеличить тактовую частоту процессора, но реальная производительность от этого увеличится незначительно. Исключение могут составить только отдельные приложения, для которых данный процессор лучше оптимизирован, да и то если они используют специальные расширения системы команд в данном процессоре.

Очевидно, что такое положение связано с тем, что 32-разрядная архитектура, неизменная ещё с 386-х процессоров, уже исчерпала себя. Существенного прироста производительности процессоров можно ожидать только с переходом на 64-разрядную архитектуру.

 

При подготовке рис. 2...4 использовалась цифровая камера Olympus E-10, любезно предоставленная фирмой «Светопись», Киев, ул. Межигорская, д. 26, тел.: 416-0117.


Поделиться информацией