Современные тенденции развития процессоров

Содержание

Введение…………………………………………………………………………2-3

1. История развития процессоров………………………………………….4-9
2. Арифметико – логическое устройство………………………………...9-16
1. Алгоритм  работы процессора…………………………………12-13
2. Функции регистров, входящих в АЛУ………………………..13-14
3. Операции в АЛУ………………………………………………..14-15
4. Классификация АЛУ…………………………………………...15-16
3. Современные тенденции развития процессоров……………………16-26
1. Характеристики современных процессоров……………………..17
2. Энергоэффективность………………………………………….17-18
3. Функциональные возможности………………………………..18-19
4. Производительность……………………………………………19-20
5. Модельный ряд процессоров Intel…………………………….20-23
6. Модельный ряд процессоров AMD…………………………...23-25
7. Анализ современных тенденций развития процессоров………..26

Заключение………………………………………………………………………27

Список используемых источников……………………………………………..28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение                            

Одним из основных устройств  современного персонального компьютера является центральный процессор. Который, на первый взгляд, просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако этот кристалл содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

История создания микропроцессора  началась еще в 50-х годах, когда  на смену электронным лампам пришли компактные «электронные переключатели» - транзисторы, затем – интегральные схемы, в которых впервые удалось объединить на одном кристалле кремния сотни крохотных транзисторов. Но все-таки отсчет летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента появления первого микропроцессора.

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного  дня, процессоры сильно изменились. Современный процессор это не просто набор транзисторов, а целая система множества важных устройств.

Кремневая технология, по которой  делают процессоры, практически достигла своего предела. Сейчас уже делают процессоры, в которых стоят транзисторы с длиной канала 15 нм. Для того, чтобы ещё больше уменьшить длину канала транзистора, необходимо огромное количество научных исследований и строительство безумно дорогостоящих фабрик.

Сейчас процессоры выполнены в виде компактного модуля, вставляющегося в ZIF-сокет (у каждого производителя несколько различных несовместимых друг с другом сокетов). Процессор представляет собой полупроводниковый кристалл, содержащий сотни миллионов (а некоторые и миллиарды) транзисторов.

Актуальность данной темы заключается в том, что в последние  годы развитие процессоров происходит в быстром темпе. Из – за «соревнования» двух производителей  AMD и INTEL, улучшилось качество производимой ими продукции; процессоры стали дешевле, доступнее; появились новые команды для обработки графики, звука и видео. Произошел: рост тактовой частоты, сопровождающийся уменьшением размерности элементов (до 0.25 мкм), рост тактовой частоты шины данных.

Объектом исследования в  данной курсовой работе является процессор.

Предметом является исследование современного развития процессоров.

Цель: проанализировать современные  тенденции развития процессоров.

Задачи: 

• Изучить историю развития процессоров;
• Изучить устройство процессоров;
• Проследить развитие современных процессоров.

Для решения поставленных задач в курсовой работе использовались следующие методы исследования:

• метод анализа;
• метод сравнения;
• метод обобщения.

В розничной сети сегодня  предлагается очень широкий ассортимент  процессоров Intel и AMD для настольных ПК. Изобилие процессоров, с одной стороны, радует глаз, а с другой — возникает проблема выбора процессора, тем более что разобраться в современных семействах и обозначениях процессоров не так-то просто. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История развития процессоров                     

Современные процессоры, выполняемые  в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х  последние практически вытеснили  прочие виды процессоров, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова  «микропроцессор». Тем не менее, это  не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня  представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем  большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.  Ранние процессоры создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. ^[9]                                     

 Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность процессора с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.^[6] 
 Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. 
Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. 
Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.^[10] Этапы цикла выполнения:       
1.  Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.             
2.  Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности. 
3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её. 
4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства). 
Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора.  Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.^[11] 
     Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. 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 необходимой программы. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой. Многоядерный процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высоко интегрированную реализацию мультипроцессорности. Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 и имевший два ядра. 
     В октябре 2004 Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+. 
14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока. 5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристале Core Duo, для мобильной платформы 10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).^[12] 
     В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков. В марте 2010 года компания AMD выпустила первые в мире 12-ядерные серверные процессоры Opteron 6100 архитектуры x86. На данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты. Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач. К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.^[13] 
     Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45-нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7. Однако, с выходом процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация значительно изменилось в пользу AMD. Этот процессор по цене стоит на уровне intel core i7 930, однако может потягаться с линейкой процессоров intel core i7 в плане производительности. Его полноценных 6 ядер отлично подходят для сложных многопоточных задач. По данным компании IDC, по итогам 2009 г. доля корпорации Intel составила 79,7%, доля AMD – 20,1%^[14].   Доли по годам представлены в таблице 1:

 

 

 

Таблица 1.

Год	Intel	AMD	Другие
2009	79,7%	20,1%	0,2%
2008	80,4%	19,3%	0,3%
2007	78,9%	13,1%	8,0%

 

2. Арифме́тико-логи́ческое устройство

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, представляемыми в виде машинных слов, называемыми в этом случае операндами.^[15]

Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному англ. Electronic Discrete Variable Computer (EDVAC). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований (IAS). Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции, включая сложение, вычитание, умножение и деление.^[16]

 Организация и принципы действия:

• Одноразрядное двоичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до   двоичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом.
• Одноразрядное троичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с унарным (одноразрядным) выходом (полуАЛУ) может выполнять до   троичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с унарным (одноразрядным) выходом.
• Одноразрядное троичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до   троичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом.  Арифметико - логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:

1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

2. операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

В состав арифметико-логического  устройства, условно, для примера  на картинке, включается регистры Рг1 — Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2, …NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Различают два вида микрокоманд: внешние — такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нём преобразование информации (на рисунке 2 это микрокоманды А1,А2,…,Аn) и внутренние — те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство, изменяя таким образом нормальный порядок следования команд. р1, p2,…, pm на рисунке 2 — это и есть микрокоманды. А результаты вычислений из АЛУ передаются в ОЗУ по кодовым шинам записи у1, у2, …, ys.^[17]

Основные функциональные компоненты процессора

• Ядро: Сердце современного процессора - исполняющий модуль. Pentium имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции одновременно.
• Предсказатель ветвлений: Модуль предсказания ветвлений пытается

угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз  когда

программа содержит условный переход, так чтобы устройства предварительной  выборки и декодирования получали бы инструкции готовыми

• Блок плавающей точки. Третий выполняющий модуль внутри Pentium,

выполняющий нецелочисленные вычисления

• Первичный кэш: Pentium имеет два внутричиповых кэша по 8kb, по

одному для данных и  инструкций, которые намного быстрее  большего внешнего вторичного кэша.

Шинный интерфейс: принимает  смесь кода и данных в CPU, разделяет  их до готовности к использованию, и  вновь соединяет, отправляя наружу.

                             

                  Рис. 1 Внутреннее строение процессора                 

     Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2000 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд (PC) – внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в