Частина 3. Розвиток архітектури стандарту pc Лекція 12. Структура та режими роботи сучасного процесора
12.1. Вимоги до сучасних процесорів
В узагальненому виді центральний процесор виглядає так:
Рис. 12.1. Узагальнена структура одноядерного процесора
Користувач очікує від процесора наступних характеристик:
1. Висока швидкодія – кількість інструкцій в одиницю часу. Ця характеристика досягається підвищенням тактової частоти та розпаралелюванням обчислень. Підвищення тактової частоти обмежується гранично припустимим тепловиділенням. Сучасні системи відводу тепла обмежені величиною 150-200Вт та мають високу вартість. При цьому неминуче зростає робоча температура та різко знижується надійність системи. Відомо, що при підвищенні температури на 15 градусів час наробітку на відмову зменшується вдвічі. У кристалах на основі кремнію навряд чи можлива тактова частота понад 10ГГц.
Розпаралелювання обчислень досягається суперскалярною архітектурою, тобто багатоконвеєрною обробкою. Наприклад, одноядерні процесори Core 2 та Athlon містять 3-4 конвеєри, що дозволяє виконувати до 8 інструкцій (команд) одночасно. Додаткова можливість розпаралелювання з'являється при багатоядерній архітектурі процесора. Так, при використанні двох ядер продуктивність процесора збільшується в 1.3-1.8 раз.
2. Зниження тепловиділення. У світі функціонують сотні мільйонів комп'ютерів, кожний з яких споживає сотні Вт енергії. Це становить значну частину загального енергоспоживання. Сучасні процесори витрачають до 130Вт. Intel та AMD обмежують потужність настільних процесорів величиною 65Вт. Споживана потужність процесора пропорційна частоті та квадрату напруги живлення: P=αFU2.
Зменшуючи технологічний крок, можна зменшити втрати, пов'язані з високою робочою частотою, а також робочу напругу на процесорі. З 2006-го року освоєний технологічний крок 45нм при напрузі живленні ядра 1.2-1.4В. Зменшення технологічного кроку відбувається за законом Мура. Розробляються технології 22нм. Технологічною межею є зниження технологічного кроку до 6нм (розмір атома кремнію 3нм).
Додатковою проблемою тепловиділення є струм витоку. Його зниження дає технологія SOI (кремній на ізоляторі), яка використовується в CPU AMD. Intel використовує технологію High-K (діелектрик High-K на основі гафнію з високим коефіцієнтом діелектричної проникності), крім того, замість шару кремнію в затворі над діелектриком тепер використовується метал. При цьому струми витоку знизилися в 10 разів.
Перехід на більше тонкий технологічний процес також знижує тепловиділення та підвищує швидкодію через зменшення ємності затвора. Так, перехід з 65нм на 45нм зменшив тепловиділення на 30%.
Для відводу тепла в ПЭВМ використовується пасивне та примусове охолодження. Примусове охолодження буває:
1) Повітряне (використовуються всілякі радіатори (матеріал, площа, форма ребра) та вентилятори (форма лопати, напрямок потоку й шум)).
2) Рідинне.
3) Криогенне (фреон, сухий лід, рідкий азот).
4) Напівпровідникове (елементи Пельтьє). КПД в елемента Пельтьє нижче 10%. Основне завдання таких елементів - одержання температур нижче температури навколишнього середовища.
3. Зниження вартості. Цей процес відбувається за законом Мура внаслідок масового споживання та законів конкуренції. Так, в 1997р. процесор Pentium 166 MMX коштував близько 100 доларів. В 2006р. по цій вартості продавався двохядерний процесор Pentium D805, що в 30 разів швидше. Правда, енергоспоживання при цьому також виросло майже на порядок.