Технологический процесс в процессоре

Будущее развитие технологий процессоров, техпроцесс 1нм и мультиполигональные гетероструктуры

По заверениям учёных, размер транзисторов, использующихся в процессорах, имеет физический предел. На данный момент достигнут уровень 10нм для одного транзистора и началась разработка техпроцесса 7нм на заводах TSMC. Следующий шаг — 5нм, затем 3нм.

Где-то в этой области уже наступает квантовая неопределённость и управление микросхемами этого уровня точности современными методами программирования будет затруднено: компьютеры начнут выдавать недостоверные результаты. Последний физический предел, который теоретически можно взять — 1нм.

Дальше идёт уже атомарный уровень и просто невозможно создать единицу машинной логики из нескольких атомов. 

Зачем нужна такая высокая производительность и сколько лет ещё осталось?

Аппетит приходит во время еды и человечество привыкло жить в условиях постоянно повышающихся мощностей вычислительной техники, попутного снижения энергопотребления устройств и снижения их стоимости. Мы буквально подсели на это: вся современная экономика завязана на этот прогресс и закладывает в свои планы постоянное повышение планки.

Стоит технологиям остановиться в росте или даже немного замедлить его, и весь мир ждёт глубочайший кризис, потому что он на это уже не рассчитывает! Остановятся многие космические и военные программы, мигом повысятся затраты на все производства и сократятся инвестиции в высокие технологии, ведь логика проста: нет будущего у технологии — нет возврата капитала на инвестиции.

Пока что ещё есть время. Достижение техпроцесса 7нм планируется в 2018 году (Samsung, TSMC, Intel), выход потребительского рынка на 5нм проектные нормы — в 2020 году, покорение порога 3нм — в 2022 году. Есть планы по разработке 2нм техпроцесса и кто-то уже подумывает об 1нм. Но дальше тупик. В 2030 году точно. Что же будет предпринимать эта гигантская отрасль, придя к своему победному финалу? 

Мультиполигональные гетероструктуры

Новейшие современные техпроцессы используют технологию производства транзисторов FinFET, которую пафосно именуют 3D-структурой, так как расположение транзисторов на схеме производится не планарно, а в объёме, в несколько слоёв, которые связаны друг с другом в вертикальном направлении. Переход к структуре FinFET ознаменовался заметным повышением плотности упаковки элементов и улучшением алгоритмов ветвления решений: если объяснить грубо, то вместо постепенного перебора значений система получила возможность сразу находить наиболее близкие варианты ответов.

Судя по удачно складывающейся практике, дальнейшее повышение количества соединений между элементами не за горами и рано или поздно структура действительно станет трёхмерной, представляя собой мультиполигональный объект, в котором каждый элемент граничит не с двумя (планарное размещение транзисторов), не с четырьмя/шестью, а с десятком других элементов. Возможно, структура элементов также изменится в связи с этим и передача сигнала будет происходить не в одном направлении, а сразу в нескольких.

Не нужны более тонкие техпроцессы, особенно когда их реализация противоречит законам физики, но нужны более умные техпроцессы, способные лучше адаптироваться под вычислительные нагрузки в реальном мире уже на уровне структуры. 

Поэтому процессоры также должны стать и гетероструктурными. Постараюсь пояснить, что это значит:

• сейчас обычный мобильный процессор включает в себя пять основных элементов — CPU, GPU, RAM, ISP, DSP. 
• CPU отвечает за вычисления с плавающей запятой
• GPU занимается графикой
• RAM хранит в краткосрочной памяти данные
• ISP обрабатывает фотки на лету
• DSP контролирует многочисленные датчики и сенсоры

Модем и встроенная память пока находятся на плате отдельно, но в ближайшем будущем могут также переехать внутрь процессора, что ускорит их работу и удешевит производство. Такую структуру можно условно назвать псевдогетерогенной, так как наличие отдельных элементов даёт лишь видимость гетерогенности. По факту они все по отдельности и каждый отвечает за свою часть задачи.

Я же говорю о полной гетерогенности, когда внутри процессора всё будет перемешано: элементы всех сопроцессоров будут вписаны внутрь вычислительных ядер таким образом, что отделить их на плате будет просто невозможно. Добавится ещё парочка специализированных узлов и они также уместятся внутри чипа, а для контроля всех процессов потребуется некая сетка сверху, объединяющая все элементы на верхнем уровне.

Ничего не напоминает по строению?

Процессоры и структура головного мозга

Да, описанные мной новшества в микропроцессорах напоминают структуру головного мозга человека: внутри его полушарий имеются отделы с разной специализацией.

Какая-то часть мозга отвечает за когнитивные функции, какая-то — за математические вычисления, где-то интерпретируются сигналы о боли и, например, голоде, где-то хранятся воспоминания, а всё это сверху контролируется тончайшей сетью нейронов коры головного мозга. У нас в руках идеальный прототип — природный микропроцессор невиданной мощи с идеально развитой структурой.

Нам нужно лишь внимательно исследовать особенности его работы и постараться скопировать максимально детально. Соблюдение архитектурных правил нашего мозга позволит создать наиболее человекоподобный машинный интеллект, который будет воспринимать и интерпретировать информацию также, как это сделал бы человеческий мозг. Только быстрее и эффективнее, без потерь и дефектов восприятия.

