Современные тенденции в области микропроцессорной техники

Развитие микропроцессорной техники достигло такого уровня, что в течение 5-6 лет происходит смена до трех поколений микропроцессоров. По прогнозам специалистов в области микропроцессорной техники и технологии производства микропроцессоров в 2016 году число транзисторов в микропроцессоре превысит 109 штук, тактовая частота перевалит за 10 ГГц, а производительность достигнет 100 миллиардов операций за секунду.

В архитектуре современных микропроцессоров разных разработчиков- производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимуществ которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В наше время, когда современные технологии подходят к 10-нм процессам (http://www.ixbt.com/cpu/microelectronics-3.shtml), большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью. Анализ конкретных семейств микропроцессоров разных производителей подтверждает общие, уже обозначенные на форумах специалистов и аналитиков, тенденции их развития:

  • - повышение тактовой частоты;
  • - увеличение объема и пропускной способности каналов ОЗУ;
  • - увеличение количества параллельно функционирующих устройств микропроцессора и микропроцессорной системы в целом.
  • 1.4.1 Оценка перспектив по повышению тактовой частоты

Главным препятствием на пути повышения тактовой частоты служат внутрисхемные соединения чипа. Для преодоления этого препятствия необходима разработка новых подходов для уменьшения их сопротивления и емкости, что, отчасти, решается за счет уменьшения размеров деталей.

Но уменьшение размера деталей схем, таких, как транзисторы, вызывает сложности. Оказывается, что при минимальном размере деталей интегральных схем 100-200 нм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. При этом начинают проявляться эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится квантовой системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах. Оказывается, что проектная норма 50-100 нм - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем. Сейчас не только теоретические, но экспериментальные работы в области нанотехнологий ведутся в направлении молекулярной электроники. Она по содержанию близка к традиционной полупроводниковой электронике. Методами молекулярной электроники из углеводородных соединений удается получить аналоги диодов и транзисторов, а следовательно, и основные логические модули И, ИЛИ и НЕ, из которых затем можно строить схемы любой сложности. Подобный подход позволяет сохранить преемственность архитектурных решений, попутно при этом позволяя увеличивать быстродействие.

1.4.2 Увеличение пропускной способности канала ОЗУ памяти

Увеличение пропускной способности канала ОЗУ, снабжающей функциональные устройства процессора работой, включает создание кэш-памятей одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью и конфликтующим с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью. Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности локальной шины путем увеличения частоты работы шины и увеличения ее ширины, так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором, кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти.

Наиболее перспективным на данный момент является решение, которое состоит в размещении на кристалле МП отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд и созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня, где внутренняя кэш-память работает на тактовой частоте микропроцессора, а внекри- стальный кэш второго уровня работает на тактовой частоте системной шины.

1.4.3 Повышение степени внутреннего параллелизма микропроцессора

Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении

увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их ха-

40

рактеристик. В настоящее время микропроцессоры, как уже отмечалось, могут выполнять до 20 операций за такт. Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используется переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации. Устоявшихся решений в этой области практически нет, так как каждый микропроцессор демонстрирует изобретательность его создателей по симбиозу аппаратных средств и компилятора для статического и динамического устранения зависимостей между командами.

Обращается на себя внимание использование архитектур МП с длинным командным словом. Архитектура подобных МП использует объединение нескольких инструкций в одной «широкой» команде (так называемая архитектура Ecplicity Parallel Instruction Computing - EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд.

Вопросы для самопроверки к первому разделу

  • 1.5.1 Перечислите основные типы команд микропроцессоров и дайте им краткую характеристику.
  • 1.5.2 Что такое машинный код и ассемблер и как они взаимосвязаны?
  • 1.5.3 Назовите и охарактеризуйте основные компоненты микропроцессорной

ЭВМ.

  • 1.5.4 Дайте краткую характеристику системным магистралям (шинам).
  • 1.5.5 Что такое однокристальный микропроцессор и ОЭВМ?
  • 1.5.6 Как формируется адрес ячейки памяти в микропроцессорной системе?
  • 1.5.7 Что такое суперскалярность?
  • 1.5.8 Каковы функции кэш-памяти?
  • 1.5.9 Каковы основные направления развития современных микропроцессоров?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >