Уже появились в продаже новые ноутбуки на базе платформы Intel Ivy Bridge, и многим интересно, что же представляет собой эта мобильная платформа. Кстати, она есть в варианте как для мобильных компьютеров, так и для обычных, настольных. Традиционно считается, что настольный вариант является более производительным, однако сейчас Intel обещает нам, что и мобильные процессоры будут весьма мощными.
В этой статье мы расскажем о новых процессорах от Intel 2012 года, ну а в следующей — коснемся встроенной графики Intel HD 4000. Мы намеренно не будем углубляться в технические подробности. Все-таки наш сайт больше направлен не на профессионалов, а на тех, кто просто хочет лучше разобраться в устройстве ноутбуков. Ну а если вам этого мало — в сети очень много подробных обзоров Intel Ivy Bridge.
Итак, Intel Ivy Bridge — это логическое продолжение другой популярной и наделавшей в свое время много шума . Только если последняя делалась по 32нм техпроцессу, то Ivy Bridge — это шаг вперед, ибо процессоры эти выполнены по техпроцессу 22 нм. Это позволило уменьшить из размер, при этом увеличив производительность и снизив энергопотребление.
Напомним, что Intel выпускает свои процессоры, пользуясь собственной стратегией «Тик-так». «Тик» — это миниатюризация техпроцесса (например, от 32 до 22 нм), «так» — это уже совершенно новая архитектура. Таким образом, процессоры Sandy Bridge — это «так», а новые Ivy Bridge — «тик». В 2012 году ожидается новый «так» — процессоры Haswell.
Процессоры Ivy Bridge принадлежат к уже известному нам семейству Intel Core, это их третье поколение. Производитель обещает нам более высокую по сравнению со старыми версиями производительность и улучшенную поддержку беспроводных сетей. Ну и плюс встроенный USB 3.0, который даст возможность обмениваться данными с внешними устройствами гораздо быстрее. К повышенной производительности добавилось и сниженное энергопотребление — от 17 до 55 ватт в зависимости от процессора.
Процессоры в новой линейке — как четырехъядерные, так и двухъядерные. Самый производительный из них — 3920XM, работающий на штатной тактовой частоте 2,9 ГГц, но при этом умеющий разгоняться при помощи технологии Turbo Boost до 3,8 ГГц. Новые процессоры будут гораздо быстрее транскодировать видео — практически в четыре раза. К тому же они меньше греются.
Также в процессор встроен генератор случайных чисел плюс защита операционной системы от хакерских атак, направленных на «повышение привилегий». Улучшен и контроллер памяти — он теперь поддерживает более быструю и менее энергоемкую оперативную память DDR3.
Встроена и поддержка интерфейса Thunderbolt, который сейчас использует компания Apple в своих ноутбуках. Он обеспечивает очень быструю передачу данных с внешних устройств. Ну а вообще к ноутбуку на этой платформе можно будет подключить сразу до трех дисплеев, и если вам хочется поиграть таким образом в игры или же просто расширить рабочий стол — милости просим.
Вот список всех мобильных процессоров Intel Ivy Bridge 2012-2013 года: (на 06.05.2013)
Значение индексов:
M
- Мобильные процессоры
XM
- экстремальные 4-ядерные процессоры с разблокированным множителем
QM
- 4-ядерные процессоры
U
- процессоры с пониженным TDP (энергопотреблением)
Y
- процессоры со сверхнизким TDP
И есть еще , большинство из которых предназначены для установки в ультрабуки и планшеты:
(картинка увеличивается по клику)
Значение индексов:
E
- встраиваемые процессоры
QE
- 4-ядерные встраиваемые процессоры
МE
- встраиваемые мобильные
LE
- оптимизированные по производительности
UE
- оптимизированные по энергопотреблению
Еще в 2002 году я писал об ожидаемых проблемах
производителей процессоров при переходе на более тонкие тех.
процессы. Часть из них решена совершенно незаметно для широкой
компьютерной общественности, часть (например проблемы с током утечки
затвора) широко освещалась в прессе.
Движение к тонким тех. процессам это не только путь поиска новых
технических идей, но и путьфинансовых
затрати технологических компромиссов, которые
в свою очередь ограничивают успехи производителей процессоров
История развития процессоров
Это постоянное стремление повысить
его производительность, а для этого сделать основную ячейку
(ключ) - комплиментарную пару транзисторов как можно более
быстродействующей или как можно меньших размеров. Это достигалось применением
все более тонких технологических процессов.
Причем быстродействие ячейки тем выше
чем тоньше тех. процесс.
Развитие процессоров можно условно разделить на два этапа.
Первый это где-то 2005 года.
На первом этапе основной целью работы проектировщиков было, сделать как можно меньше размеры КМОП ключа, для того чтобы получить все более высокие тактовые частоты процессора и соответственно повысить его производительность. И только потом за счет малых размеров увеличить число ключей с целью получить более сложную структуру, оптимизация которой тоже дает некоторый прирост производительности.
И только потом шли снижение потребляемой ключом и соответственно процессором мощности и остальные преимущества тонких технологий.
Причем основной прирост производительности процессоров обеспечивался именно ростом тактовых частот.
Второй начался с 2005 года, с того момента как тактовая частота процессора перестала расти.
На втором этапе, гонка за уменьшением размера КМОП ключа, продолжается. Целью ее стало разместить как можно большее количество ключей на кристалле, для получения возможности усложнение структуры процессора (в том числе увеличение количества ядер и объема КЭШ"ей) что позволяет увеличить производительность. Вторая причина движения - снижение потребляемой ключом и соответственно процессором мощности. Рост тактовых частот остановился.
Именно этим путем повышалась производительность серверных процессоров ранее, когда даже более тонкий тех. процесс не давал возможности повысить производительность.
С этого момента производители перешли к так называемому рейтингу - эквивалентной производительности процессора.
На пути к тонким технологическим процессам возникало и решалось множество проблем. Часть из них решена совершенно незаметно для широкой компьютерной общественности, часть (например проблемы с током утечки затвора) широко освещалась в прессе. Это путь не только путь поиска новых технических идей, но и финансовых затрат и самое главное путь компромиссов, которые накладывали определенные ограничения на развитие технологии.