Компьютер должен стать не просто как человек, он должен стать как суперчеловек! И поздно этого пугаться и просить приостановить махину прогресса: это направление развития уже не остановить и нужно привыкать жить в мире мыслящих машин, чтобы не стать вдруг его изгоем. Буквально десяток лет и всё уже случится.

Непрерывная логика взамен дискретной

Ещё один важный шаг, который должна сделать компьютерная техника вместе со всем человечеством в целом — это переход от дискретной логике к непрерывной. До сих пор и ещё сколько то лет в будущем мы воспринимали и будем воспринимать всё окружающее дискретно: один человек, один компьютер, одно слово, один метр, одна секунда.

При том, что сознание наше способно мыслить непрерывно и делает это постоянно, просто у нас нет инструментов для определения этой непрерывности, нам нужно обязательно отделить одно от другого — метры от километров, человека от общества, слово от мысли, а секунду от вечности. Возможно, самообучающиеся машины смогут сделать это быстрее и перейти на совершенно иной уровень мировосприятия, не детерминирующий ни предметы, ни события, ни само время.

Фундамент непрерывной логики уже есть, и машины умеют оперировать этими понятиями уже сейчас: вместо конкретного поискового запроса — семантический вектор из ключевых слов, вместо конкретного человека — статистическая выборка даже без определённого числа персон, просто векторы. Подобное мышление будет способствовать гораздо более глубокому изучению окружающего мира и открытию новых фундаментальных законов бытия.

Если мы за сотни лет неуёмного технического прогресса не смогли открыть их для себя, возможно это сможет сделать искусственный интеллект, построенный без этой нерушимой стенки в мозгу, заставляющей нас считать секунды, нежели чем наслаждаться вечностью…

Строение головного мозга видео

О техпроцессе в компьютерном процессоре

Добрый день, уважаемые любители компьютерного железа. Сегодня мы поговорим о том, что такое техпроцесс в процессоре. На что влияет данная величина, как помогает при работе компьютера, за что отвечает и так далее.

Начать хотелось бы с того, что процессоры состоят из транзисторов. Под крышкой теплораспределителя находится сам кристалл ЦП на кремниевой подложке, в состав которого входит миллиарды миниатюрных транзисторов. О внутренностях CPU — в отдельной статье.

Их габариты настолько крошечные, что измеряются в нанометрах. Отсюда и берет свое начало величина.

Возьмем к примеру компанию AMD и ее процессорные ядра семейства Bulldozer и Liano, выполненные по нормам 32 нм. На площади кристалла размером всего 315 мм2 размещено 1,2 млрд транзисторов. Если сравнивать с более старой технологией 45 нм, в которой на подложке 346 мм2 находилось «только» 900 млн транзисторов – прогресс очевиден.

Уменьшение, а точнее оптимизация техпроцесса дает следующие преимущества:

• повышение итоговой производительности при идентичных характеристиках двух устройств (первый и второй процессор имеют, к примеру, 4 ядра мощностью 3 ГГц);
• снижение энергопотребления;
• возможность добавить дополнительные рабочие инструкции;
• повышение частот;
• увеличение количества ядер на одной подложке (они занимают меньше места);
• снижение затрат на изготовление чипов (на одной кремниевой болванке помещается больше процессоров).
• Увеличение кэш-памяти процессора (больше места на кристалле для установки модуля)

Эволюция техпроцесса

Если покопаться в истории полупроводников 70-х и 80-х годов, то можно встретить устройства, разработанные по нормам техпроцесса 3 мкм. К такому технологическому прорыву впервые пришли компании Zilog в 1975 году и Intel в 1979 году соответственно.

Компании активно развивали технологии и совершенствовали литографическое оборудование.В начале-середине 90-х, прогресс достиг новых высот и на рынке стали появляться модели вроде Intel Pentium Pro и MMX, а также знаменитая «улитка» Pentium II.

Все изделия выполнялись по нормам процесса 0,35 мкм, т.е. 350 нм. Буквально через 10 лет технологии позволили сократить размер транзистора втрое, до 130 нм, и это был прорыв.Однако культовый период пришелся на 2004 год, когда инженеры начали осваивать для себя 65 нм. Тогда мир увидел знаменитые Pentium 4, Core 2 Duo, а также AMD Phenom X4 и Turion 64 x2. В это же время рынок наводнили чипы Falcon и Jasper для Xbox 360.

Текущий период разработки

Плавно подбираемся к современным разработкам и начнем со все еще актуального процесса 32 нм – эпоха Intel Sandy Bridge и AMD Bulldozer.

Синему лагерю удалось создать кристалл с частотой до 3,5 ГГц, на который можно поместить до 4 ядер и графический чип частотой до 1,35 ГГц. Также в чип встроили северный мост, PCI-E контроллер версии 2.0, поддержку памяти DDR3. Все ядра получили по 256 КБ кэша L2 и до 8 МБ L3. И все это размещалось на подложке 216 мм2

Красные же умудрились разместить на подложке до 16 процессорных ядер частотой до 4 ГГц с поддержкой передовых на 2011 год инструкций x86, ввести поддержку Hyper Transport и оснастить чипы поддержкой DDR3.

