Сколько транзисторов в процессоре

Проблемы метрики «количество транзисторов на чипе»

В техноиндустрии количество транзисторов и плотность транзисторов часто используют для демонстрации технического достижения и некой вехи в развитии. После выхода нового процессора или системы на чипе многие производители начинают хвастать сложностью своей схемы, измеряя количество транзисторов в ней. Недавний пример: когда компания Apple выпустила iPhone 11 с A13 Bionic внутри, она похвалялась тем, что процессор содержит 8,5 млрд транзисторов. В 2006 Intel сходным образом хвасталась Montecito, первым процессором с миллиардом транзисторов.

По большей части это постоянно увеличивающееся количество транзисторов является следствием закона Мура и мотивацией к дальнейшей миниатюризации. Индустрия переходит на новые техпроцессы, и количество транзисторов на единицу площади продолжает расти. Поэтому количество транзисторов часто считается показателем здоровья закона Мура, хотя это на самом деле и не совсем корректно. Закон Мура в оригинальном виде – это наблюдение, согласно которому количество транзисторов экономически оптимального дизайна (т.е. с минимальной стоимостью одного транзистора) удваивается каждые два года. С точки зрения потребителя, закон Мура – это на самом деле обещание того, что завтрашние процессоры будут лучше и ценнее сегодняшних.

В реальности плотность транзисторов значительно колеблется в зависимости от типа чипа, и особенно от способа компоновки самого чипа. Что ещё хуже, не существует стандартного способа подсчёта транзисторов, из-за чего для одной и той же схемы эти цифры могут отличаться на 33-37%. В итоге количество транзисторов и плотность транзисторов – это лишь приблизительные метрики, и если замкнуться только на них, можно потерять из виду общую картину.

На компоновку продукта влияет его предназначение

Плотность транзисторов тесно связана с предназначением и стилем разработки продукта. Будет, по меньшей мере, некорректно сравнивать такие сильно отличающиеся друг от друга компоновки, как ASIC с фиксированным быстродействием (к примеру, Broadcom Tomahawk 4 25.6Tb/s или Cisco Silicon One 10.8Tb/s) и высокоскоростной процессор для дата-центров (к примеру, Intel Cascade Lake или Google TPU3).

От ASIC требуется поддержка определенной пропускной способности, а увеличение частоты не приносит ему пользы. К примеру, чип Cisco Silicon One предназначен для высокоскоростных сетей, использующих 400Gbps Ethernet, и от увеличения частоты на 10% он ничего не выиграет. 400Gbps – это стандарт IEEE, а следующая ступень скоростей – уже 800Gbps. В итоге большинство команд разработки ASIC оптимизируют чипы по минимуму стоимости, автоматизации инструментов разработки, уменьшению количества специальных схем и плотности транзисторов.

И наоборот, чем быстрее серверный чип, тем больше он стоит, и поэтому он всегда будет получать преимущество от увеличения частоты. К примеру, Xeon 8268 и 8260 – 24-ядерные процессоры, и отличаются в основном базовой частотой (2,9 ГГц и 2,4 ГГц), в результате чего их стоимость отличается на $1600. Поэтому команда разработки серверов будет стремиться к оптимизации по частоте. Высокоскоростные процессоры обычно используют больше специальных схем и более крупные транзисторы. В современных схемах на базе FinFET это даёт увеличение количества транзисторов с 2, 3 плавниками, и даже больше. И наоборот, низкоскоростная логика, типа параллельных GPU или ASIC чаще использует более плотную компоновку транзисторов всего с одним плавником, принося в жертву тактовую частоту для увеличения плотности. Транзисторы с низкой утечкой также обычно имеют больший размер.

Плотность и количество транзисторов определяются балансом разработки

Ещё больше влияет на количество транзисторов и плотность транзисторов реальная компоновка чипа. Каждый современный чип состоит из какой-то комбинации логики для вычислений, памяти (обычно SRAM) для хранения и I/O для передачи данных. Однако по плотности три этих компонента значительно разнятся – см. таблицу 1. У Poulson и Tukwila одна платформа, одинаковые цели, связанные с высокой скоростью работы, и высочайший уровень надёжности.