Вначале мая прошла информация
о решении Intel, дословно - «запустить программу по снятию с производства своих процессоров Core i7 940», причем как розничных моделей, так и OEM-продуктов.
Формула в стиле Intel , «запустить - по снятию» - неприятное действие, выглядит довольно позитивно! Совсем не как "снять с производства".
Отметим, с момента релиза первых чипов семейства Core i7 прошло уже почти полгода, а это достаточно небольшой срок для процессорной индустрии... и вот это решение!
За Core i7 940 последовал Core i7 965!
Что это означает?
Некоторые думают, что на фоне кризиса не проходит принцип работы Intel - «все возьмут, что мы предложим, с соответствующей рекламной компанией».
Есть мнение, что это попытка реализовать складские запасы наборов системной логики 4-й серии, спрос на которые упал вследствие мирового экономического кризиса. Но "реализовать за счет отказа от" это формула без выигрыша. Все равно потери там или тут.
Еще мнение, что затраты на производство Intel Core i7 940 оказались высоки и он не имеет того спроса который позволяет иметь рентабельное производство.
Другое мнение, на фоне кризиса у Intel обострились внутренние проблемы.
Пока можно только гадать, почему жизнь Core i7 940 и Core i7 965 оказалась такой короткой, но обычно причины прекращения производства должны быть достаточно весомые, ведь затрачены средства, а на дворе кризис. Тем более, что планируются к выпуску новые модели Core i7 975 и 950 - не сильно отличающиеся по производительности.
Но вероятнее всего это вся совокупность выше сказанного на которую наложилась проблемы освоения более тонких технологических процессов.
Тенденции развития процессоров
Каждый шаг в освоении тонких технологических процессов означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и его площади примерно в 2 раза.
Поэтому имеют место тенденции и факты:
|
Последние два пункта существенно влияют на экономическую целесообразность выпуска в продажу новых моделей, и на их цену.
Самые характерные точки в истории освоения новых технологических процессов показаны в табл.1.
| ГОД* | 1995 | 1997 | 1999 | 2001 | 2003 | 2005 | 2007 | 2009 | 2011 | 2012** | 2013** |
| Технология мкм | 0,35 | 0,25 | 0,18 | 0,13 | 0,09 | 0,065 | 0,045 | 0,045 | 0,032 | 0,022/0,024 | 0,01 |
| Длина канала нм | - | 120 | 90 | 70 | 45 | 38 | 35 | 35 | 20 | 15 | 7-8 |
| Макс. тактовая частота процессора МГц /Модель |
450/ Pentium Pro | 1000/ Pentium III | 2000/ Pentium 4 - 2,0 | 3400/ Pentium 4 - 3,4 | 3800/ Pentium 4 - 571 | 3800/ Pentiu m 4-673 | 3160*
/ Penryn Quad-Core Xeon DP X5460 |
2660 (план до 3300) Nehalem |
<
2500 Прогноз |
<
2200 Прогноз |
<
2000 Прогноз |
| Время переключения τ (псек) |
5,5 нс | 250 | 125 | 65 | 23 | 14 | 10 | 10 | 5-7 | 3-5 | 1-3 |
| Макс. частота генерируемой помехи
f макс ГГц |
0, 2 | 4 | 8 | 15 | 43 | 83 | >9 0 | >90 | >130 | >200 | >500 |
| Число контактов | 387 | 370 | 423 | 478 | 775 | 775 | 771, 940 AMD |
1 366 | 1366/ 1156 | >1400 | >1400 |
Таблица 1.
*Intel считает годом освоения тех. процесса, год представления потребителям образца чипа выполненного по данному тех. процессу. Раньше от представления чипа процессора до его выпуска в продажу проходило несколько недель. Начиная с 45 нм тех. процесса, после представления чипа памяти (на них теперь отрабатывается технология), проходит до полугода до представления первого процессора, а развертывание массового производства (многих моделей) занимает еще до полугода. Поэтому здесь указана дата серийного выпуска первой модели процессоров по этому тех. процессу. Поэтому эта строка может иметь значения отличные от принятых Intel.
** в планах Intel на 2009 год.
По мнению официальных представителей корпорации Intel, в 2012 г. производители микрочипов перейдут на 10-нм технологический процесс. Вице-президент Intel Digital Enterprise Group (подразделение Intel отвечающее за проектирование и производство дискретных чипов) Пэт Гелсингер считает, что фабрики Intel смогут делать транзисторы величиной 10 и менее нанометров.
Рассматривать такое лишенное логики заявление можно только как очередной рекламный трюк, поскольку такой диапазон изменения технологий ранее требовал от 4 до 7 лет. Поскольку каждый шаг связан с внедрением новых технологий, оборудования и их отладки.
Но в истории не только Intel, но и вообще, не было таких скачкообразных переходов на новые тех. процессы. Поэтому реально, по моему мнению, можно ожидать принятый Intel шаг тех. процессов, что даст ряд 32, 22, 16, 11 нм.
Даже не учитывая то неизведанное,что ждет разработчика.
См. Таблицу 1.
| ГОД* | 2009 | 2011 | > 2012 | >2014 | >2017 | |
| Конструктив | ||||||
| Стандарт | Другой | |||||
| Технология нм | 45 | 32 | 22 | 16 | 11 | 11 |
| Длина канала нм | 35 | 24 | 17 | 12 | 8-9 | 8-9 |
| Время переключения τ (псек) |
10 | 6-7 | 5-6 | 3-5 | 2-3 | 2-3 |
| Число контактов | 1366 | 1500 | 2000 | 3000 | 4000 | - |
| Число транзисторов до млн. | 731 | 1100 | 1600 | 2400 | 3600 | До 8000 |
| Макс. частота помехи, f макс ГГц |
>90 | >130 | >150 | >200 | >250 | >250 |
Таблица 2.
1. С переходом на более тонкие технологии,
укорачивается длина канала транзисторов составляющих дискретные структуры процессора, а это в свою очередь вызывает рост их быстродействия.
