Анализ потока данных
Функция анализа потока команд используется для исследования потока данных, проходящих через процессор, и выявления любых возможностей выполнения команды с изменением заданной ранее последовательности. Специальный процессорный модуль отправки/выполнения контролирует команды и позволяет выполнять их в таком порядке, который оптимизирует использование модулей множественного суперскалярного выполнения. Возможность изменять последовательность выполнения команд позволяет сохранить занятость модулей выполнения даже в случае промаха кэш-памяти или обработки каких-либо информационно-зависимых команд.
Упреждающее выполнение
Способность процессора выполнять команды с помощью опережающего просмотра существующего счетчика команд называется упреждающим выполнением.Модуль отправки/выполнения, включенный в процессор, анализирует поток данных для выполнения всех команд, существующих в буфере (накопителе) команд, и сохранения результатов их выполнения в буферных регистрах. После этого модуль изъятия анализирует содержимое пула команд на предмет наличия завершенных команд, не зависящих от данных, получаемых при выполнении других команд, или команд, имеющих неразрешенные предсказания перехода. Результаты выполнения обнаруженных завершенных команд передаются в память модулем изъятия или соответствующей стандартной архитектурой Intel в том порядке, в котором они были получены. Затем команды удаляются из буфера.
В сущности, динамическое выполнение устраняет зависимость от линейной последовательности команд. Выполнение команд с изменением их последовательности позволяет максимально загрузить модуль выполнения и уменьшить время ожидания, необходимое для получения данных из памяти. Несмотря на то что порядок предсказания и выполнения команд может быть изменен, их результаты передаются в исходном порядке, для того чтобы не прерывать и не изменять течение программы. Это позволяет процессорам P6 выполнять существующее программное обеспечение архитектуры Intel точно так же, как это делали P5 (Pentium) или процессоры более ранних версий, но на целый порядок
быстрее!
Архитектура двойной независимой шины
Эта архитектура (Dual Independent Bus DIB) впервые была реализована в процессоре шестого поколения и предназначалась для увеличения пропускной способности шины процессора и повышения производительности. При наличии двух независимых шин данных для ввода-вывода процессор получает доступ к данным с любой из них одновременно и параллельно, а не последовательно, как в системе с одной шиной. Вторая, или фоновая (backside) входная шина процессора с DIB применяется кэш-памятью второго уровня, поэтому она может работать значительно быстрее, чем в том случае, если бы ей пришлось использовать (совместно с процессором) основную шину.
В архитектуре DIB предусмотрено две шины: шина кэш-памяти второго уровня и шина, соединяющая процессор и основную память, или системная шина. Процессоры Pentium Pro, Celeron, Pentium II/III/4, Athlon è Duron могут использовать обе шины одновременно, благодаря чему снижается критичность такого параметра, как пропускная способность шины. Благодаря архитектуре двойной шины кэш-память второго уровня более современных процессоров может работать на полной скорости в ядре процессора на независимой шине, используя при этом основную шину центрального процессора (FSB) для обработки текущих данных, поступающих на микросхему и отправляемых ею. Шины работают с разной тактовой частотой. Шина FSB, или главная шина центрального процессора, соединена с системной платой, а шина кэш-памяти второго уровня непосредственно с ядром процессора. При увеличении рабочей частоты процессора увеличивается тактовая частота кэш-памяти второго уровня.
Для реализации архитектуры DIB кэш-память второго уровня перемещена с системной платы в один корпус с процессором, что позволило приблизить быстродействие кэш-памяти второго уровня к быстродействию встроенной кэш-памяти, которое значительно превосходит быстродействие памяти, помещаемой на системную плату. Чтобы поместить кэш в корпус процессора, понадобилось модифицировать гнездо процессора.
DIB также позволяет системой шине выполнять одновременно несколько транзакций (а не одну последовательность транзакций), благодаря чему ускоряется поток информации внутри системы и повышается эффективность. Все средства архитектуры DIB повышают пропускную способность почти в три раза по сравнению с процессором, имеющим архитектуру одиночной шины.
Технология HyperThreading
Такие операционные системы, как Windows NT 4.0/200/XP Professional/2003 Server и Linux, в полной мере поддерживают компьютеры с двумя или более установленными физическими процессорами, дающими подобным системам большой прирост производительности по сравнению с однопроцессорными компьютерами. Тем не менее двухпроцессорные компьютеры и системные платы всегда были на порядок дороже их однопроцессорных "сородичей", а добавление второго процессора в поддерживающую подобную модернизацию систему приводило к возникновению различных сложностей, связанных с подбором одинаковой тактовой часттоты и конфигурационных параметров для двух процессоров. Технология HyperThreading (HT) компании Intel позволяет одному процессору одновременно обрабатывать два независимых потока команд. Другими словами, HT превращает один физический процессор в два виртуальных.
Производство процессоров
Основным химическим элементом, используемым при производстве процессоров, является кремний, самый распространенный элемент на земле после кислорода. Это базовый компонент, из которого состоит прибрежный песок (кремниевый диоксид); однако в таком виде он не подходит для производства микросхем
Чтобы использовать кремний в качестве материала для изготовления микросхемы, необходим длительный технологический процесс, который начинается с получения кристаллов чистого кремния по методу Жокральски (Czochralski). По этой технологии сырье, в качестве которого используется в основном кварцевая порода, преобразуется в электродуговых печах в металлургический кремний. Затем для удаления примесей полученный кремний плавится, дистиллируется и кристаллизуется в виде полупроводниковых слитков с очень высокой степенью чистоты (99,999999%). После механической нарезки слитков полученные заготовки загружаются в кварцевые тигли и помещаются в электрические сушильные печи для вытяжки кристаллов, где плавятся при температуре более 2500о по Фаренгейту. Для того чтобы предотвратить образование примесей, сушильные печи обычно устанавливаются на толстом бетонном основании. Бетонное основание, в свою очередь, устанавливается на амортизаторах, что позволяет значительно уменьшить вибрацию, которая может негативно сказаться на формировании кристалла.
