34. Перспективы развития универсальных микропроцессоров.

Рассмотрение конкретных семейств микропроцессоров раз­ных производителей дает возможность выделить три общих тен­денции развития универсальных микропроцессоров:

1. повышение тактовой частоты;

2. увеличение объема и пропускной способности подсис­тем памяти;

3. увеличение количества параллельно функционирующих исполнительных устройств и распараллеливание вычислений.

Совокупная реализация в одном микропроцессоре рекорд­ных значений по всем этим тенденциям невозможна:

1. из-за фундаментальных физических ограничений;

2. из-за ограничений технологического процесса изготов­ления;

3. из-за экономических ограничений на стоимость одного микропроцессора и микроэлектронного производства в целом.

Поэтому каждый конкретный тип микропроцессора есть результат многих компромиссов, принятых его создателями.

Повышение тактовой частоты

Основной проблемой, возникающей при «простом арифме­тическом» увеличении тактовой частоты, является разогрев кри­сталла за счет сопротивления в проводниках и отвод тепла. Поэтому для повышения тактовой частоты работы современных микропроцессоров ис­пользуют:

а) более совершенный технологический процесс с меньши­ми проектными нормами;

б) увеличение числа слоев металлизации;

в) усовершенствованную схемотехнику меньшей каскадности и более плотную компоновку функциональных блоков кри­сталла.

Все эти приемы ориентированы на снижение сопротивле­ния в проводниках за счет уменьшения уровней питающих на­пряжений, на сокращение длины проводников, что в конечном итоге ведет к уменьшению рассеиваемой на кристалле мощно­сти. Рассмотрим эти методы более конкретно.

а) Технологические проектные нормы при изготовлении кристаллов микропроцессоров неуклонно снижаются, что позво­ляет, в свою очередь, сократить диапазоны питающих напряже­ний и тем самым увеличить тактовую частоту при определенном уровне рассеиваемой мощности.

б) Одним из путей уменьшения длины межсоединений на кристалле является увеличение числа слоев металлизации. В этом случае «вертикальное» расположение по отношению друг к другу функциональных узлов схемы минимизирует пути про­хождения сигналов между ними.

в) Существенную долю длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. По­этому многие производители предпринимают специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимо­действующие элементы микропроцессора. В этом случае наибо­лее активный обмен сигналами осуществляется только на не­большой части кристалла, сокращая общую длину трактов пере­дачи данных

Увеличение пропускной способности подсистем памяти

Спектр возможных решений по увеличению пропускной способности подсистем памяти, снабжающей функциональные устройства процессора работой, включает:

- создание кэш-памятей одного или нескольких уровней;

- увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью, а также между процессором и ос­новной памятью.

Наиболее часто используемое решение состоит в реализа­ции иерархии кэшей. Как правило, на кристалле располагаются раздельные кэш-памяти первого уровня для данных и команд с емкостью в 16 Кб или 32 Кб каждая. Мощные процессоры имеют на кристалле и объединенную кэш-память команд и дан­ных второго уровня, емкость которой может составлять от не­скольких сотен килобайт до нескольких мегабайт. Кроме этого, как правило, в схему микропроцессора включается интерфейс, позволяющий подключать кэш-память третьего (или второго) уровня.

Скорость передачи данных определяется количеством пе­редаваемой информации в байтах за единицу времени, поэтому совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин (путем повышения частоты рабо­ты шины и/или ее ширины), так и введением дополнительных шин, «расшивающих» конфликты между процессором, кэш­памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти.

Повышение степени внутреннего параллелизма и распараллеливание вычислений

Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в сле­дующем поколении увеличение числа функциональных испол­нительных устройств и улучшение их характеристик, как вре­менных

В настоящее время процессоры могут выполнять до 6-10 операций за такт, при этом длина конвейера может состав­лять от 6 до 17 (микропроцессоры с архитектурой AMD64) этапов.

Для того чтобы загрузить функциональные исполнитель­ные устройства в суперскалярной архитектуре, используется:

- переименование регистров;

- предсказание переходов;

-устранение зависимости между командами по данным и управлению.

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.

В микропроцессорах с явно параллельным выполнением команд количество одновременно функционирующих конвейе­ров от модели к модели растет, что можно объяснить постоянно растущими технологическими возможностями.