Как конструктивно выполнены современные микропроцессоры

Конструкция микропроцессоров

Микропроцессор является основным устройством персонального компьютера, определяющим его вычислительные возможности. Микропроцессоры, выпускаемые промышленностью, объединяют в группы, называемые «рядами» или «семействами». Принадлежность микропроцессора к тому или иному ряду определяется по нескольким параметрам, основным из которых является программная совместимость микропроцессоров одного ряда друг с другом. Говорят, что микропроцессоры программно совместимы, если программа, написанная для одного микропроцессора, полностью выполняется на другом.

Микропроцессоры постоянно развиваются и совершенствуются, усложняется их внутренняя структура, в составе микропроцессоров появляются дополнительные устройства, в свою очередь и система команд микропроцессоров дополняется новыми командами для полноценного использования всех возросших возможностей микросхем. В этом случае, конечно, невозможно требовать от устаревших микропроцессоров выполнения всех команд современных моделей, но вот современные модели, как правило, выполняют все команды прежних моделей плюс свои собственные. Это утверждение правомерно и для способов представления данных (операндов). Такое свойство называют совместимостью «снизу вверх».

Рассмотрим (рис. 13) внутреннюю структуру микропроцессора:

· корпус – основной конструктивный элемент микросхемы, определяющий ее внешние параметры (габариты, расположение выводов и т.д.);

· кристалл кремния высокой степени очистки от примесей, составляющий основу любой современной микросхемы (кремниевая подложка);

· полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др. элементы), которые входят в состав устройств микропроцессора и создаются путем нанесения на кремниевую подложку примесей, изменяющих ее свойства;

· металлические проводники, соединяющие устройства микропроцессора друг с другом и с внешними выводами микросхемы;

· защитный слой, изолирующий кристалл микросхемы от внешней среды.

Корпус, в который «упаковывается» микропроцессор выбирается исходя из многих параметров. Основными параметрами, влияющими на выбор типа корпуса, являются:

· степень интеграции микросхемы, т.е. количество транзисторов, созданных на кристалле кремния в процессе производства микросхемы;

· количество выводов микросхемы, иначе называемых «ножками»;

· потребляемая мощность, т.е. количество энергии которую микросхема потребляет при функционировании и отдает во внешнюю среду в виде тепла;

· вариант исполнения – миниатюрное (для мобильных компьютеров) или полногабаритное (обычное).

Для микропроцессоров фирмы Intel различают следующие типы корпусов:

· DIP – Dual In-line Package, корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов по длинным сторонам корпуса;

· PGA – Pin Grid Array, керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

· PQFP – Plastic Quad Flat Pack, пластиковый корпус с выводами по сторонам квадрата;

· SPGA – Staggered PGA, корпус с шахматным расположением выводов;

· SQFP – Small Quad Flat Pack, миниатюрный корпус с выводами по сторонам квадрата;

· PPGA – Plastic Pin Grid Array, термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA;

· TCP – Таре Carrier Package, миниатюрный корпус с расположенными по периметру ленточными выводами;

· S.E.C.C. – Single Edge Connector Cartridge, картридж процессора Pentium II – печатная плата с краевым разъемом, на которой смонтированы кристаллы процессора, кэш-памяти, охлаждающий радиатор и вентилятор;

· S.E.P.P. – Single Edge Processor Package, картридж процессора Celeron без термопластины и крышки;

· FC-PGA – Flip Chip PGA, (перевернутый кристалл) кристалл микросхемы вмонтирован в корпус перевернутым на 180° [6].

Технология изготовления микропроцессора состоит из следующих основных этапов:

1) подготавливается пластинка кремния требуемой толщины из специально выращенного кристалла, которая не содержит посторонних примесей;

2) на кремниевую пластину с помощью специальных матриц в заранее рассчитанные места наносятся мельчайшие частицы вкраплений, создающие вместе с кремнием полупроводниковые элементы на поверхности пластины;

3) с помощью других матриц на полученные элементы наносятся тончайшие полоски металла, соединяющие отдельные элементы в устройства микропроцессора и создающие контактные площадки для соединения кристалла с выводами микросхемы. По окончании этого процесса на одной пластинке кремния формируется несколько кристаллов будущих микропроцессоров;

4) пластинка кремния разрезается на отдельные кристаллы;

5) кристалл встраивается в корпус микросхемы;

6) контактные площадки кристалла соединяются с внешними выводами корпуса микропроцессора;

7) кристалл микропроцессора закрывается герметичной защитной оболочкой для предохранения от окисления, механического повреждения и т.д.;

8) готовая микросхема проходит тестирование и, при успешном завершении этой процедуры, отправляется на продажу.