Специалистам известны зависимости, которые связывают длину канала МОП транзистора (размер технологического процесса) и его быстродействие. Посмотрите график описывающий данную зависимость на рис.3.
Рисунок 1.
Понятие быстродействие, до 90 нм тех. процесса, однозначно было связано с тактовой частотой процессора. Растет быстродействие транзистора - растет и тактовая частота ядра процессора.
Сейчас, быстродействие уже не значит - тактовая частота ядра.
Ограничения.
В существующих технологиях изготовления системных (материнских) плат применять для внешних шин времена переключения равные временам переключения транзисторов ядра нельзя.
Потому что, с ростом быстродействия, повышаются требования к точности времени прихода (синхронности) сигналов по параллельным шинам передачи информации и синхронизации.
Это не критическое ограничение, его можно обойти применив передачу информации по последовательным каналам.
2. Снижаются площади занимаемые транзистором в чипе,
примерно в два раза на каждый шаг снижения технологических норм, в результате должны снижаться его внутренние емкости.
Но применение high-k диэлектрика для изоляции затвора транзисторов выполненных по 45 нм тех. процессу, снижает емкость затвора незначительно. Это снижает удельную (на 1 ключ) потребляемую мощность меньше, чем раньше при переходе от одного тех. процесса к другому.
Не учитывая этот фактор (а может быть просто для отработки технологии на пользователях - структуры предназначенной для 22 нм тех процесса на тех.проц. 32 нм) компания Intel выпустила чипы Intel Core i7 940 в продажу с TDP равным 130 Вт. И вот, в начале мая, пошла информация о снятии их с производства (хотя возможно их появление на 32 нм тех. процессе).
Вообще-то мощности тепловыделения более 100 Вт требуют особого подхода к проблеме охлаждения процессора и системного блока. Малейшая неточность в этом вопросе, приводит к возникновению температурных градиентов на чипе, что не способствует его долговечности.
По моим данным, применение high-k диэлектрика в качестве изолятора привело к сохранению емкости (100-70%) транзистора при переходе от 65 к 45 нм. тех. процессу.
В результате роста числа транзисторов мощность и незначительного снижение емкости затвора транзистора потребляемая процессором растет. Пример тому Intel Core i7 940.
3. Не смотря на рост быстродействия
тактовые частоты ядра процессора перестали расти не достигнув 4 ГГц.
 Рис. 1 (мои данные). |
 Рис. 2 (данные http://ru.wikibooks.org/wiki/ поисковое слово Процессор) |
| На рис. 1 и 2 даны графики зависимости тактовой частоты процессора. Они не синхронизированы по горизонтальной оси, поскольку рис. 2 использован из другого источника. А рис. 1 показывает только характерную область. Но свою задачу показать изменение тактовой частоты во времени или при снижении норм тех. процессов они выполняют достаточно наглядно. |
|
Я не говорю здесь о:
- способности к разгону процессора, поскольку разогнанный режим это Ваш эксперимент - Ваш риск, в котором стабильная работа процессора не гарантируется.
- эквивалентной производительности процессора, которая определяется не только тактовой частотой ядра, а комплексом характеристик процессора.
Здесь идет речь только о тактовой частоте ядра определенной производителем.
Конечно можно оспаривать падение тактовой частоты ядра на 45 нм тех. процесса, но уже, никто не оспаривает отсутствие ее роста. А сравнение прироста тактовой частоты при переходе с 250 нм на 180 нм тех. процесс, явно не в пользу аналогичным ситуациям, после 90 нм.
Да и заявления некоторых «умельцев», о высокой тактовой частоте весьма спорны. Поскольку разогнав свой образец (как я уже говорил - не всякий образец процессора можно разогнать) процессора Intel до чуть более 4 ГГц, они так и не смогли перевести свое «ноу хау» в разряд стандартного решения для широкого круга хотя бы «умельцев», да и сами, насколько ч понимаю, не используют рекордные режимы постоянно.
А то бы по аналогии с заголовками « Процессор ХХХХХХ - превысил 4,2 ГГц!» появились и заголовки «Процессор ХХХХХХ - 3 года с частотой 4,2 ГГц!»
Есть мнение, что существует и другая причина ограничения тактовой частоты процессора - это ограничение пропускной способности шин для связи устройств ПК.
4. Уменьшение площади занимаемой транзистором
позволяет на подложке аналогичного размера разместить большее число транзисторов, усложнив структуру процессора. Это в некоторой степени положительно сказывается на общей скорости вычислений.
Этим и пользуются разработчики процессоров. Количество транзисторов на чипе постоянно растет.
Рисунок 2.
Рост числа транзисторов происходит за счет усложнения структуры процессора и размещения на чипе процессора большего числа ядер, кэшей увеличенного объема (которые к слову имеют тенденцию увеличения), контроллеров памяти, .....
Следует отметить, что наиболее тяжелые для чипа, с точки зрения тепловыделения, ядра которые работают на высоких тактовых частотах.
Чтобы не греть чип, существует идея, в многоядерных процессорах использовать дополнительные ядра заточенные под выполнение каких то узких (специализированных) задач. Это позволит отключать их при отсутствии задач и тем самым снизить потребляемую процессором мощность и тепловыделение.
С другой стороны - Увеличение общего числа транзисторов в чипе - как стремление Intel уложиться в «прокрустово ложе» ««Закона» Мура».
Это требует увеличения числа узлов на кристалле и как результат увеличения числа транзисторов. Но только не удвоения каждый год - два.
Если главное не оптимальная работа процессора, а Мур с его законом, есть простой способ соблюдать этот закон, просто увеличивать кэш. Ведь известно, каждый разряд кэша требует для хранения бита информации 6 транзисторов, а вместе с контроллерами - интерфейсами, обвязкой (практика показывает) на 1 разряд кэш 3 уровня приходится уже более 50 транзисторов. Это весомый вклад в торжество ««Закона» Мура».