Переход на 22 нм осуществил только Intel, добавив своим продуктам Ivy Bridge и Haswell вроде Core i5, i7 и Xeon более высокую производительность при сниженном энергопотреблении. Архитектура не претерпела значительных изменений.Литография 14 нм подарила миру в 2017 году новый виток противостояния между AMD Ryzen и Intel Coffee Lake. В первом случае имеем совершенно новую архитектуру и признание во всем мире после многолетнего застоя. Во втором же – увеличение ядер на подложке в десктопном сегменте.

Дополнительно можно отметить снижение энергопотребления, добавление новых инструкций, снижение размера кремниевой пластины и повышение мощности в станах двух лагерей.Теперь ждем выход чипов, построенных по нормам 10 нм, который на данный момент доступен лишь в мобильном сегменте (Quallcomm Snapdragon 835/845, Apple A11 Bionic).

Зачем уменьшать техпроцесс?

Как я уже говорил выше, оптимизация литографии ведет к размещению большего числа транзисторов на подложке меньшего размера. Говоря простым языком, на одной площади можно расположить не 1, а 1,5 млрд транзисторов, что ведет к повышению производительности без увеличения тепловыделения.

Таким образом устанавливается больше ядер, вспомогательных компонентов и систем управления шинами.

Коэффициент умножения системной шины процессора также возрастает, а значит и его мощь растет.

На данный момент оптимальными процессорами, которые вобрали в себя самое лучшее из современных технологий, можно назвать Intel 8700k и AMD Ryzen 1800x. Есть конечно и более новый вариант от «красных» в лице Ryzen 2700 (12 нм), но его производительность немного скромнее.

Надеемся, вы поняли суть, которую я хотели донести до вас в этой статье. В следующих обзорах мы коснемся таких понятий как разгон, нагрев, охлаждение и прочих животрепещущих вопросов, которые требуют пояснения. Оставайтесь с нами и следите за новыми публикациями.

Удачи!

C уважением Андрей Андреев

Техпроцесс и его значение, а также про Zen, Polaris и Pascal

В преддверии выхода новых поколений процессов и видеокарт от AMD и NVIDIA стоит разобрать такую важную характеристику чипа, как технологический процесс его производства.

Intel уже с 2015 года клепает процессоры на 14 нм техпроцессе, в то время, как AMD и NVIDA используют уже устаревший 28 нм техпроцесс.

Из нашей статьи вы узнаете о том, что такое техпроцесс производства чипа и его влияние на основные характеристики CPU/GPU, а также узнаете ответ на вопрос: «Что лучше: купить сейчас или подождать нового поколения?»

Введение

При анонсе видеоадаптеров Pascal (NVIDIA), Polaris и Zen (AMD) все крупные производители полупроводниковых схем объявили о переходе на новый техпроцесс производства с применением FinFET транзисторов.

Все эти новшества компания Intel использует с поколения Broadwell в 2015 году и менять их на более тонкий техпроцесс в 10 нм не планирует и в следующем после Skylake поколении, кстати про технологии компании Intel можно прочесть здесь.

AMD для своих GPU Polaris и CPU Zen выбрали 14 Нм производства GlobalFoundries и Samsung, что меньше, чем 16 нм от NVIDIA производства TSMC. А про технологии этих компаний можете прочесть по соответствующим ссылкам: AMD, NVIDIA.

Надо заранее отметить, что здесь не будут затронуты всякие тонкости производства транзисторов, здесь вы просто узнаете о значении более тонкого техпроцесса.

Что такое техпроцесс?

Вообще техпроцесс производства полупроводниковых схем подразумевает последовательность различных технологических и контрольных операций. Но почему тогда в графе техпроцесс пишется цифра с обозначением в нанометрах? Просто у фотолитографического оборудования, при помощи которого получают транзисторы, есть разрешающая способность. Чтобы лучше понять это советуем вам посмотреть это видео:

Со временем происходит эволюционное совершенствование этого процесса, что позволяет до сих пор соблюдать Закон Мура.

Интересный факт: Intel Pentium имел техпроцесс в 800 нм, что по современным меркам кажется безумно большой цифрой! И всего лишь 3,1 млн. транзисторов. (У Intel Core i7-5960X 14 нм и 2.6 млрд. транзисторов)

На что влияет техпроцесс?

Недаром же производители гордятся новым достигнутым уровнем этого технологического процесса. Ведь он дает ощутимые преимущества:

• уменьшение самих транзисторов ведет к увеличению их количества на единице площади, а это увеличение позволяет или поместить на подложку большее число транзисторов, что увеличивает производительность за счет расширения количества вычислительных блоков или уменьшить площадь самой подложки при сохранении прежнего числа транзисторов.
• меньший размер транзисторов позволяет уменьшить их тепловыделение и энергопотребление. Это позволяет или увеличить частоту и количество вычислительных ядер без ущерба тепловыделению или просто уменьшить энергопотребление, что особо удобно для лэптопов.
• вместе с 14 нм техпроцессом часто применяют FinFET транзисторы. Это такие транзисторы, которые имеют трехмерный затвор в форме плавника, что позволяет уменьшить размер транзистора и уменьшить потери тока и задержки. Их бывает несколько видов, но здесь про них рассказано не будет, так что если интересно, то сходите сюда.
• переход на новый техпроцесс требует нового оборудования, что является недешевой операцией. Это сказывается в первую очередь на цене процессоров.
• переход на новую стадию происходит не сразу. Технологию надо обкатать, поэтому первые чипы на новом технологическом процессе могут получаться далеко не с первого раза (влияет на цену). Особенно эта сложность растет с увеличением площади чипа, что не позволяет сразу после презентации нового техпроцесса сразу «лепить» быстрые многоядерные чипы с огромной площадью кристалла. Это в большей степени касается топовых видеочипов, где может применяться до 12 млрд транзисторов!

