Процессоры. История и перспективы развития

В итоге получается многослойная схема с кремниевой подложкой, составляющая единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Рисунок слоев создается при помощи литографии. В первых процессорах использовалась контактная фотолитография, сейчас основной является проекционная фотолитография.4 Перспективы развития процессоровПроизводители процессоров в настоящее время идут по пути повышения производительности. Поскольку за производительность процессора отвечает тактовая частота процессора и количество инструкций, которые может выполнить процессор за такт, то для увеличения производительности нужно либо поднимать тактовую частоту, либо увеличивать количество инструкций, выполняемых за такт.Самый простой путь – повышение тактовой частоты. Развитие процессоров долгие годы шло по этому пути, то есть, постоянно совершенствовались технологии производства интегральных схем с целью одновременного увеличения производительности, уменьшения размеров и энергопотребления.Миниатюризация стала основной задачей цифровой микроэлектроники с самого момента появления. Однако кремниевые технологии подходят к своим пределам.На норму технологического процесса влияют следующие факторы:аппаратно-технические (связаны с разрешением аппаратуры для производства микросхем);физика технологических процессов (влияние на процесс взаимодействия используемых материалов и технологий между собой);физические факторы (зависимость характеристик кремния от температуры, туннельный ток, область пространственного заряда, лавинный пробой, электрическое сопротивление областей).Если с первыми двумя факторами современная микроэлектронная промышленность справляется, то устранение физических факторов подходит к пределам возможностей современной техники и науки.Скорость наращивания производительности процессоров снизилась ещё несколько лет назад, но производители продолжают идти по пути уменьшения нормы технологического процесса.Однако чем меньшенорма технологического процесса, тем больше физических проблем. Поэтому дальнейшее развитие процессоров может происходить по нескольким направлениям. Первое направление связано с увеличением объёма внутренней кэш-памяти и совершенствованием способов её организации. Второе направление связано с реализацией в процессорах принципов конвейеризации и параллельной обработки в нескольких конвейерах на разных стадиях выборки и выполнения команд:1) Применение суперскалярной обработки с динамическим параллелизмом в процессорах с чисто аппаратным механизмом выборки несвязанных команд программы из памяти и параллельном запуске их на исполнение (например, процессоры Pentium, PowerPC, Alpha, SPARC и др.).2) Развитие суперскалярной обработки со статическим параллелизмом, при котором выявление скрытого параллелизма и определение возможности параллельного исполнения команд возлагается наоптимизирующий компилятор (например, процессоры Itanium, Crusoe и др.).3) Использование аппаратных средств, обеспечивающих векторную обработку данных.Однако проблема преодоления технологической планки по-прежнему существует. Третий путь развития процессоров –это переход на другие полупроводники.Например, структуры A3B5 (аресенид галлия, фосфид галлия или нитрид галлия), карбид кремния, алмаз, графен и пр. У них выше эффективная подвижность электронов и дырок, ниже температурная зависимость, выше теплопроводность. Кроме того есть возможность создавать гетеропереходы – когда области внутри транзистора отличаются не только типом проводимости, но и физической структурой. Теоретически при прочих равных показателях микросхемы на нитриде галлия могут работать на более высокой частоте, устойчивы к высокой температуре, и обеспечивают лучший теплоотвод. Но пока эти материалы используются лишь для дискретных элементов и небольших микросхем, так как сложность технологии делает её цену на порядки выше кремниевой и не получается выйти на равные показатели. Поэтому альтернативные некремниевые микросхемы узко специализированы.Масштабные исследования ведутся также по созданию процессорных элементов и компьютеров в целом с использованием принципиально иной элементной базы: биполярных молекул, молекул ДНК, квантовых кубитов и света.