Хотя существует опровержение ««Закона» Мура», это процессор:
I ntel Atom Z515 - 1,20 ГГц (512 КБ L2, 400 МГц FSB, 1,4 Вт TDP) - представлен 8 апреля 2009 года, Silverthorne - 45 нм технологический процесс и имеющий на кристалле 47 мил. транзисторов. Он позиционируется как микропроцессор для ультрамобильных систем/систем класса Netbook и Nettop .
Налицо падение количества транзисторов!
Другой существенный вклад в увеличение числа транзисторов - применение архитектур с несколькими ядрами.
Но количество узлов - ядер и размер кэша не могут быть бесконечны, начиная с некоторого уровня управление ими займет столько ресурсов, что прирост производительности процессора прекратится.
Поэтому разговоры о применении 100 и 1000 ядерных процессоров в ПК пока преждевременны.
Результатом этого является увеличение числа внешних связей (линий) процессора и рост числа контактов его соединителя - Soket"а.
5. Растет число ядер процессоров
количество которых в прогнозах приближается к сотне. Увеличение их количества вызвано стремлением увеличить производительность системы.
Понятно, что такое увеличение не может продолжаться бесконечно. Ведь синхронизация и управление параллельными вычисления тоже требует вычислительных ресурсов. Конец умножения количества ядер там, где их дальнейшее увеличение не дает прироста производительности.
Но, нельзя забывать, увеличение количества ядер, как и размеров КЭШей, кроме того требует еще и ресурсов.
Промелькнула информация, что Intel планирует заточить отдельные ядра многоядерного процессора под отдельные специализированные задачи, что позволит увеличить их производительность и отключать в случае отсутствия для них задач. Последнее позволит снизить потребляемую мощность. Например одно из ядер можно заточить под выполнение операций с графикой.
Но возникает впечатление, что крайней ситуацией такого развития является чип где размещены все основные узлы процессора, оставив за его пределами только те узлы которые не оказывают существенного влияния на скорость работы ПК.
Понятно, что развитие, совершенствование процессоров направлено на увеличение скорости его работы и скорости работы системы. Для этого оптимизируется его архитектура, в том числе и количество ядер, величина кэшей всех уровней, в процессор переносятся контроллеры памяти.
Это требует увеличения числа узлов на кристалле и как результат увеличения числа транзисторов.
6. Приближение TDP к предельной величине,
имеющей в современных конструкциях процессора в условиях оптимизированных корпусов величину порядка 130 - 150 Вт.
Это ограничение накладывает не наличие эффективных кулеров, а конструктивные особенности самого процессора, размеры кристалла, неоднородность тепловыделения на его поверхности.
Вы наверное обратили внимание, последнее время иногда появляются процессоры с TDP порядка 130 Вт. Чаще всего это процессоры предназначенные для выпуска на более тонком тех. процессе. Например процессор Intel Core i7 940 с архитектурой Nehalem выполненный по 45 нм тех. процессу имеет TDP порядка 130 Вт, будучи выполненным по 32 нм. ТП он будет иметь TDP от 65 до 95 Вт, в зависимости от тактовой частоты.
Обычно TDP не превышает 100 Вт.
130 Вт, это максимальная мощность, которая может отводиться от полупроводникового прибора с такими размерами теплопроводящих поверхностей и подобной конструкции.
Но она накладывает высокие требования к уровня технологии охлаждения полупроводникового прибора.
Это соединения кристалла с тепло распределительной пластиной на процессоре с тепловым сопротивлением порядка 0,01 °С/Вт, эффективных теплопроводящих материалов (паст), кулеров с тепловым сопротивлением менее 0,1 °С/Вт, и корпусов с эффективной вентиляцией.
При приближении TDP к 150 Вт грозит местными перегревами на кристалле, снижением его помехоустойчивости, чувствительности к внешним охлаждающим устройствам и соответственно, общей надежности.
Ограничения накладываемые -
TDP ограничивает число транзисторов на кристалле и тактовую частоту процессора.
7. Увеличение числа контактов процессорного разъема
(соединителя) - Soket"а.
3 фактора влияющие на увеличение числа контактов:
- Усложнение структуры процессора,
- Рост потребляемого тока,
- Увеличение частоты помехи.
1. Усложнение структуры процессора и увеличение его внешних связей создает потребность в увеличении числа контактов на Soket" е процессора. Но увеличение идет не только на количество внешних связей. Передача идет по парам проводников, поэтому число контактов увеличивается на удвоенное число внешних связей процессора.
Это логично и понятно.
Рисунок 4.
2. Как мы знаем, число контактов на Soket"е, для подачи питания на процессор превышает 150 пар. Этого требуют большие токи подаваемые для питания процессора. Причем снижение питающего напряжения требует приводит к росту подаваемого на процессор тока. Это происходит даже при сохранении потребляемой процессором мощности, потому что снижается величина напряжения питающего напряжения (пока до 1 В).
И при ограничении тока на уровне 0,5 А (0,5 А - предельном) на одну пару контактов можно прикинуть сколько контактов требуется для этого. (Коэф. запаса по току требует примерно 0,3А на контакт) Но число контактов в Soket" е отведенное для этих целей всегда больше. Рост числа контактов определяемый максимальным током, особенно при снижении напряжения питания, это не тенденция, а техническая необходимость. (При напряжении питания 1,1 В и потребляемой мощности 130 Вт требуется выделить для этого более 230 контактов.)
3. Параллельное соединение линий питания требует не только подача питания, но и вывод за пределы чипа и Soket"а широкополосных помех генерируемых процессором при работе. Для этого нужна низкая индуктивность линий распределения питания, что достигается, в применяемом конструктиве Soket" а, параллельным соединением множества контактов.
Это особенно важно на ТП 0,45 нм и менее, потому что верхняя частотная граница помех превышает 50 ГГц.
Но с переходом на более тонкие тех. процессы, растет ВЧ граница генерируемой помехи и требутся снижение индуктивности линий подачи питания на процессор и как результат увеличение числа контактов Soket"а.
Поэтому - у сложнение структуры процессора, рост потребляемого тока И необходимость вывести за пределы процессора генерируемую им помеху - все это требует увеличения числа контактов на Soket" е.