Так чего следует ждать?

Если поразмыслить, то получается, что в этом-следующем году следует ожидать значительного скачка в энергоэффективности, что позволит поднять частоту у топовых чипов и снизить требования к охлаждению у дешевых.

По видеокартам

В этом поколении у AMD с их Polaris (RX 400-серия) есть все шансы составить конкуренцию NVIDA с их Pascal ведь их техпроцесс будет меньше, что может скомпенсировать повышенное тепловыделение карт на архитектуре GCN. Хотя помимо самого техпроцесса оба производителя представят новую архитектуру, что может продемонстрировать нам новый уровень быстродействия, как никак 4K стандарт набирает свои обороты. Если хотите узнать несколько интересных фактов о вашей видеокарте, то вам сюда.

По процессорам

Что касается процессоров, то здесь AMD обещают нам 40% прирост производительность на такт, что сулит здоровую конкуренцию с Intel, которые последнее время что-то обленились, их 5% прирост в Skylake расстроил многих фанатов. Также с таким скачком в техпроцессе Zen наконец может дать реальное подспорье Intel в энергоэффективности. Старые 28 нм не могли составить никакой конкуренции по этому параметру.

Также на данный момент уже известно, что процессоры Zen не заменят собой FX и Opteron, эти чипы не будут выпускаться далее 2016 года.

На микроархитектуру Zen возлагаются достаточно большие надежды, ведь к ее разработке приложил свою руку Джим Келлер. Он известен, как разработчик, создавший DEC Alpha 64-bit RISC, что затем вылилось в AMD K7. Им была создана архитектура AMD K8 после чего он ушел из AMD в 1999 году. Теперь же после возвращения в 2012, он вновь покидает «красных».

Просим нас простить за такой небольшой экскурс в историю, может кто-нибудь заинтересуется этой темой.

Выводы

Техпроцесс производства чипа имеет очень большое влияние на такие параметры, как энергопотребление, количество транзисторов и косвенно влияет на производительность.

Кроме апгрейда техпроцесса AMD и NVIDIA демонстрируют и новые архитектуры, что в сумме позволит совершить скачок в энергоэффективности и производительности.

Так что если вас мучает вопрос, о том, стоит ли подождать до новых выхода новых видеокарт и процессоров или покупать здесь и сейчас, мы склоняемся ко второму варианту. Исключение, наверное будет составлять случай с самыми мощными видеокартами, так как из-за большой площади чипа их выпуск может задержаться.

Техпроцесс процессора — что это такое?

Центральный процессор в компьютере играет самую главную роль. Его можно считать «мозгом» всей системы, так как от него зависит количество обработанных данных, возможность запуска системы, совместимость оборудования. В серверах используются особые виды процессоров, которые предназначены именно для таких задач, то есть для вычислений. Вот как работает процессор компьютера.

Существует и такое понятие, как графический процессор, — он находится не на материнской плате, как центральный, а в графическом адаптере. Его задача — обрабатывать графические данные, передавать их на компьютер и выводить изображение на экран монитора.

У каждого из них свое строение и техпроцесс процессора, о котором дальше пойдет речь.

Процесс изготовления процессора

Последние полвека в изготовлении процессоров и прочей подобной техники используется кристалл кремния. Литографический метод обработки позволяет создавать отдельные транзисторы, которые очень важны, ведь из них и состоят процессоры.

Ориентируясь на актуальное состояние электрического поля, транзисторы могут блокировать или пропускать электрический ток. Это, кстати, основополагающая часть работы двоичной системы, которая заключена в этих двух положениях — включенном и выключенном.

Так что такое техпроцесс? Этот термин используется в показателях для того, чтобы указать на размер используемых транзисторов, из которых состоит любой процессор.

Возвращаясь к производству процессоров, можно выделить такой процесс, как фотолитография. Эта функция нужна для того, чтобы покрыть кристалл диэлектрическим материалом, из которого с помощью света выделяются транзисторы. В зависимости от возможности аппарата — тонкости и чувствительности, определяется техпроцесс процессора, то есть его толщина в нанометрах.

На что влияет размер?

Как известно, чем тоньше техпроцесс процессора, тем большее количество транзисторов будет расположено на чипе.

Если размер будет небольшим, то его энергопотребление и количество выделяемого тепла будут в разы меньше. Именно по этой причине небольшой техпроцесс процессора позволяет размещать чип на портативных устройствах, а за счет этого мобильное устройство сможет дольше держать заряд.

Размер имеет значение еще и в экономических целях, так как при небольших затратах материала увеличивается численность изготавливаемых чипов. Однако это палка о двух концах, потому что для более тонкого техпроцесса процессора необходимо топовое дорогое оборудование.

Малые детали строения позволяют разместить на чипе большее количество элементов, за счет чего растет производительность процессора. При всем при этом параметры размера самого чипа остаются неизменными.

Если у процессора есть техническая возможность для того, чтобы разогнаться, то чем меньше предел техпроцесса процессора, тем выше будут частоты.

