ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Что такое процессор

В английском языке существует понятие CPU (central processing unit) – центральный исполнительный элемент. Первоначально этот термин описывал особый класс логических аппаратов, которые предназначены для выполнения сложных программ. В дальнейшем термин стал применяться к компьютерным системам и отдельным элементам ПК. Интересно, что архитектура процессоров и их реализация с начала создания неоднократно менялись, но исполняемые функции и принцип работы остались прежними и до сих пор. Первые ЦП производились в качестве отдельных составных систем для уникальных компьютеров. Еще в 60-х годах никто не воспринимал ЭВМ как устройство для массового производства.

Огромные электронные структуры, размещенные в больших залах, производились на заказ и для определенных целей. Разработка процессора, уникального для каждой электронно-вычислительной машины, была дорогостоящим занятием. Однако впоследствии производители перешли от единичной схемы изготовления к серийному производству. Всеобщая миниатюризация компьютеров, появление интегральных схем и развитие полупроводниковых технологий повлекли за собой неизбежную стандартизацию изготовления ЦП. Процессоры стали более сложными и сильно уменьшились в размерах. Сегодня процессором оснащено практически любое электронное устройство, начиная от детских игрушек и заканчивая континентальными баллистическими ракетами.

Архитектура Фон Неймана

Венгр по национальности Джон фон Нейман в 1930 году эмигрировал в США, где и разработал принципы программного управления ЭВМ. Описанный подход был представлен в 1945 году и был коллективной работой сотрудников Муровской Школы Электрических Разработок (The Moore School of Electrical Engineering) Университета штата Пенсильвания. Информация о проекте стала доступна и другим ученым после заявления о создании компьютера «Эниак» с возможностью хранения программы в собственной памяти. Первые компьютеры с использованием Неймановской логики были созданы в период с 1948 по 1949 год институтами Австралии, Великобритании и США.

Главной особенностью архитектуры Фон Неймана является факт хранения данных и инструкций в одной памяти. Отметим, что действия центрального процессора являются базовым уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды для ЦП обязательно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде программы.

Описанный ниже цикл выполнения называется процессом, откуда и пошло название самого исполнительного устройства:

1. 1. На адресную шину подается некое число, которое хранится в регистре счетчика команд. Далее процессор отдает памяти команду чтения.

1. 1. Выставленное процессором число является для ОЗУ адресом. Получив его и команду чтения, память подает данные,находящиеся по адресу, на шину данных. Далее подается сообщение о готовности.

1. 1. Процессор получает с шины число, переводит его в машинную инструкцию и исполняет ее.

1. 1. Если последняя команда не является командой перехода к следующей задаче, процессор увеличивает на единицу число в счетчике команд. Так получается адрес последующей команды.

1. Процессор переходит к первому пункту. Скорость перехода от одного уровня приведенного цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, которые служат некоторым подобием ритма для ЦП. Частота тактовых импульсов и называется тактовой частотой. Естественно, чем выше частота, тем выше быстродействие процессора в рамках одной архитектуры.

Стоит упомянуть и о правилах программного управления, на которых базируется устройство любой ЭВМ. Они обладают собственными недостатками, но до сих пор никто не придумал лучше:

1. Двоичное кодирование. Вся информация в компьютере хранится и передается только в двоичном виде.

2. Программное управление. Каждая программа представляет собой набор инструкций, которые центральный процессор выполняет автоматически и в заданной последовательности.

3. Однородность памяти. Информация различается только по методу использования, а не по методу кодирования.

4. Адресность. Вся информация располагается в ячейках памяти, которые имеют свой индивидуальный адрес. Зная адрес, процессор может получить доступ к нужной информации в нужный момент.

Исторический аспект

Удивительно представить себе сегодня тот факт, что первые компьютерные процессоры были по истине огромными устройствами, занимавшими подчас целые шкафы и даже помещения, и были собраны на большом количестве отдельных элементов. Благодаря созданию в 70-х годах больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС)появилась возможность реализации процессоров в небольшом полупроводниковом устройстве. Сегодня процессор – это компактный модуль, который вставляется в контактный разъем.

Сам процессор представляет собой кристалл, который содержит миллионы транзисторов. Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил порядка $300. В общем и целом цена сравнима со стоимостью современной модели среднего уровня. Она обусловлена тем, что от огромных ЭВМ никто не собирался отказываться, и микропроцессор от Intel первоначально воспринимался как оригинальная задумка, которая еще нескоро найдет себе коммерческое применение. Габаритные системы просуществовали еще 10-15 лет, пока от них полностью не отказались.