Увеличение числа контактов увеличивает размер Soket" а и соответственно индуктивность соединений на нем. При определенном размере Soket"
Но этот процесс не безграничен.
Увеличение числа контактов увеличивает размер Soket" а и соответственно индуктивность соединений на нем. При определенном размере Soket" а увеличение числа контактов на дает необходимого снижения их индуктивности.
8. Новые решения
Периодически появляются в печати. В основном они относятся к новым, более быстродействующим транзисторам.
Например:
- Так называемые транзисторы с вертикальной структурой,
- Двухзатворные транзисторы.
- Новые полупроводниковые материалы, ...... Список постоянно пополняется.
Конечно транзисторы новых структур с рабочими частотами (граничной частотой крутизны) 20, 50 ГГц вещь интересная и не только с точки зрения применения в цифровой (дискретной) технике.
Но не следует забывать:
Природа работы транзисторов в режиме переключения едина, всегда и всех структур с высоким скоростям переключения имеются сопутствующие отрицательные явления, ограничивающие их возможности.
Да и КМОП структуры выполненные по 45 нм. - имеют время переключения порядка 10 псек и рабочую частоту (граничную частоту крутизны - характеризующую его усилительные свойства в линейном режиме) около 16 ГГц. Это значит, что транзисторы современных процессоров выполненных по 45 нм. тех. процессу теоретически способны работать с тактовой частотой процессора 16 ГГц. Но, те самые, отрицательные явления не позволяют этого.
После некоторой доработки конструкции и структуры процессора, работа МОП структур возможна на частотах приближающихся к граничной частоте крутизны. А значит процессор выполненный по 45 нм. тех. процессу способен работать на тактовых частотах ядра 7-10 ГГц.
Увеличение количества ядер процессоров продолжается 2, 4, 8 и в перспективе 60, 80, 100. Хотя последнее сомнительно для широкого применения.
Хотелось бы сказать несколько слов о новых полупроводниковых материалах которые оказывают существенное влияние на производительность и рабочую температуру процессора.
Сейчас появились новые полупроводниковые материалы , транзисторы выполненные на которых работают на более высокой частоте, при более высоких температурах.
| Материал | Ширина запрещенной зоны, эВ | Подвижность электронов, см 2 /В*с | Напряженность поля пробоя,МВ/см | Скорость электронов, 10 7 см/с | Теплопроводность, Вт/см*К | Рабочая температура, º С, макс |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Si | 1,1 | 1350 | 0,3 | 1 | 1,5 | 200 |
| GaAs | 1,4 | 8500 | 0,4 | 2 | 0,5 | 300 |
| GaN | 3,4 | 900 | 3,3 | 2,7 | 1,3 | 500 |
| AlN | 6,2 | 300 | 11,7 | 2,0 | 2,5 | 500 |
Таблица 3.
По данным [Л.1 ]
Полевые транзисторы на основе GaN уже поступили в продажу.
Intel проводит исследования по возможности применения полупроводников III группы (куда относится и GaN).
Существует несколько вариантов конструкций высокопроизводительных процессоров.
Сейчас на горизонте появились новые технологии
Какие они будут?
Предположить сложно, но явно не чисто оптической, которая пока находится на начальной стадии.
Но оптические технологии уже прорабатываются Intel и другими.
Пока не оптические процессоры, а только высокоскоростные оптические интерфейсы ввода/вывода для межкомпонентных соединений «кристалл-кристалл» .
По мнению Intel -
«применяемые в настоящее время технологии межкомпонентных
соединений на базе медных проводников скорости в 15-20 Гбит/с
являются предельными из-за неизбежного на сверхвысоких тактовых
частотах ухудшения характеристик сигнала, рассеивания мощности и
усиления негативного влияния электромагнитных помех.»
Рисунок 5.
Интел уже работает над оптическими системами передачи данных [ Л.4] .
И не только создает технологии позволяющие встраивать оптические системы передачи данных в чипы процессора, но и уже имеет опытные образцы таких трансиверов.
Такие трансиверы (электронные устройства сопряжения, используемые, в частности, для подключения компьютеров к сети) на КМОП - транзисторах смогут работать на тактовых частотах порядка 14 ГГц, что вполне достаточно для обеспечения скорости передачи данных на уровне 20 Гбит/с.[Л.2]
А самые последние модели способны обеспечивать обмен данными со скоростью 40 Гбит/с, а в ближайшее время ожидается появление 8 канального трансивера с пропускной способностью до 1 Гбит/с.
А модели компьютеров с подобными трансиверами (оптическими каналами связи) используемыми вместо внешних шин процессора уже испытываются в лабораториях Intel .
«Московский изобретатель - Вербовецкий Александр Александрович, смог изменить микросхему этой платы так, что удалось повысить производительность, помехозащищенность, надежность и живучесть персональных компьютеров, использующих оптоэлектронные системные платы.
Этот результат был достигнут благодаря использованию оптических методов ввода-вывода и передачи сигналов, позволяющих резко повысить скорость передачи данных, а также за счет применения групповой шинной архитектуры.
В блок-схему платы были введены дополнительные процессоры, блоки сопряжения процессоров, узлы оптической связи каждого блока схемы друг с другом (процессора с системной шиной, кэш-памяти с системной шиной, системного блока управления с системной шиной и тд.), блоки сопряжения системного блока управления.
Такая совокупность блоков и связей между ними позволила получить устройство, обладающее более чем в 100 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью, чем обычные современные материнские платы, выпускающиеся для персональных компьютеров.» (конец цитаты)
Эти два решения есть практическое создание единой скоростной оптической шины на которую могут быть посажены все его узлы обеспечивающие внутренние и внешние связи ПК.
Есть решения
Которые позволяют увеличить тактовую частоту без роста TDP , другие решения позволяют увеличить TDP процессора по крайней мере вдвое, что позволяет, ничего не меняя в современных подходах к проектированию, увеличить тактовую частоту процессора по крайней мере в 2 раза. Изменив организацию внутренней структуры процессоров и применив некоторые конструктивные решения еще в 2 раза.
Суммарно это дает возможность иметь тактовую частоту процессора более 10 ГГц. И тут вступают в силу проблемы синхронизации, .