По конструктивному исполнению различают однокристальные и секционированные микропроцессоры. В однокристальных микропроцессорах все необходимые устройства реализованы в виде одной микросхемы. Секционированные микропроцессоры представляют собой некоторое подобие детского конструктора. Процессор с требуемыми параметрами (например, разрядность), в этом случае, собирается на монтажной плате из нескольких микросхем (секций), которые соединяются внешними проводниками. Микропроцессоры Intel относятся к классу однокристальных микропроцессоров.

Память компьютера.

Архитектура каждого компьютера накладывает собственные ограничения на величину адресов. Наибольший возможный адрес определяет объем адресного пространства компьютера или то, какой объем памяти он может использовать. Обычно компьютер использует память меньшего объема, чем допускается его возможностями адресации. Если архитектура компьютера предусматривает наибольшее адресное пространство, это накладывает суровые ограничения на возможности такого компьютера

Карта памяти

Обычная память

Расширенная память

DOS 5 поступает пользователю вместе со специальным драйвером устройства, называемым HIMEM.SYS, который призван управлять расширенной памятью. HIMEM.SIS управляет потоками данных для всей памяти объемом 640К, включая область верхней памяти.

Дата добавления: 2016-04-06 ; просмотров: 2075 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Современные микропроцессоры. Часть первая: секреты высокой производительности

Этой публикацией мы начинаем цикл переводов замечательных статей, популярно рассказывающих о принципах работы современных микропроцессоров.

Современные процессоры вобрали в себя так много технологий, что за улучшениями и надстройками легко можно потерять из виду те принципы, которые сегодня лежат в основе современных компьютерных технологий. Будем начинать с основ, вернувшись во времена технического превосходства процессоров DEC Alpha и выхода на рынок AMD Athlon.

Все новое – хорошо развитое старое

Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему процессоры Alpha способны достигать столь высоких скоростей? Почему ядро Intel P6 сможет достичь 800 МГц и более а ядро К6 скорее всего никогда? И почему AMD утверждает что ядро К7 рассчитано на высокие частоты?

Ну что же, пора выяснить, в чем дело. Эта статья представляет собой первую в серии статей, целью которой является разъяснить, что же делает процессор быстрым. Мы пристально взглянем под панцирь этим цифродробилкам. Поверьте, там есть на что посмотреть. И не беспокойтесь: цель этой статьи объяснить, а не забросать умными словами. Так что вперед!

Процессоры 5-7 поколения. Они уже такие разные.

Довольно занятно: в то время как процессоры Alpha «летали» на умопомрачительной тогда скорости в 700 МГц, AMD были все еще на 450 МГц, а Intel только-только добрался до 500 МГц. Это различие становится еще более заметным, если учесть тот факт что Alpha достигала 533-600 МГц еще на 0,35 мкм процессорах! AMD и Cyrix никогда не могли выжать из своих 0,35 процессоров больше чем 233 МГц. Так что больше не позволяйте кому-то говорить вам что все зависит от тех процесса!

Как получить высокие частоты

На вопрос, почему некоторые процессоров быстрее чем другие, обычно получаешь три ответа:
1) Лучшие производственные возможности (передовые технологии, более тонкий тех процесс)
2) Меньший размер процессора и более низкая теплоотдача.
3) Более глубокие конвейеры

А теперь, давайте посмотрим на цифры:

Хотя DEC обычно сама производила свои процессоры Alpha, последнее время (до продажи процессорного бизнеса легендарной компании корейскому Samsung’у) кристаллы для DEC производились на фабриках Intel, производственный процесс которых был лучше. Процессоры на 0,25 мкм тех процессе появились у Intel заметно раньше, чем у DEC. Опять же, как мы уже отмечали, Alpha работали намного быстрее.

Малый размер кристалла? Но кристаллы процессоров Alpha и HP просто огромны! И это не мешает им обходить намного более меньшие по размерам процессоры от Intel и AMD (используя такой же тех процесс, конечно).

Winchip IDT был очень мал, и процессоры AMD всегда были меньше их аналогов от Intel. Но совсем не помогло им в противоборстве с Intel. Выходит, что не все зависит от производственного процесса.

Глубокий конвейер? Это ни о чем не говорящий ответ. Как может глубокий конвейер помочь достичь высоких мегагерц? И вообще, что из себя представляет глубокий конвейер?