Таблица 1: количество транзисторов и плотность транзисторов основных участков поколений Poulson и Tukwila процессора Itanium

Процессоры состоят из четырёх основных участков: ядра CPU, кэш L3, системный интерфейс и I/O. Судя по раскрытой производителем информации, у Poulson на кристалле есть ещё 18 мм 2 для других функций. Участок ядер CPU содержит ядра и оптимизированные по быстродействию кэши L1 и L2, и основное место там занимает высокоскоростная логика для операций свыше 1,7 ГГц для Tukwila и 2,5 ГГц для Poulson. Крупные кэши L3 (24 Мб для Tukwila и 32 Мб для Poulson) разработаны для максимальной ёмкости и используют самые плотные ячейки 6T SRAM из возможных. В системном регионе находится большой ассортимент функций – матричный переключатель для передачи данных I/O и памяти по кристаллу, QPI и контроллеры памяти, протокол когерентности с использованием справочника и кэши справочника, модули управления питанием. Системный участок обычно не такой плотный, поскольку логика там работает на фиксированной частоте, и во многих из более крупных компонентов высокоскоростные шины, пересекающие кристалл, занимают больше места, чем транзисторы. И, наконец, регион I/O содержит физические интерфейсы для внешних коммуникаций, реализованных через высокоскоростные последовательные связи (QPI links). Связи по-разному передают сигналы, и в сумме у них набирается порядка 600 контактов.

В количественном плане два этих процессора иллюстрируют критически важные тренды, которых придерживаются практически все крупные разработчики чипов. Во-первых, в различных частях чипа плотность транзисторов может отличаться в разы – более, чем в 20 раз, что во много раз больше, чем упоминаемое в законе Мура удвоение плотности, связанное с улучшением процессоров на одно поколение. Естественно, самым плотным участком является регион кэша, состоящий из сверхплотной SRAM – он и содержит большинство транзисторов. Кэш примерно в 3-5 раз плотнее, чем вычислительная логика в ядрах, что опять-таки больше, чем удвоение. Наименее плотная часть – это I/O, поскольку там содержатся деликатные аналоговые схемы типа PLL и DLL, цифровые фильтры, и крупные I/O транзисторы высокого напряжения, которые используются для отправки данных с чипа и получения им данных. Кроме того, многие участки I/O должны занимать достаточно места по краям чипа, чтобы их можно было соединить со всеми контактами, и занимаемая ими площадь определяется количеством контактов, а не плотностью схем.

Данные выше демонстрируют, что плотность транзисторов современных чипов является в основном функцией их предназначения и компоновкой самого чипа. Для экстремального примера представьте себе 32 нм схему, основанную на Poulson, но не имеющую кэша L3 – плотность транзисторов такого чипа равнялась бы примерно 2,57 млн/мм 2 , или менее половины реальной плотности Poulson. И в другую сторону – гипотетический вариант Poulson, содержащий только вычислительную логику и кэш, без системы I/O, имел бы плотность транзисторов порядка 9 млн/мм 2 .

Таблица 2: количество транзисторов и плотность транзисторов для некоторых чипов на 7 нм и 12 нм, по сообщению производителей

В таблице 2 содержатся подробности о нескольких чипах, произведённых по техпроцессам 7 нм и 12 нм от TSMC, подчёркивающие влияние компоновки чипа на плотность транзисторов. Radeon VII и RX 5700 от AMD похожи по компоновке, используют один техпроцесс, и их плотность транзисторов почти одинаковая. Плотность транзисторов у AMD Renoir и Nvidia A100 в 1,5 раза больше – возможно, поскольку это было целью разработчиков, или, возможно, благодаря более современным инструментам разработки. Ещё одно полезное сравнение — Nvidia V100 GPU и NVSwitch, 18-портовый коммутатор от NVLink. Техпроцесс у них один, однако последний в основном ориентирован на I/O, и в результате плотность транзисторов у V100 в 1,37 раза больше, чем у NVSwitch.

Наконец, SoC от двух смартфонов в 1,35 – 2,29 раз плотнее, чем остальные процессоры на 7 нм. Эта впечатляющая плотность достигнута благодаря разным целям оптимизации. SoC смартфонов делают так, чтобы они были подешевле, а их плотность была повыше. Процессоры AMD стремятся к высокой производительности. Кроме того, компании Apple и HiSilicon крупнее и богаче, они могут позволить себе большие команды разработчиков и большие траты на оптимизацию. Однако возможно также, что количество транзисторов и плотность транзисторов у мобильных SoC отличаются потому, что для них транзисторы считают по-другому. Последний столбец таблицы 2 показывает, как именно производитель подсчитывает количество транзисторов – мы подробнее обсудим это чуть позже.

