Процессор

Процессор – основной компонент любой существующей в настоящее время вычислительной системы - компьютера, ноутбука, планшета, мобильного телефона или любого другого устройства. Визуально он представляет собой микросхему (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Процессор: фотография.

Эволюция технологий изготовления процессора

Первой элементной базой процессора служили электромеханические реле

Рисунок 2. Эволюция элементной базы процессора: а) электромеханические реле. б) лампы, в) транзистор

На смену реле, которые при работе производили большой шум и не отличались высоким быстродействием пришли лампы. Большим минусом лаповых устройст была невысокая степень надежности: лампы регулярно выходили из строя, нарушая работу всей системы.

Первый в мире коммерчески доступный однокристальный микропроцессор Intel 4004, выполненный на транзисторной базе (смотри рисунок) имел следующие характеристики

Рисунок 3. Микропроцессор Intel 4004. В масштабе на фоне монеты.

• Год выпуска 1971 год

• стоимость 200 долларов

• на одном кристалле все функции процессора большой ЭВМ

• 60 000 (в среднем, максимально до 93 000) инструкций в секунду

• Количество транзисторов: 2250

Получить представление о интенсивности развития технологий изготовления процессоров возможно, рассмотрев характеристики некоторых современных процессоров

	Intel Core i3 2010 - 2011 год 995 000 000 транзисторов ~145 000 000 000 операций с плавающей точкой в секунду 2013 год: Ivy Bridge 1,4 млрд. транзисторов на площади кристалла 160 мм².
	Processor Number i7-5960X Intel® Smart Cache 20 MB Instruction Set 64-bit Lithography 22 nm # of Cores 8 Processor Base Frequency 3 GHz Max Turbo Frequency 3.5 GHz TDP 140 W (Thermal Design Power) Max Memory Size (dependent on memory type) 64 GB Memory Types DDR4-1333/1600/2133 Max # of Memory Channels 4 Max Memory Bandwidth 68 GB/s Processor Graphics ‡ None 2,2 млрд транзисторов ~ 1000 долларов

Закон Мура

Приведенные выше цифры были предсказаны законом Мура, который гласит, что каждые два года число транзисторов на кристалле будет удваиваться.

Рисунок 4. Диаграмма, отражающая количество транзисторов в процессоре по годам

Транзисторы.

Чтобы понять особенности реализации логики вычислительных систем, рассмотрим, что такое транзистор и для чего он нужен.

Исторически, пройдя релейный и ламповый этапы, база для развития современных цифровых технологий была заложена созданием полупроводниковых транзисторов. «Число транзисторов на кристалле» является одной из основных характеристик процессоров и больших интегральных схем, определяющих производительность и архитектуру вычислительного устройства.

Транзистор – полупроводниковое устройство, которое в настоящее время является основным «строительным компонентом» процессора, котроллеров, памяти и всей логики работы вычислительного устройства. Из соединенных определенным образом транзисторов строятся логические элементы такие, как И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и прочие. Именно этими логическими элементами и реализуется работа процессора, контроллеров памяти и прочих компонент и называется «архитектурой интегральной микросхемы».

Появление транзисторов, ставших основным строительным компонентом современной вычислительной техники, заменив реле и лампы, датируется декабрем 1947 года.