Заключение
Это конечно не все тенденции и проблемы развития процессоров.
Нет конца глубине вопроса, по нему можно написать десятки глубоко научных трудов, но все равно пройдет время и возникнут новые проблемы, которые потребуется решать.
Я хотел здесь рассказать, что история развития процессоров это постоянные компромиссы, результатом которых часто является совсем не то что планируют вожди отрасли. И количество компромиссов и соответственно ограничений становится тем больше при приближении к физическим пределам основного элемента процессора КМОП транзистора. И тогда выполнять «Закон» Мура остается только за счет огромных КЭШей.
Примером такого компромисса является ограничение тактовой частоты процессора.
Накопление этих компромиссов в конце концов становится непреодолимым, и это тупик данной технологии.
Согласно информации Fujitsu , выполненный по 45 мкм тех. процессу, восьми ядерный процессор SPARC64 VIIIfx (Venus ) имеет скорость вычислений 128 GFLOPs, - 2.5 раз выше по сравнению с лучшим Intel , дв у х ядерным Itanium 2, тем не менее, даже с встроенным в Venus диспетчером памяти потребляет составляет только 33% от Itanium 2 , следовательно, около 35Вт.
Один из «специалистов» вычислил тактовую частоту этого процессора как 16 ГГц.
Это неверно уже потому что, при сходной структуре транзисторов, современных тех. процессах и TDP равном 35 Вт его тактовая частота не может превышать 4 ГГц.
Но уже скоро появятся процессоры нового поколения, где вместо шин для связи с внешними устройствами будут использоваться встроенные в процессор оптические системы передачи данных. Это шины обмена информацией с памятью, внешними устройствами (PCI-E , ...), и даже шины связи с HDD , SSD , ... .
И процессор, как и компьютер предстанут в новом виде и возможно качестве.
P.S.
Статья писалась в 2009 году, и вот на дворе середина 2013 (через год от прогноза) и вот после некоторого молчания появились сообщения обозревателей типа "10 нм техпроцесс - реальность 2015 года" а практики относят разработку процессора к 2018 году. А пока с начала 2012 года серийно производятся только процессоры по 22 нм техпроцессу.
С дальнейшим снижением технологических норм (уже с 45 нм техпроцесса) прогрессивно возрастают технологические трудности их освоения.
Пример тому 22 нм техпроцесс, который был продемонстрирован в 2008 году, а освоен в производстве процессоров только через 4 года (2012 год).
Поэтому даже если даже (совсем не 10 нм техпроцесс) 14 -18 нм процесс и будет продемонстрирован в 2015-2018 годах, то освоен он может быть не ранее 2020-2025 года.
Мне будет приятно ошибиться.
август 2013 года
Литература.
1.«Транзистор на GaN пока самый крепкий орешек» В.Данилин, Т.Жукова, Ю.Кузнецов, С.Тараканов, Н.Уваров ФГУП «НПП ПУЛЬСАР», http://www.electronics.ru/issue/2005/4/3
2. Корпорация Intel представляет прототип высокоскоростного оптического интерфейса ввода/вывода для межкомпонентных соединений «кристалл-кристалл», Йен Янг (Ian Young), http://www.intel.com/corporate/europe/emea/rus/country/update/contents/it04041.htm
3. Российским специалистом разработана оптоэлектронная системная плата нового поколения, превосходящая даже современные аналоги компании IBM. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5833.html
4. Оптическое будущее новость от Research@lntel Dау, Chip , сентябрь,2009 г.
А.Сорокин
2012 год для настольных процессоров, в отличие от рынка планшетных компьютеров и мобильных телефонов, был весьма заурядный. Никаких серьезных изменений не было, если не брать интеграцию графического ядра. Количество ядер не спешит расти, впрочем, как и тактовая частота процессора. В прошлые годы темпы развития CPU были более заметными. Существует мнение, что всякие там планшеты, ноутбуки и прочие гаджеты заменят собой стационарку, но, признаться, мне в это слабо верится. У настольных компьютеров вычислительная мощность куда выше, да и работать они спокойно могу в режиме 24/7. А игровые приставки с качеством игр на PC в сравнение не идут и, вероятно, что настольные компьютеры их вытеснят. Да, за прошедший год продажи десктопов упали примерно на 10%, цифра немаленькая. Но не оттого ли и упали продажи, что не наблюдает бурной эволюции?
Отчасти столь медленное развитие процессоров связано, нет, не с тем, что 35-летняя архитектура x86 уже устарела, просто обе компании бросили много сил на иные задачи.
Что касается AMD, то они обеспокоены, в первую очередь, выживанием. Компания растеряла множество ценных кадров и теперь не может составить конкуренцию главному противнику - корпорации Intel - в сфере высокопроизводительных вычислений. AMD вынуждена существенно снижать цены, чтобы как-то повысить уровень продаж. Но таким образом справиться с проблемами очень сложно, поэтому они решили занять те ниши рынка, где Intel не господствует.
По поводу Intel - здесь другая ситуация. Ее главный конкурент существенно отстает от нее, поэтому стремиться выпускать новые процессоры они не спешат. Но Интел может потерять звание микропроцессорного гиганта на других рынках, где господствует arm-архитектура.
Главными же событиями в 2012 году от компаний стали Intel Ivy Bridge и AMD Piledriver.
Intel: Экскурс событий 2012 года
Производство обычных процессоров для настольных компьютеров перестает быть главным приоритетом. В доказательство можно привести откладывание официальных сроков анонса Ivy Bridge на более позднее время, а затем и проблемы с поставкой. Новую архитектуру ждали в начале года, а вышла она в апреле, а нормальные продажи начались только к середине лета. Никаких проблем у Intel не было, они просто не спешили, да и запасы Sandy Bridge можно заодно продать. Новая микроархитектура оказалась лишь скудным обновлением Sandy Bridge: техпроцесс 22-nm, следовательно, и уменьшенное тепловыделение, новые 3D-транзисторы (Tri-Gate), несущественный прирост производительности и тактовой частоты.