Технический рост

Примерно с 70-х по 80-е годы были созданы процессоры с техпроцессом в три микрометра. Такого прорыва в компьютерных технологиях достигли компании «Зилог» и «Интел» в 75-79-х годах. С тех пор было принято решение улучшать качество литографического оборудования.

С 1990 года в архитектуре процессора появились значимые изменения, тогда же и были выпущены чипы с 0,35-микрометровым техпроцессом, или 350-нанометровым. Однако в начале двадцать первого века размеры транзисторов были уменьшены в три раза, что равнялось 130 нанометрам.

Самый значимый технологический прорыв пришелся на 2004 год — именно в то время производители освоили технологию 65-нанометрового технологического процесса. Тогда же поступили в продажу Core 2 Duo и его конкурент — AMD Phenom X4. Что касается консолей, то для Xbox 360 были произведены процессоры Falcon и Jasper.

Значимые изменения

Две ведущие компании по производству процессоров достигли размера в 32 нанометра, демонстрируя это в процессорах поколения Sandy Bridge и AMD Bulldozer.

Компания «Интел» создала кристалл, способный работать с частотой 3500 мегагерц, а количество ядер стало равно четырем. Также появился более усовершенствованный графический чип, встроенный в процессор, частота которого доходит до полутора гигагерц. В то же время чип обладал поддержкой новой оперативной памяти, контроллером интерфейса PCI-E второго поколения и протоколами x86. Увеличилась скорость потока данных, благодаря наличию кэша третьего уровня, размер которого — восемь мегабайт.

Что касается ее прямого конкурента, AMD, то ему удалось оснастить процессор шестнадцатью ядрами с частотой до 4000 мегагерц. В остальном отличия от «Интела» практически нет.

Однако только «синей» команде удалось достичь ощутимого прорыва и выпустить чипы с 22-нанометровым техпроцессом, что позволило процессорам семейства Ivy Bridge, Haswell и Xeon, серий Core i5 и i7 обеспечить высокую производительность, понижая при этом потребляемую энергию.

Причины уменьшения техпроцесса

Производительность процессоров увеличивается только за счет количества транзисторов, при этом значение тепловыделения не подвергается изменению.

Когда уменьшается технологический процесс, производители имеют возможность разместить на территории чипа большее количество остальных составляющих вроде ядер и дополнительных компонентов.

Устройство и основные характеристики центрального процессора

Информация о процессоре компьютера, его значении, технологии изготовления, а также о характеристиках, которые необходимо учитывать при его выборе и приобретении.

Что такое процессор и как он устроен

Центральный процессор(микропроцессор, центральное процессорное устройство, CPU, разг. – «проц», «камень») – сложная микросхема, являющаяся главной составной частью любого компьютера. Именно это устройство осуществляет обработку информации, выполняет команды пользователя и руководит другими частями компьютера.

Уже много лет основными производителями процессоров являются американские компании Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Есть, конечно, и другие достойные производители, но до уровня указанных лидеров им далеко.

Intel и AMD постоянно борются за первенство в изготовлении все более производительных и доступных процессоров, вкладывая в разработки огромные средства и много сил. Их конкуренция — важный фактор, содействующий быстрому развитию этой отрасли.

Внешне центральный процессор не представляет собой ничего выдающегося – небольшая плата (где-то 7 х 7 см.) с множеством контактов с одной стороны и плоской металлической коробочкой с другой. Но на самом деле внутри этой коробочки хранится сложнейшая микроструктура из миллионов транзисторов.

Как изготавливают процессоры. Что такое техпроцесс

Основным материалом при производстве процессоров является самый обычный песок, а точнее сказать кремний, коего в составе земной коры около 30%. Из очищенного кремния сначала изготавливают большой монокристалл цилиндрической формы, который разрезают на «блины» толщиной около 1 мм.

Затем с использованием технологии фотолитографии в них создаются полупроводниковые структуры будущих процессоров.

Фотолитография чем-то напоминает процесс печати фотографий с пленки, когда свет, проходя через негатив, действует на поверхность фотобумаги и проецирует на ней изображение.

При изготовлении процессоров своеобразной фотобумагой выступают упомянутые выше кремниевые «блины». Роль света играют ионы бора, разогнанные до огромной скорости высоковольтным ускорителем. Они пропускаются через специальные «трафареты» — системы высокоточных линз и зеркал, вкрапливаются в кремний и создают в нем микроскопическую структуру из множества транзисторов.

Сегодняшние технологии позволяют создавать транзисторы размером всего 22 нанометра (толщина человеческого волоса — около 50000 нм). Со временем техпроцесс изготовления процессоров станет еще совершеннее. По прогнозам, их транзисторы уменьшатся как минимум до 14 нм.

Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов можно поместить в один процессор, тем он будет производительнее и энергоэффективнее.

Созданная таким образом полупроводниковая структура вырезается из кварцевого «блина» и помещается на текстолит. На обратную его сторону выводятся контакты для обеспечения подсоединения к материнской плате. Сверху кристал защищается от повреждения металлической крышкой (см. рис. выше).

Понятие архитектуры, ядра, ревизии процессора

Процессоры прошли сложную эволюцию и сейчас продолжают развиваться. Производители совершенствуют не только технологию изготовления, но и внутреннюю структуру процессоров. Каждое новое их поколение отличается от предыдущего строением, количеством и характеристиками входящих в их состав элементов.