Не все транзисторы созданы равными

Ещё одна проблема использования подсчёта количество транзисторов или плотность транзисторов в качестве метрики состоит в том, что эти цифры неоднозначны и могут ввести в заблуждение. Обычно мы представляем себе транзисторы в виде физической реализации логических блоков и схем. При вычислениях этим можно обозначить всё что угодно – от ядра процессора или модуля работы с плавающей запятой до инвертера. Для хранения это может быть кэш, регистровый файл, ассоциативное запоминающее устройство (content-addressable-memory, CAM) или битовая ячейка SRAM. Для аналоговых компонентов или I/O это может быть PLL, или передатчик/приёмник, расположенные вне чипа. Транзисторы, физические реализующие эти блоки, называют активными транзисторами (в отличие от схематических транзисторов). Однако в реальности не все транзисторы созданы равными, и современные процессоры производятся со множеством неактивных транзисторов. Транзисторы, формирующиеся в процессе изготовления называют макетными. Макетные транзисторы – это описанные выше активные транзисторы, но также среди них есть и фиктивные транзисторы, а также транзисторы, используемые в качестве развязывающих конденсаторов.

Фиктивные транзисторы вставляют в схему для повышения эффективности производственного процесса. К примеру, определённые шаги отжига и травления в процессе производства лучше работают на относительно однородной поверхности, и если вставить дополнительные транзисторы в пустые места, это увеличит однородность. Для многих аналоговых схем такие транзисторы нужны для достижения желаемой эффективности. Ещё пример – эффективность современных FinFET зависит от нагрузки на транзисторы, являющейся функцией транзисторов, находящихся поблизости. Для достижения нужной эффективности иногда приходится разместить несколько транзисторов поблизости, чтобы получить нужную нагрузку.

Хотя фиктивные транзисторы повсеместно применяются, их используют не так уж много. А вот развязывающие конденсаторы на основе MOSFET используются повсеместно. В целом логика современного чипа никогда не достигает 100% пространственной эффективности. При всех чудесах современных средств разработки всё равно останутся пустые места между отдельными логическими ячейками (к примеру, между вентилями NAND), между функциональными модулями (кэш L1D), и даже между целыми блоками (например, ядрами CPU). Пустое пространство возникает вследствие того, что инструменты разработки пытаются удовлетворить правилам, гарантирующим эффективное производство и частоту, использовать доступные ресурсы (например, маршрутные слои) и собрать электромеханическую головоломку из логических клеток, функциональных модулей и блоков. Пустое пространство может занять до 10-25% чипа. Для увеличения выхода годных изделий кристаллы должны быть относительно однородными, и пустое пространство не может оставаться реально пустым. Многие схемы заполняют эти места развязывающими конденсаторами, чтобы улучшить обеспечение питанием. Кроме того, в некоторых схемах развязывающие конденсаторы располагают внутри стандартных библиотек ячеек. Транзисторы в роли развязывающих конденсаторов – основной источник неактивных макетных транзисторов, однако точные данные по их количеству сложно найти.

Наши друзья из TechInsights провели технический анализ процессора на уровне схемы, в который входил и подсчёт макетных транзисторов на небольшом участке кристалла. Они поделились своими открытиями для небольшого списка SoC на 7 нм. Данные основаны на небольшом количестве избранных мест с каждого из SoC, обычно с GPU, где плотность транзисторов должна быть наибольшей. Они обнаружили, что в изученных ими местах порядка 70-80% транзисторов были активными, а оставшиеся 20-30% — развязывающими конденсаторами или фиктивными. Однако эти цифры основаны на небольшом количестве выборок, поскольку подобный анализ требует большого количества денег и времени. Чтобы подтвердить эти цифры и развить тему, мы собрали данные по нескольким современным схемам, и обнаружили, что обычно процент активных транзисторов составляет 63-66 от общего количества, а 33-37% транзисторов – развязывающие конденсаторы. Числа у TechInsights получились ниже, вероятно, потому, что они изучали наиболее плотные логические участки SoC, и не учитывали пустое пространство, где могло оказаться больше развязывающих конденсаторов.