В этом камушке разочаровались и оверклокеры, его разгонный потенциал ничем не превосходил прошлое поколение процессоров. Как, вы думаете, обладатели Sandy Bridge отреагировали на новинку? Правильно, - никак! И нечему тут удивляться. Но это не делает автоматически этот процессор УГ. Просто он ориентирован скорее на ноутбуки, ультрабуки и маломощные компьютеры. Встроенное видеоядро достаточно мощное, чтобы не покупать дискретный видеоадаптер. Мощно и Full HD спокойно смотреть и игрушки поиграть новые, правда, не на высоких настройках и без FSAA.
А вот у недавно вышедших мобильных процессоров Y-серии максимальный TDP - 13W! А среднее энергопотребление всего 7Вт. И это при том, что они имеют поддержку Hyper-Threading, мощное ядро Intel HD Graphics, частоту от 2Ghz. Компания надеется с помощью этой серии сгладить проблемы с новыми Atom (Clover Trail). В последнее время Intel Atom как-то сдает позиции, своеобразный кризис. Также особого успеха Intel не принесли и ее платформа Medfield для смартфонов, так и серверный Atom (Centerton), хотя у него ситуации получше. Микросервера и уплотненные сервера находят в этом процессоре свое спасение.
Ну и получается так, что обсуждать приходится не крутые производительные процессоры, а новинки в области экономичных SoC. Ничего свежего в области мощных производительных процессоров на сокете LGA2011 не было - все те же улучшенные аналоги прошлого года. В области серверных вычислений ничего примечательного не случилось, все анонсированные процессоры основываются на Sandy Bridge-EP. В прошлом году также была анонсирована очередная новинка Intel Itanium, который основывается на архитектуре IA-64. Новый процессор получил более, чем двукратное увеличение производительности, но инженерная команда потихоньку сокращается, следовательно, прогресс будет идти медленнее. Да и сама Intel теряет любовь к этой архитектуре.
Advanced Micro Devices (AMD): Действия в 2012 году
Если для Intel все было более-менее безмятежно, то AMD вступало в этот год далеко не спокойно. Ей нужно выбираться из той ямы, в которой она находится. Процессоры компании AMD были востребованы, в основном, в бюджетном сегменте. Востребованностью пользовались лишь процессоры платформы Brazos. Но от дешевых процессоров и прибыль невелика.
Популярнейшим процессором от AMD для настольных компьютеров является флагманский процессор с архитектурой Bulldozer. Но ни 8 ядер, ни высокая тактовая частота, ни патч для Windows не помогли ему. Его производительностью были разочарованы практически все. Гибридные процессоры семейства Llano немного скрасили серые будни компании, но их устаревшая архитектура K10 не позволяет им конкурировать с аналогами от Intel.
AMD терпела убытки, требовалось срочно что-то предпринять. Компания провела реструктуризацию, прошла волна увольнений, поменялись приоритеты, пересмотрены договора с производителями полупроводников. Таким образом, компания определила для себя 3 основных направления, где ее может ждать успех: серверные платформы, энергоэффективные процессоры с малым потреблением, ну и встраиваемые решения.
Но, пожалуй, самым значимым событием прошлого года стал анонс гибридных процессоров второго поколения - Trinity. Они включали в себя до 4 ядер архитектуры Piledriver и графический процессор семейства Radeon HD 7000. По сравнения с Llano, Trinity удалось поднять вычислительную планку на 25%, а графическая производительность выросла на целых 50%. В итоге в ассортименте компании появились 4-ядерные APU с тепловыми пакетами 35, 25, 17 и 15 Вт, которые обладали довольно неплохими спецификациями, чтобы что-то изменить в данном рыночном сегменте.
Итак, процессоры Trinity стали весьма успешны для мобильного рынка. Данный APU существенно превосходит Intel HD Graphics, но производительность ЦП, увы, заметно уступает процессорам от Intel. Но на рынке десктопов данные APU смогли занять лишь бюджетную нишу. Да и то, многие предпочтут Intel, если вопрос не упирается в экономию денежных средств.
Десктопные процессоры семейства Vishera (обновленные Piledriver) серии FX включают в себя до 8 ядер, но это обновление получилось не самым удачным. Производительность FX поднялась буквально на 10-15 процентов, да и то из-за одной лишь тактовой частоты. Флагманский процессор FX может составить конкуренцию лишь Core i5, да и то с натяжкой, ну и энергопотребление у него будет намного выше.
А на серверном рынке ситуация благоприятная, в связи с применением архитектуры Piledriver, среди Opteron"ов для платформы G34 с дизайном Abu Dhabi число x86-ядер увеличилось до 16! А это уникальное предложение для серверного рынка. В скором времени AMD планирует встроить в Opteron x64-ядра ARM.
Примечательно, что 75% продаваемых компанией продуктов - энергоэффективные недорогие гибридные решения.
Что ж, год получился скудный на высокопроизводительные решения, наблюдается массовый бум на рынке планшетов. Усилия микропроцессорных гигантов направлены не на настольные платформы, точнее, они направлены, но никто не стремится быстро создавать что-то революционное в данной области, предпочитая потихоньку обновлять и усовершенствовать свои продукты. Надеемся, что 2013 год принесет больше радостных вестей, а особенно в сфере высокопроизводительных систем.
Планы анонсов процессоров компании AMD на 2011/2012 годы
Во время проведения ежегодного мероприятия Financial Analyst Day , компания AMD подвела итоги текущего года и поделилась планами на будущее. В частности, она обновила дорожную карту выхода процессоров для десктопного и мобильного сегментов рынка.
Итак, в классе настольных систем, в начале 2011 года нас ожидает дебют первых APU (accelerated processing unit) AMD«Zacate» и «Ontario» , ориентированных на использовании в мультимедийных компьютерах и десктопах бюджетного сегменту рынка. Обе новинки изготовляются с использованием норм 40-нм техпроцесса и поддерживают 1-2 ядра центрального процессора с архитектурой AMD «Bobcat» . В середине 2011 года будут дебютировать APU AMD «Llano» и процессоры AMD «Zambezi», которые будут использовать 32-нм техпроцесс. Отметим, что APU AMD «Llano» нацелены на средний класс продуктов и будут поддерживать 2-4 ядра центрального процессора архитектуры AMD «Stars». Процессор AMD «Zambezi» ориентированый на компьютерных энтузиастов и, в отличие от APU, он не поддерживает графический процессор. В состав его комплектации будет входить 4-8 ядер центрального процессора на базе архитектуры AMD «Bulldozer».