Процессоры, в которых используются те же базовые принципы строения, называют процессорами одной архитектуры, а эти принципы — архитектурой (микроархитектурой) процессора.

В пределах одной архитектуры процессоры могут существенно отличаться — частотами системной шины, техпроцессом изготовления, размером и структурой внутренней памяти и некоторыми другими особенностями. О таких процессорах говорят, что они имеют разные ядра.

В рамках доработки одного ядра производители могут делать небольшие изменения с целью устранения мелких недочетов. Такие усовершенствования, которые «не тянут» на звание самостоятельных ядер, называют ревизиями.

Архитектурам и ядрам присваиваются определенные имена, а их ревизиям – цифробуквенные обозначения. Например, все модели Intel Core 2 Duo являются процессорами микроархитектуры Intel Core и производились с ядрами Allendale, Conroe, Merom, Kentsfield, Wolfdale, Yorkfield. У каждого из этих ядер были еще и разные ревизии.

Основные характеристики процессора

• Количество вычислительных ядер.

Многоядерные процессоры – это процессоры, содержащие на одном процессорном кристалле или в одном корпусе два и более вычислительных ядра.

Многоядерность, как способ повышения производительности процессоров, используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития. Для домашних компьютеров уже существуют процессоры с 8 ядрами. Для серверов на рынке есть 12-ядерные предложения (Opteron 6100). Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер.

Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем их (ядер) больше, тем процессор производительнее.

• Количество потоков.

Чем больше потоков – тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и во многом опережает 6-тиядерных конкурентов.

• Размер кеша 2 и 3 уровней.

Кеш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени. Чем кеш больше – тем лучше.

Структура не всех современных процессоров предусматривает наличие кеша 3 уровня, хотя критичным моментом это не является. Так, по результатам многих тестов производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпускавшихся с 2007 г. по 2011 г. и не имеющих кеша 3 уровня, даже сейчас выглядит достойно. Правда, кеш 2 уровня у них достаточно большой.

• Частота процессора.

Здесь все просто – чем выше частота процессора, тем он производительнее.

• Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI).

Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах и чем она выше — тем лучше.

• Техпроцесс.

Понятие техпроцесса рассматривалось в предыдущем пункте этой статьи. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP.

• TDP.

Termal Design Point — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — Ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.

Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с TDP до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15 – 25 %, но это уже отдельная тема.

В то же время, проблему с высоким TDP всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения (см. последний пункт этой статьи).

• Наличие и производительность видеоядра.

Последние технические достижения позволили производителям, помимо вычислительных ядер, включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты. Возможностей некоторых из них вполне достаточно для игры в компьютерные игры, не говоря уже о просмотре фильмов, работе с текстом и решении остальных задач.

Если видеоигры — не главное предназначение компьютера, процессор со встроенным графическим ядром позволит сэкономить на приобретении отдельного графического адаптера.

• Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти.

Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.

Что такое сокет

Важным моментом, который нужно учитывать при выборе процессора, является то, для установки в сокет какого типа он предназначен.

Сокет(socket, разъем центрального процессора) – это щелевой или гнездовой разъём на материнской плате, в который устанавливается процессор.

Каждый процессор можно установить только на материнскую плату с подходящим разъемом, имеющим соответствующие размеры, необходимое количество и структуру контактных элементов.

Каждый новый сокет разрабатывается производителями процессоров, когда возможности старых разъемов уже не могут обеспечить нормальную работу новых изделий.

Для процессоров Intel длительное время использовался (и сейчас еще используется) сокет LGA775 (процессоры Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad). С началом производства линейки новых процессоров были введены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5, i3) и др.

Разъемы для процессоров от AMD за последние годы также изменились — AM2, AM2+, AM3 и т.д. О более ранних сокетах, думаю, смысла вспоминать нет, поскольку компьютеры на их основе – уже раритет.

Если вы задумали модернизировать старый компьютер путем приобретения более производительного процессора, убедитесь, что по сокету он подойдет к вашей старой материнской плате. Иначе однозначно придется менять и ее.

Устанавливать центральный процессор в сокет системной платы нужно аккуратно, чтобы не повредить контакты.

Система охлаждения процессора

Процессор нуждается в надлежащем охлаждении, иначе он может выйти из строя.

Как известно, верхняя поверхность процессора представляет собой металлическую коробку, выполняющую, кроме защитных, еще и теплоотводные функции. Поверх процессора на материнской плате устанавливается система охлаждения. Ее теплоотводные элементы должны плотно прижиматься к поверхности процессора.

Для улучшения передачи тепла с процессора на радиатор системы охлаждения, между ними прокладывается слой термопасты – специального пастообразного вещества с высокой теплопроводностью.

При подборе системы охлаждения процессора нужно учитывать его TDP (рассматривалось выше в пункте о характеристиках процессора).

Процессоры обычно продаются в так называемом боксовом варианте поставки, когда в комплект входит штатная система охлаждения – боксовый куллер. Но иногда эффективность такого куллера является недостаточной (например, если был произведен разгон и частота процессора, а следственно и его TDP, возросла).

