Использование ресурса транзисторов в микросхемах процессоров

О многоядерности процессоров

Тот фантастический темп, в котором идет развитие всей микроэлектронной промышленности и компьютерной отрасли, был предсказан почти полвека назад, в 1965 году (всего лишь через шесть лет после изобретения интегральной микросхемы) Гордоном Муром. Мур предсказал, что число транзисторов в одном кристалле будет удваиваться примерно каждые два года.

На рис. 33.1 приведен график изменения технологических процессов изготовления микросхем начиная с 2000 года.

Рис. 33.1. График изменения технологических процессов изготовления микросхем

В 2014 г. фирма Intel анонсировала выпуск процессоров с использованием 14 нм технологического процесса. Для сравнения: ширина атома углерода составляет 0,34 нанометра. Благодаря свойствам новых технологических процессов удалось преодолеть барьер частоты процессора в 4 гигагерца с учетом допустимой энергоэффективности.

Почему цифровые значения технологических процессов изменяются таким, на первый взгляд, загадочным образом? Если сравнить их, то можно увидеть, что отношения соседних значений это примерно 1,4, т.е. линейные размеры объектов в каждом новом технологическом процессе уменьшаются в 1.4 раза (под объектом часто имеют в виду транзистор). А площадь, занимаемая одним объектом, уменьшается в 2 раза. Отсюда следует, что при использовании нового технологического процесса на той же площади полупроводникового кристалла можно поместить удвоенное количество объектов.

На примере истории развития процессоров для персональных компьютеров фирмы Intel можно кратко рассмотреть, каким образом разработчики процессоров использовали ресурс транзисторов в одном кристалле.

В 1985 г. был выпущен процессор 80386. В микросхеме процессора размещалось примерно 300000 транзисторов. Так как этого количества транзисторов было недостаточно для реализации всех компонентов процессора в одной микросхеме, то процессор состоял из трех основных микросхем: процессора, математического сопроцессора, кэш-памяти.

В 1989 г. был выпущен процессор 80486. В одной микросхеме размещалось около 1.2 млн. транзисторов. Этот ресурс транзисторов использовали следующим образом:

в одной микросхеме расположили все три основных компонента – процессор, математический сопроцессор, кэш-память;

увеличили степень конвейеризации;

увеличили объем кэш-памяти и ряд других усовершенствований.

В 1993 г. был выпущен первый процессор семейства Pentium. В одной микросхеме при этом располагалось около 5 млн. транзисторов. В этом процессоре появились суперскалярность, увеличенное количество специализированных функциональных устройств, усложненная структура управления и т.п.

В 2000 г. был выпущен процессор Pentium 4. В одной микросхеме располагалось уже несколько десятков миллионов транзисторов. Как же они расходовались? Увеличилась степень конвейеризации, совершенствовалась супескалярность, подсистема кэш-памяти и ее объем, расширен набор SIMD-команд, введены новые форматы данных.

2005 г. В распоряжении разработчиков в одной микросхеме уже имелось свыше 50 млн. транзисторов. Возникает вопрос, а что еще можно реализовать, чтобы увеличить производительность отдельно взятого процессора? Практически все разработанные ранее механизмы увеличения производительности уже реализованы. Дальнейшее увеличение степени конвейеризации, суперскалярности, объемов и структуры кэш-памяти не дают ожидаемого эффекта при существенном усложнении структуры, увеличении затрат и потребляемой энергии.

Увеличение частоты.Одновременно с совершенствованием структуры процессоров и освоением новых технологических процессов увеличивалось быстродействие микросхем и частота работы процессоров. Если бы удалось все задержки в компьютере уменьшить в к раз, то это привело бы к увеличению быстродействия в примерно в такое же число раз.

За последние (20–25) лет были достигнуты огромные успехи в создании быстродействующей элементной базы и соответствующих методов монтажа. Ожидается дальнейший прогресс, основанный на использовании новых технологий и снижения размеров устройств.

Для примера, первый процессор семейства Pentium работал на частоте 100 МГц, а процессор Pentium 4 – на частоте свыше 3 ГГц. Увеличение частоты не менее чем в 30 раз.

В 2000 г. фирма Intel обещала довести к 2010 г. рабочую частоту своих процессоров до 10 ГГц. Однако эти прогнозы не оправдались из-за ряда ограничений, прежде всего из-за проблемы отвода выделяемого тепла

В настоящее время разработаны и массово производятся процессоры, работающие с частотами в диапазоне (3 – 4) ГГц. Уникальные виды процессоров работают с частотами 5 ГГц. Дальнейшее повышение частоты при использовании существующих технологий нецелесообразно.

Выводы

1. Начиная с середины 2000-х годов разработчики высокопроизводительных процессоров имеют в своем распоряжении микросхемы с сотнями миллионов транзисторов.

2. Дальнейшее повышение частоты работы процессоров свыше (3-4) ГГц становится нецелесообразным из-за проблем с отводом тепла.

3. В структуре процессоров, реализованных в одной микросхеме, использованы практически все известные методы увеличения производительности.

4. Дальнейшее экстенсивное развитие процессоров (наращивание количественных показателей, типа: ступеней конвейеризации, суперскалярности, количества специализированных функциональных устройств, структуры и объемов кэш-памяти и т.п.) не дают должного эффекта.

5. При переходе на новые технологические процессы в одном процессоре удается повысить производительность на (10-15) % при сохранении частоты работы и потребляемой энергии.

6. Разработчики процессоров столкнулись с парадоксом – в распоряжении появляются реальные ресурсы в виде удвоенного количества транзисторов примерно каждые два года, а вот эффективно их использовать и существенно увеличить производительность одного отдельно взятого процессора не удается.

7. Основная задача, которая ставится при конструировании современных процессоров, — достижение не просто максимально возможной производительности любыми средствами, а высокого уровня производительности при обеспечении энергопотребления на приемлемом уровне.