В 2012 компания AMD планирует перейти на еще тоньший 28-нм технологический процесс. Пионерами в нем станут новые APU AMD «Krishna», которые заменят на рынке бюджетных систем APU AMD «Zacate» и «Ontario». Главным их отличием от предшественников будет поддержка максимум 4 ядер центрального процессора на базе усовершенствованной архитектуры AMD «Bobcat».
В среднем классе моделей борьбу за благосклонность потребителей продолжат APU AMD «Trinity», которые будут использовать 2-4 ядра центрального процессора изготовленных на базе улучшенной архитектуры AMD «Bulldozer» по нормам 32-нм техпроцесса.
В конце концов, в Hi-End сегменте рынка десктопных систем, на смену процессору AMD «Zambezi» должен прийти восьмиядерный AMD «Komodo», который также будет использовать усовершенствованную 32-нм архитектуру AMD «Bulldozer». Отметим, что в отличие от своего предшественника, он будет оснащаться графическим ядром с поддержкой инструкций Microsoft DirectХ 11.
Рынок мобильных процессоров в 2011 / 2012 годах будет использовать те же самые решения. В частности, в 2011 году в сегменте бюджетных и ультратонких лептопов будут дебютировать 40-нм одно- и двухъядреные APU AMD «Zacate» и «Ontario» , которые в 2012 году будут заменены на 28-нм двух- и четырехъядерные APU AMD «Krishna». А класс средних и высокопроизводительных решений в 2011 году пополнят лишь 2-4 ядерные APU AMD «Llano», выполненные по нормам 32-нм техпроцесса. В 2012 году им на смену придут APU AMD «Trinity», которые будут использовать улучшенную архитектуру AMD «Bulldozer», но будут оснащаться аналогичным количеством ядер центрального процессора.
При выборе процессора от компании Intel встает вопрос: а какой чип от этой корпорации выбрать? У процессоров есть множество характеристик и параметров, которые влияют на их производительность. И в соответствии с ней и некоторыми особенностями микроархитектуры производитель дает соответствующее название. Нашей задачей является освещение этого вопроса. В этой статье вы узнаете, что именно означают названия процессоров Intel, а также узнаете про микроархитектуры чипов от этой компании.
Указание
Надо заранее отметить, что здесь не будут рассматриваться решения раньше 2012 года, так как технологии идут быстрыми темпами и эти чипы имеют слишком малую производительность при большом энергопотреблении, а также их трудно купить в новом состоянии. Также здесь не будут рассмотрены серверные решения, так как они имеют специфичную сферу применения и не предназначены для потребительского рынка.
Внимание номенклатура изложенная ниже может оказаться недействительной для процессоров старее, чем обозначенный выше срок.
А также при возникновении трудностей можете посетить сайт . И прочесть вот эту статью, где рассказано про . А если хотите узнать про интегрированную графику от Intel, то вам .
Тик-Так
У Intel особая стратегия выпуска своих «камней», называющаяся Тик-Так (Tick-Tock). Она заключается в ежегодных последовательных улучшениях.
- Тик означает смену микроархитектуры, которая ведет к смене сокета, улучшению производительности и оптимизации энергопотребления.
- Так означает , что ведет к уменьшению энергопотребления, возможности расположения большего числа транзисторов на чипе, возможному поднятию частот и увеличению стоимости.
Вот так выглядит данная стратегия у десктопных и ноутбучных моделей:
| МИКРОАРХИТЕКРУРА | ЭТАП | ВЫХОД | ТЕХПРОЦЕСС |
|---|---|---|---|
| Nehalem | Так | 2009 | 45 нм |
| Westmere | Тик | 2010 | 32 нм |
| Sandy Bridge | Так | 2011 | 32 нм |
| Ivy Bridge | Тик | 2012 | 22 нм |
| Haswell | Так | 2013 | 22 нм |
| Broadwell | Тик | 2014 | 14 нм |
| Skylake | Так | 2015 | 14 нм |
| Kaby Lake | Так+ | 2016 | 14 нм |
А вот у маломощных решений (смартфоны, планшеты, нетбуки, неттопы) платформы выглядят следующим образом:
| КАТЕГОРИЯ | ПЛАТФОРМА | ЯДРО | ТЕХПРОЦЕСС |
|---|---|---|---|
| Нетбуки/Неттопы/Ноутбуки | Braswell | Airmont | 14 нм |
| Bay Trail-D/M | Silvermont | 22 нм | |
| Топовые планшеты | Willow Trail | Goldmont | 14 нм |
| Cherry Trail | Airmont | 14 нм | |
| Bay Tral-T | Silvermont | 22 нм | |
| Clower Trail | Satwell | 32 нм | |
| Топовые/средние смартфоны/планшеты | Morganfield | Goldmont | 14 нм |
| Moorefield | Silvermont | 22 нм | |
| Merrifield | Silvermont | 22 нм | |
| Clower Trail+ | Satwell | 32 нм | |
| Medfield | Satwell | 32 нм | |
| Средние/бюджетные смартфоны/планшеты | Binghamton | Airmont | 14 нм |
| Riverton | Airmont | 14 нм | |
| Slayton | Silvermont | 22 нм |
Надо отметить, что Bay Trail-D сделана для десктопов: Pentium и Celeron с индексом J. А Bay Trail-M для – это мобильное решение и также будет обозначаться среди Pentium и Celeron своей буквой – N.
Судя по последним тенденциям компании, сама производительность прогрессирует достаточно медленно, в то время как энергоэффективность (производительность на единицу потребленной энергии) растет год от года, того и гляди скоро в ноутбуках будут такие же мощные процессоры, как и на больших ПК (хотя такие представители есть и сейчас).