Нормальная температура работы процессора — до 50 градусов Цельсия (при пиковых нагрузках возможно чуть больше). Средства измерения температуры встроены в центральный процессор. При помощи специальных программ температуру можно отслеживать в режиме реального времени (например, программой SpeedFan).

• CPU-Z:

⇒ Официальная страница загрузки

⇒ Скачать копию для Windows 32-bit (2,6 MB)

⇒ Скачать копию для Windows 64-bit (3 MB)

Современный процессор устроен так, что при достижении им критичной температуры он отключается и не включается, пока не остынет. Это позволяет предупредить его повреждение под воздействием высокой температуры.

Перегрев возможен вследствие низкой эффективности системы охлаждения, выхода ее из строя, засорения пылью, пересыхания термопасты и др.

Что такое техпроцесс в процессоре: важность размер кристалла

Доброго времени суток.

Давайте вместе приоткроем завесу такого сложного дела как производство CPU для компьютеров. В частности, из этой статьи вы узнаете, что такое техпроцесс в процессоре и почему с каждым годом разработчики стараются его уменьшить.

Как изготавливаются процессоры?

Для начала вам стоит знать ответ на данный вопрос, чтобы дальнейшие разъяснения были понятны. Любая электронная техника, в том числе и CPU, создается на основе одного из наиболее часто используемых минералов — кристаллов кремния. Причем применяется он в данных целях уже более 50 лет.

Кристаллы обрабатываются посредством литографии для возможности создания отдельных транзисторов. Последние являются основополагающими элементами чипа, так как он полностью состоит из них.

Функция транзисторов заключается в блокировке или пропуске тока, в зависимости от актуального состояния электрического поля. Таким образом, логические схемы работают по двоичной системе, то есть в двух положениях — включения и выключения. Это значит, что они либо пропускают энергию (логическая единица), либо выступают в роли изоляторов (ноль). При переключении транзисторов в CPU производятся вычисления.

Теперь о главном

Если говорить обобщенно, то под технологическим процессом понимается размер транзисторов.

Что это значит? Снова вернемся к производству процессоров.

Чаще всего применяется метод фотолитографии: кристалл покрыт диэлектрической пленкой, и из него вытравливаются транзисторы с помощью света. Для этого используется оптическое оборудование, разрешающая способность которого, по сути, и является техническим процессом. От ее значения — от точности и чувствительности аппарата — зависит тонкость транзисторов на кристалле.

Что это дает?

Как вы понимаете, чем они будут меньше, тем больше их можно расположить на чипе. Это влияет на:

• Тепловыделение и энергопотребление. Из-за уменьшения размера элемента он нуждается в меньшем количестве энергии, следовательно, и меньше выделяет тепла.Данное преимущество позволяет устанавливать мощные CPU в небольшие мобильные устройства. Кстати, благодаря низкому энергопотреблению современных чипов, планшеты и смартфоны дольше держат заряд. Что касается ПК, пониженное тепловыделение дает возможность упростить систему охлаждения.
• Численность заготовок. С одной стороны, производителям выгодно уменьшать техпроцесс, потому что из одной заготовки получается большее количество продукции. Правда, это лишь следствие утончения техпроцесса, а не преследование выгоды, потому что с другой стороны, чтобы снизить размер транзисторов, необходимо более дорогое оборудование.

• Производительность чипа. Чем больше он будет иметь элементов, тем быстрее будет работать, при том, что его физический размер останется прежним.

Техпроцесс в числах и примерах

Измеряется технологический процесс в нанометрах (нм). Это 10 в -9 степени метра, то есть один нанометр является миллиардной его частью. В среднем, современные процессоры производятся по техпроцессу 22 нм.

Можете себе представить, сколько транзисторов умещается на процессоре. Чтобы вам было понятнее, на площади среза человеческого волоса могут разместиться 2000 элементов. Хоть чип и миниатюрный, но явно больше волоска, поэтому может включать в себя миллиарды транзисторных затворов.

Хотите знать точнее? Приведу несколько примеров:

• В процессорах фирмы AMD, а именно Trinity, Llano, Bulldozer, техпроцесс составляет 32 нм. В частности, площадь кристалла последнего — 315 мм2, где располагаются 1,2 млрд. транзисторов.Phenom и Athlon того же производителя выполнены по техпроцессу 45 нм, то есть имеют 904 млн. при площади основания 346 мм2.

• У компании Intel есть чипы по стандарту 22 нм — это семейство Ivy Bridge (Intel Core ix — 3xxx). Для наглядности: Core i7 – 3770K обладает 1,4 млрд. элементов, при том, что размер его кристалла всего 160 мм.У этого же бренда есть и 32-нанометровая продукция. Речь идет об Intel Sandy Bridge (2xxx). На площади 216 мм2 она умещает 1,16 млрд. транзисторов.

К слову, все, что вы узнали о техпроцессах для центральных компьютерных аппаратов, применимо и к графическим устройствам. Например, данное значение в видеокартах AMD (ATI) и Nvidia составляет 28 нм.

Теперь вы знаете больше о таком важном компоненте вашего компьютера как процессор. Возвращайтесь за новой информацией.

До скорого.

Что такое технологический процесс процессора и на что он влияет

Все современные вычислительные технологии базируются на основе полупроводниковой электронной техники. Для ее производства используются кристаллы кремния – одного из самых распространенных минералов в составе нашей планеты. С момента ухода в прошлое громоздких ламповых систем и с развитием транзисторных технологий этот материал занял важное место в производстве вычислительной техники.