Как только заготовка начинает плавиться, в расплавленный кремний помещается небольшой, медленно вращающийся затравочный кристалл (рис. 2). По мере удаления затравочного кристалла от поверхности расплава вслед за ним вытягиваются кремниевые нити, которые, затвердевая, образуют кристаллическую структуру. Изменяя скорость перемещения затравочного кристалла (10-40 мм в час) и температуру (примерно 2500о по Фаренгейту), получаем кристалл кремния малого начального диаметра, который затем наращивается до нужной величины. В зависимости от размеров изготавливаемых микросхем, выращенный кристалл достигает 8-12 дюймов (20-30 мм) в диаметре и 5 футов (около 1,5 м) в длину. Вес выращенного кристалла достигает нескольких сотен фунтов.
Ðèñ. 2. Цилиндрическая кремниевая заготовка создается при большой температуре и высоком давлении
Заготовка вставляется в цилиндр диаметром 200 мм (текущий стандарт), часто с плоской вырезкой на одной стороне для точности позиционирования и обработки. Затем каждая заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек толщиной менее миллиметра (рис. 3). После этого подложка полируется до тех пор, пока ее поверхность не станет зеркально гладкой.
Ðèñ. 3. При изготовлении процессора заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек
В производстве микросхем используется процесс, называемый фотолитографией. Технология этого процесса такова: на полупроводник, служащий основой чипа, один за другим наносятся слои разных материалов; таким образом создаются транзисторы, электронные схемы и проводники (дорожки), по которым распространяются сигналы. В точках пересечения специфических схем можно создать транзистор или переключатель (вентиль).
Фотолитографический процесс начинается с покрытия подложки слоем полупроводника со специальными добавками, затем этот слой покрывается фоторезистивным химическим составом, а после этого изображение микросхемы проектируется на ставшую теперь светочувствительной поверхность.
В результате добавления к кремнию (который, естественно, является диэлектриком) донорных примесей получается полупроводник. Проектор использует специальный фотошаблон (маску), который является, по сути, картой данного конкретного слоя микросхемы. (Микросхема процессора Pentium III содержит пять слоев; другие современные процессоры могут иметь шесть или больше слоев. При разработке нового процессора потребуется спроектировать фотошаблон для каждого слоя микросхемы.)
Проходя через первый фотошаблон, свет фокусируется на поверхности подложки, оставляя отпечаток изображения этого слоя. (Каждое изображение на микросхеме называется кристаллом.) Затем специальное устройство несколько перемещает подложку, а тот же фотошаблон (маска) используется для печати следующей микросхемы. После того как микросхемы будут отпечатаны на всей подложке, едкая щелочь смоет те области, где свет воздействовал на фоторезистивное вещество, оставляя отпечатки фотошаблона (маски) конкретного слоя микросхемы и межслойные соединения (соединения между слоями), а также пути прохождения сигналов. После этого на подложку наносится другой слой полупроводника и вновь немного фоторезистивного вещества поверх него, затем используется следующий фотошаблон (маска) для создания очередного слоя микросхемы. Таким способом слои наносятся один поверх другого до тех пор, пока не будет полностью изготовлена микросхема.
Финальная маска добавляет так называемый слой металлизации, используемый для соединения всех транзисторов и других компонентов. В большинстве микросхем для этого слоя используют алюминий, но в последнее время стали использовать медь. Например, при производстве процессоров компании AMD на фабрике в Дрездене используется медь. Это объясняется лучшей проводимостью меди по сравнению с алюминием. Однако для повсеместного использования меди необходимо решить проблему ее коррозии.
Когда обработка круговой подложки завершится, на ней будет фотоспособом отпечатано максимально возможное количество микросхем. Микросхема обычно имеет форму квадрата или прямоугольника, по краям подложки остаются некоторые "свободные" участки, хотя производители стараются использовать каждый квадратный миллиметр поверхности.
Промышленность переживает очередной переходный период в производстве микросхем. В последнее время наблюдается тенденция к увеличению диаметра подложки и уменьшению общих размеров кристалла, что выражается в уменьшении габаритов отдельных схем и транзисторов и расстояния между ними. В конце 2001 и начале 2002 года произошел переход с 0,18- на 0,13-микронную технологию, вместо алюминиевых межкристальных соединений начали использовать медные, при этом диаметр подложки увеличился с 200 мм (8 дюймов) до 300 мм (12 дюймов). Увеличение диаметра подложки до 300 мм позволяет удвоить количество изготавливаемых микросхем. Использование 0,13-микронной технологии позволяет разместить на кристалле большее количество транзисторов при сохранении его приемлемых размеров и удовлетворительного процента выхода годных изделий. Это означает сохранение тенденции увеличения объемов кэш-памяти, встраиваемой в кристалл процессора. Предполагается, что к 2007 году количество транзисторов, расположенных в каждой микросхеме, достигнет 1 миллиарда.