Тем не менее, ближайшие перспективы развития процессоров просматриваются в основном в переходе на более тонкий технологический процесс производства транзисторов и переход от планарных (плоских) CMOS-транзисторов к новым типам транзисторов. Компания Intelещё в 2015 году представила трехмерные транзисторы Tri-Gate по технологии FinFET(отангл. FinFieldEffectTransistors).FinFET представляет отдельные транзисторы внутри микросхем в форме 3D-конструкции, что значительно уменьшает ток утечки и позволяет использовать узлы размером вплоть до 10 нм.) [7]Чипы, выполненные по технологии FinFET, способны решить многие проблемы миниатюризации,но при этом растяжение кремния, используемое в технологии производства, становится все более трудоемким, и при десяти нанометрах наступает предел. Уменьшение транзистора больше не дает никаких преимуществ, и кремний в качестве полупроводника исчерпывает себя полностью. В качестве решения рассматриваются отличные от традиционных материалы: германий, смесь индия, галлия и мышьяка.При технологическом процессе пять нанометров и менееимеет смысл использоватьдвумерные нанослои, то есть материалы, состоящие из одного слоя атомов, например, графен– решетка из атомов углерода, еще идет изучение германена, силицена и станена.Инженерам IBM удалось изготовитьграфеновый процессор, работающий на частоте 100 ГГц. Исследователи из IBM также продемонстрировали возможность выполнения графеновых транзисторов на основах, подобных традиционным кремниевым [7].ЗАКЛЮЧЕНИЕСовременные процессоры прошли большой путь от арифметико-логического устройства и устройства управления на электромеханических реле и вакуумных лампах до современных микропроцессорах, вмещающих миллионы транзисторов на небольшой площади.Эволюция развития процессоров включает в себя шесть поколений – от первого 8-битного процессора 8080 до многоядерных 64-битных процессоров архитектуры P6 и Rayzen.В процессе развития процессоров менялась их разрядность, тактовая частота и, соответственно, производительность, причем, с развитием микроэлектроники увеличение производительности процессоров происходило стремительно.В настоящее время технологии производства микропроцессоров уже не позволяют наращивать производительность теми же темпами, поэтому ученые и производители ищут различные пути развития процессоров. Некоторые из них предлагают пойти по пути изменения архитектуры процессора – использовать параллельные вычисления, суперскалярные и векторные, либо идти по пути улучшения взаимодействия между АЛУ и внутренней и внешней памятью компьютера, другие предлагают сменить принципы функционирования не только процессора, но и компьютера (квантовые компьютеры), третьи предлагают использовать новые материалы в качестве полупроводников. Все эти пути в равной степени позволяют смотреть в будущее процессоров с оптимизмом – без этих маленьких по размеру частей не будет работать ни один компьютер, поэтому все технологические пороги могут быть преодолены.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫАфонин Игорь, Кабачник Дмитрий. Современные процессорные архитектуры.«СТА», №1/2020, с. 100-104. – [Электронный ресурс] – URL: https://www.cta.ru/articles/cta/spravochnik/v-zapisnuyu-knizhku-inzhenera/124322/. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)Блог Андрея Андреева. Все поколения процессоров Intel по годам и в таблице. – [Электронный ресурс] – URL: https://infotechnica.ru/pro-kompyuteryi/o-protsessorah/vse-pokoleniya-intel/. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)История развития процессоров: из 70-х в 90-е. – [Электронный ресурс] – URL: https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/387347/. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)История и эволюция процессоров Intel. Часть 1: начало. – [Электронный ресурс] – https://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/91744-istoriya-i-evolutsiya-protsessorov-intel-chast-1-nachalo/. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)История и эволюция процессоров Intel. Часть 2: современность. – [Электронный ресурс] – https://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/91748-istoriya-i-evolutsiya-protsessorov-intel-chast-2-sovremennost/. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)Кабаева И. И. Эволюция процессора // Научные исследования. 2015. №1. – [Электронный ресурс] – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/evolyutsiya-protsessora.Режим доступа – свободный (дата обращения: 30.05.2024).Какое будущее ждет индустрию процессоров? – [Электронный ресурс] – URL: https://ichip.ru/tekhnologii/kakoe-budushhee-zhdet-industriyu-processorov-49430.Режим доступа – свободный (дата обращения: 30.05.2024).Степанов А.Н. Информатика: Учебник для вузов. 6-е изд. – СПб.: Питер, 2015. – 720 с.Что такое процессор (CPU). – [Электронный ресурс] – URL: https://www.nic.ru/help/chto-takoe-processor-cpu_11148.html. Режим доступа – свободный (дата обращения 30.05.2024)