Центральные и графические процессоры, чипы памяти, различные контроллеры – все это производится на основе кремниевых кристаллов. Уже полвека основной принцип не меняется, совершенствуются только технологии создания чипов. Они становятся более тонкими и миниатюрными, энергоэффективными и производительными. Главным параметром, который при этом усовершенствуется, является техпроцесс.

Что такое техпроцесс

Практически все современные чипы состоят из кристаллов кремния, которые обрабатываются методом литографии, с целью формирования отдельных транзисторов. Транзистор – ключевой элемент любой интегральной микросхемы.

В зависимости от состояния электрического поля, он может передавать значение, эквивалентное логической единице (пропускает ток) или нулю (выступает изолятором).

В чипах памяти с помощью комбинаций нулей и единиц (положений транзистора) записываются данные, а в процессорах – при переключении производятся вычисления.

В 14-нм технологии (по сравнению с 22-нм) сокращено количество барьеров, увеличена их высота, уменьшено расстояние между диэлектрическими ребрами

Технологический процесс – это процедура и порядок изготовления какой-либо продукции. В электронной промышленности, в общепринятом значении, это величина, которая указывает на разрешающую способность оборудования, применяемого при производстве чипов. От нее также напрямую зависит размер функциональных элементов, получаемых после обработки кремния (то есть, транзисторов). Чем чувствительнее и точнее оборудование используется для обработки кристаллов под заготовки процессоров – тем тоньше будет техпроцесс.

Что значит числовая величина техпроцесса

В современном полупроводниковом производстве наиболее распространена фотолитография – вытравливание элементов на кристалле, покрытом диэлектрической пленкой, с помощью воздействия света. Именно разрешающая способность оптического оборудования, излучающего свет для вытравливания, и является техпроцессом в общепринятом толковании этого слова. Это число указывает, насколько тонким может быть элемент на кристалле.

Фотолитография – вытравливание элементов на кристалле

На что влияет техпроцесс

Техпроцесс напрямую сказывается на количестве активных элементов полупроводниковой микросхемы. Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов поместится на определенной площади кристалла.

В первую очередь это значит увеличение количества продукции из одной заготовки. Во вторую – снижение потребления энергии: чем тоньше транзистор – тем меньше он расходует энергии.

Как итог, при равном количестве и структуре размещения транзисторов (а значит, и увеличения производительности) процессор будет меньше расходовать энергию.

Минусом перехода на тонкий техпроцесс является удорожание оборудования. Новые промышленные агрегаты позволяют делать процессоры лучше и дешевле, но сами набирают в цене. Как следствие, лишь крупные корпорации могут вкладывать миллиарды долларов в новое оборудование. Даже такие известные компании, как AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm или Apple самостоятельно процессоров не делают, доверяя это задание гигантам вроде TSMC.

Что дает уменьшение техпроцесса

При уменьшении технологического процесса производитель получает возможность поднять быстродействие, сохранив прежние размеры чипа. К примеру, переход с 32 нм на 22 нм позволил вдвое увеличить плотность транзисторов. Как следствие, на том же кристалле, что раньше, стало возможным размещение не 4, а уже 8 ядер процессора.

Для пользователей главное преимущество заключается в снижении энергопотребления. Чипы на более тонком техпроцессе требуют меньше энергии, выделяют меньше тепла. Благодаря этому можно упростить систему питания, уменьшить кулер, меньше внимания уделить обдуву компонентов.

Схематический прогноз изменения техпроцесса в будущем

Техпроцесс процессоров на смартфонах

Смартфоны требовательны к аппаратным ресурсам и быстро расходуют заряд аккумулятора. Поэтому, для замедления расхода разряда, разработчики процессоров для мобильных устройств стараются внедрять в производство самые новые техпроцессы. К примеру, некогда популярные двухъядерники MediaTek MT6577 производились по техпроцессу 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранних серий изготавливались по 45-нанометровой технологии.

В 2013-2015 годах основным техпроцессом для чипов, используемых в смартфонах, стал 28 нм. MediaTek (вплоть до Helio X10 включительно), Qualcomm Snapdragon серий S4, 400, а также модели 600, 602, 610, 615, 616 и 617 – это все 28 нм. Он же использовался и при изготовлении Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Горячий» Snapdragon 810, что интересно, был выполнен по более тонкому техпроцессу 20 нм, но это ему не сильно помогло.

Apple в своем A7 (iPhone 5S) тоже обходилась 20-нанометровой технологией. В Apple A8 для шестого Айфона применили 20 нм, а в модели A9 (для 6s и SE) уже используется новый 16 нм технологический процесс. В 2013-2014 годах Intel делали свои Atom Z3xxx по 22-нанометровой технологии. С 2015 года в производство запустили чипы с 14 нм.

Следующим шагом в развитии процессоров для смартфонов является повсеместное освоение техпроцессов 14 и 16 нм, а дальше стоит ожидать 10 нм. Первыми экземплярами на нем могут стать Qualcomm Snapdragon 825, 828 и 830.

Дорогие читатели, если вы увидели ошибку или опечатку в статье «Технологический процесс в процессоре», помогите нам ее исправить! Выделите ошибку и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter». Мы получим ваше сообщение и внесём исправления в ближайшее время.