Таблица 2: количество транзисторов и плотность транзисторов для некоторых чипов на 7 нм и 12 нм, по сообщению производителей

Из этих данных совершенно ясно следует, что между количеством активных и макетных транзисторов в чипе часто есть большая разница. К сожалению, многие компании обычно не указывают, число каких транзисторов они учитывают. Данные по процессорам от AMD и Nvidia из Таблицы 2 взяты из технических документаций. На основе неформального обсуждения этого вопроса с двумя этими производителями, мы привели число активных транзисторов в последнем столбце. Судя по всему, число транзисторов, указанное для HiSilicon Kirin 990 5G, может означать макетные транзисторы, что может объяснить несоответствие между этими схемами. Непонятно, реализован ли чип Apple A13 с использованием 8,5 млд активных или макетных транзисторов. В первом случае их достижение по плотности было бы впечатляющим.

Кажется неразумным учитывать эти фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы наравне с активными транзисторами. Активные транзисторы реализуют функции и особенности, ценимые пользователями – будь то ядра CPU, выборочное отключение питания для улучшения энергопотребления в режиме простоя, ускорители нейросетей или кэш. Однако фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы – это просто лишние компоненты, не добавляющие прямой ценности, а в некоторых случаях даже проигрывающие более сложным технологиям. К примеру, траншейные конденсаторы от IBM гораздо эффективнее развязывающих конденсаторов, и позволяют создавать плотные чипы eDRAM, уменьшая стоимость системы. Intel FIVR увеличивает эффективность платформы и полагается на MIM-конденсаторы, практически устраняя необходимость в развязывающих конденсаторах, а также, вероятно, уменьшает количество развязывающих конденсаторов, необходимых на кристалле. В обоих случаях уменьшение количества развязывающих конденсаторов приносит пользу. Суть закона Мура состоит в том, чтобы создавать ценность для потребителей, продуктивно используя дополнительные активные транзисторы, а фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы этой ценности не добавляют.

Дело не в том, сколько там транзисторов, а в том, как вы их используете

Подводя итоги, Становится видно, что количество транзисторов и плотность транзисторов – метрики весьма проблемные. На них сильно влияет общая компоновка чипа и объёмы критически важных блоков – вычислительной логики, SRAM, I/O. SRAM наиболее плотная из всех трёх, поэтому небольшое изменение размера кэша сильно изменит количество транзисторов, при этом практически не повлияв на быстродействие и ценность. Более того, не все макетные транзисторы созданы равными. Активные транзисторы – это фундаментальные строительные блоки таких ценных компонентов, как CPU и GPU. С другой стороны, фиктивные транзисторы и развязывающие конденсаторы больше похожи на лишний груз. Надеюсь, что большинство компаний не будут объединять активные и макетные транзисторы, но важно отличать два этих типа при сравнении схем.

Несмотря на все проблемы с количеством транзисторов, эта метрика потенциально полезна в очень редких случаях. Почти всегда процессор с 100 млрд транзисторов будет сложнее и ценнее процессора с 100 млн транзисторов. Вероятно, анализ всё ещё остаётся верным для двукратной разницы в количестве транзисторов – особенно для чипов, обрабатывающих задачи параллельно, типа GPU, или для двух очень похожих процессоров (к примеру, двух SoC для смартфонов или двух серверных процессоров). Но сложно поверить, что небольшое различие в количестве транзисторов обязательно приведёт к наличию разницы в ценности. На самом деле отличным примером могут служить Radeon VII и RX 5700 от AMD. У Radeon VII на 28% больше транзисторов, однако быстродействие у него почти такое же, в частности из-за того, что в линейке RX 5700 используется более современная архитектура. Кроме того, RX 5700 оказывается гораздо дешевле, поскольку использует GDDR6 вместо HBM2. Реальная ценность для потребителей заключается не в количестве транзисторов, а в том, как они используются. Небольшие различия в количестве транзисторов не имеют значения по сравнению с хорошей архитектурой, выбором функций и другими факторами.

Многие из этих критических утверждений верны и для плотности транзисторов, и для техпроцессов. Если небольшое увеличение в количестве транзисторов не обязательно влияет на пользовательскую ценность, то вряд ли на это повлияет соответствующее небольшое увеличение в плотности. С другой стороны, такие факторы, как эффективность транзисторов, динамическое питание, энергопотребление в простое, инструменты разработки, доступность подложек и передовые свойства могут придать большую ценность. Плотность – всего лишь один из множества аспектов процесса, и если зацикливаться на нём, то можно за деревьями не заметить леса.