За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных архитектур. Многие из них в модифицированном и несколько измененном виде используются и поныне. Например, легендарная архитектура Intel x86 развилась первоначально в 32-битную модель, а позже в 64-битный аналог. Процессоры архитектуры x86 известны многим российским пользователям. Первые игры на 286-х еще помнят старожилы компьютерного мира. В начале 90-х еще не было альтернативы, в связи с тотальной монополией компании Intel. Впоследствии появились более совершенные модели – 1386 и I486. Длилось это до тех пор, пока Intel не предложила новое поколение совершенно иных процессоров класса Pentium. Все ранее названные решения использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC).

Технология изготовления

Сегодня производители держат в строгом секрете поэтапную технологию производства процессоров, дабы на рынке не возникло новых конкурентов. Однако основные шаги мы все-таки можем озвучить, благо с начала 21-го века процедура изготовления кардинально измениться не успела. Итак, как было сказано ранее, процессор -это интегральная микросхема, которая сформирована на крошечном кристалле. Ранее кристалл изготавливался из кремния, поскольку этот материал обладает полупроводниковыми свойствами. Его проводимость выше, чем у диэлектриков, но меньше чем у металлов.

При добавлении разнообразных примесей кристалл можно сделать как изолятором электрического тока, так и проводником. Сами микропроцессоры формируются на поверхностях тонких круговых пластин – их еще называют подложками. Сегодня вместо монолитных кремниевых пластин используют кремний на изоляторе (КНИ) – это технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трехслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний.

Данная технология, позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров. Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трехслойный массив, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещенного на нем еще одного тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния или, гораздо реже, сапфир. Естественно, сапфир – дорогое удовольствие, так что он используется только в космических технологиях.

Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути ничем не отличается от классической схемы. Кремниевые пластины подвергаются обработке при воздействии ультрафиолета, газов и химических препаратов. По обыкновению подложки имеют диаметр 200 мм, однако с некоторых пор производители перешли на подложки диаметром 300 мм. Таким образом, процессоров на них помещается в 2.5 раза больше, и в результате снижается стоимость производства. Чтобы представить себе, насколько уменьшился техпроцесс, следует указать, что Intel Pentium II, представленные в 1997 году, более чем 10 лет назад, изготовлены с учетом 0.35 мкм техпроцесса, в то время как современные модели работают с учетом 0.0055 мкм или даже 0.0045 мкм.

Основной компонент подложки, как было сказано ранее, – кремний. Очищенный песок плавят и превращают в цилиндрические кристаллы. Как колбасу цилиндры нарезают на пластины, которые в последствии максимально тщательно полируются. Далее в виде специально заготовленных рисунков на блины-подложки наносят сверхтонкие слои материалов. В первую очередь формируется слой диоксида кремния, который служит изолятором. После этого следует наиболее интересный процесс, а именно фотолитография. С помощью этого процесса на поверхности пластины можно сформировать рисунок-схему.

Предварительно на пластину наносится фоточувствительный слой, на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое. Засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми и легко удаляются. Открывшиеся участки диоксида кремния после воздействия растворителя также удаляют с помощью травления. Убрав оставшийся фотослой, инженеры получают в чистом виде рисунок из диоксида. Точно так же поверх наносится слой из поликристаллического кремния, который играет роль проводника. Наложение новых слоев повторяется несколько раз, формируя окончательную рабочую структуру.

При этом оставляется место для межслойных соединений, которые заполняются металлом. Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, а в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Вся процедура изготовления занимает не один день. Нанесение слоев повторяют 20-25 раз в течение нескольких недель. Вся система слоев представляет собой де-факто огромный небоскреб. Сами по себе пластины достаточно толстые – сделано это для того, чтобы подложка выдержала все процедуры нанесения слоев, травления и прочие воздействия. На обратную сторону пластины наносится материал, улучшающий последующее крепление к корпусу и обеспечивающий проводящие свойства.

После выполнения всех операций тестирования полученных процессоров, пластины отправляются в сборочный цех. Крошечные прямоугольники процессоров отделяют с помощью прецизионной пилы. Далее кристаллы монтируются в корпус, который защищает от внешних воздействий и обеспечивает электрическое соединение с платой.