Ваш первый микропроцессор

Чтобы ответить на наши вопросы нам придется собрать свой собственный маленький процессор. Первое что вам следует узнать, это то, что главные события в процессоре разворачиваются в так называемом «Арифметико-Логическом Устройстве» или просто АЛУ. Это именно тот отдел процессора где происходит непосредственно обработка данных. Данные же, АЛУ получает из регистров.

Оно считывает данные из регистров, производит определенные вычисления (например, сложение, вычитание, увеличение на единицу, логическое «или», и т.д.), а затем заносит результаты вычислений обратно в регистры. Впоследствии эти данные (посредством кэша) возвращаются в основную память.

Таким образом, можно сделать вывод, что регистры должны быть очень быстрыми, иначе АЛУ будет простаивать во время записи и считывания данных.

Итак, в течении всего одного такта мы и считываем данные с регистра, и записываем их в него! Другими словами, если у вас, положим, в регистре Z хранится число X, а АЛУ, по инструкции, следует, скажем, прибавить к нему единицу, то возможно записать число ответ в тот регистр. Хм, и неужели это пройдет без проблем? Вообще-то говоря, не совсем. Давайте, тогда, разбираться что же делает процессор в течении такта.

Источник

Как конструктивно выполнены современные микропроцессоры

7373 дней с официального открытия

Технологии изготовления и секреты производства архитектур

Современные микропроцессоры – это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микпроцессорных структур, использующих существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, поскольку кремниевые технологии близятся к пределу своих возможностей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы процессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется скоростью переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Технологический процесс определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора). Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм.

Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Снижение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Технологии и рынок

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU – запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.

Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.

Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы прежде всего уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на 90 нм – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров – Intel и AMD.

И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.

Начавшийся год должен принести нам большое количество новостей из области технологий, ведь именно в этом году обе компании должны перейти на технологические нормы 90 нм. Но это вовсе не означает нового стремительного роста частот процессоров, скорее наоборот. Сначала на рынке будет наблюдаться затишье: конкуренты начнут выпускать CPU по новым техпроцессам, но со старыми частотами. По мере освоения процесса производства начнется некоторый рост частоты чипов. Скорее всего, он будет не столь заметен как ранее. К концу 2004 года, когда выход годных кристаллов по 90-нм техпроцессу значительно повысится, компания Intel ожидает покорение вершины в 4 ГГц, а то и более. Процессоры компании AMD будут идти с некоторым традиционным отставанием по частоте, которое, в общем-то, не так сильно сказывается на производительности, как особенности микроархитектуры.

Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые микропроцессоры Pentium (1993 г.) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году. Как видно, для этих техпроцессов соблюдается закон Мура, который гласит, что каждые два года частота кристаллов удваивается при увеличении количества транзисторов с них. С такими же темпами сменяется и техпроцесс. Правда, в дальнейшем «гонка частот» опередит этот закон. К 2006 году компания Intel планирует освоение 65-нм техпроцесса, а 2009 – 32-нм.

Производство микропроцессоров

Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров, или 8 дюймов. Однако, корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 300 мм, или 12 дюймов. Новые пластины позволяют получить почти в 4 раза больше кристаллов, и выход годных значительно выше. Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно, циклически повторяясь, производят термическое оксидирование (формирование пленки SiO2), фотолитографию, диффузию примеси (фосфор), эпитаксию (наращивание слоя).

В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров, для изготовления которых требуется совершить более 300 операций. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование, изготовление корпуса и доставка.

Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей. Процесс производства микропроцессора начинается с «выращивания» на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.

Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется «травлением». Затем убирают оставшийся фотослой, в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. С помощью ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой «легированием», открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.

Тестирование. Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на обратную сторону «похудевшей» пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Кроме того, этот слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.

После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Если обнаруживаются неисправности, данные о них анализируют, чтобы понять, на каком этапе обработки возник сбой.

Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям.

Изготовление корпуса. После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Для разделения пластины используют специальную прецизионную пилу. Неработающие кристаллы отбраковываются.

Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет впоследствии установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. Теперь электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно.

В будущих процессорах компания Intel применит технологию BBUL, которая позволит создавать принципиально новые корпуса с меньшим тепловыделением и емкостью между ножками CPU.

После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Будущие технологии производства микропроцессоров

Известно, что существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий.

Чтобы понять, о чем идет речь, взглянем сначала на обычный МОП-транзистор, на базе которого делаются сложнейшие CPU.

В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика).

Если мы боремся с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм (см. рисунок выше). Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10-12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл.

Материал с низкой диэлектрической проницаемостью используется в качестве диэлектрика медных соединений (см. рисунок) во всех техпроцессах Intel, начиная с 0,13-микронного.

Источник