Как устроен процессор? Разбираемся вместе

В закладки

Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние "0" или "1".

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – "0".
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

• 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
• 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
• 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
• 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
• 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
• 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
• 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
• 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
• 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
• 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

• кэш-памяти;
• конвейера;
• встроенного сопроцессора;
• множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

7. Конец транзисторных соревнований близко

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

8. Что ждет «обычные» процессоры

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

9. Будущее за ARM

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

• сложность команд и откровенная их запутанность;
• высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

• мобильность;
• автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

10. Почему ARM – неоспоримый лидер

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

11. Вместо вывода

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

В закладки

8 ошеломительных цифр из жизни транзисторов и микропроцессоров

Редакция gg вместе со всем прогрессивным миром не устает в нынешнем году праздновать 50-летие закона Мура, который, напомним, гласит: «Количество элементов в микросхемах удваивается каждые два года» (кстати, у нас было несколько роскошных статей на эту тему, которые вы можете найти на сайте в теме « 50 лет закону Мура » ). Не устают его праздновать и компании, причастные к личности Гордона Мура. Например, Intel не так давно подвела итог многолетнего претворения в жизнь теории из Закона. Ошеломительные цифры были озвучены, скажу я вам. Ни за что не догадаетесь, насколько круче ваш отсталый смартфон по сравнению с суперпродвинутым компьютером, который сделал возможным первый полет человека на Луну, как часто компаниям приходится полностью модернизировать производство, чтобы ваш ноутбук мог работать дольше, и насколько мы чертовски близки к моменту, когда компьютеры станут умнее нас. Впрочем, зачем гадать, мы все уже написали!

1. По сравнению с первым процессором Intel 4004, выпущенным в 1971 году, современный процессор имеет в 5,6 млн раз больше транзисторов (1,3 трлн) и в 3500 раз более высокую производительность. Энергоэффетивность увеличилась в 90 000 раз. Размеры современных транзисторов измеряются количеством атомов, и один транзистор невозможно увидеть невооруженным глазом.

2. Чтобы наладить производство процессоров по новому техпроцессу каждые два года Intel сталкивается с необходимостью строить новый завод. От старого остается востребованным только здание с подведенными коммуникациями – все оборудование надо обновлять. Это не только дорого само по себе, но требует и того, чтобы выручка от продаж каждого нового поколения устройств с новой технологией покрывала расходы на строительство еще более нового завода.

3. Этот пункт вытекает из предыдущего. С каждым новым поколением процессоров количество их производителей уменьшается, это связано со значительным удорожанием технологий. Более того, компании вынуждены объединяться в разработке во имя прогресса, чтобы хоть как-то уменьшить расходы. На слайде ниже видно, сколько заводов сошло с рельсов с развитием прогресса.

4. Тактовая частота процессоров, которыми оснащается типичный современный автомобильный навигатор, составляет 500 МГц. Для сравнения у космического корабля «Аполлон» в 1966 году был процессор с тактовой частотой 2 МГц. Я просто не верю, что эта штуковина смогла покорить Луну!

5. Современный смартфон, который лежит у вас в кармане, превосходит по мощности компьютер, который установлен в марсоходе Curiosity, запуск которого состоялся 6 апреля 2012 года. Хотя по факту их разделяет приблизительно два поколения техники.

6. 20 лет назад суперкомпьютер Cray-2 обладал такой же мощностью, что и современный смартфон за 300 долларов. А стоил 17 млн долларов.

7. Количество произведенных за 2014 год транзисторов в секунду в 25 раз превосходит количество звезд в нашей галактике и составляет 8 трлн штук.

8. Гордон Мур пророчил, что его закон перестанет действовать в 2015 году. Но похоже на то, что это предсказание не сбылось. Если закон Мура не перестанет действовать до 2025 года, то компьютер будущего по количеству вычислений в секунду обгонит человеческий мозг.

8,34 млрд. транзисторов: снимки кристалла Rome IOD

Современные процессоры Ryzen Threadripper и EPYC опираются на дизайн чиплетов, при этом AMD весьма успешно доработала микроархитектуру, в результате она вновь стала реальным конкурентом Intel. Мы уже несколько раз подробно описывали данный дизайн. В том числе предоставляли снимки кристаллов CCD и IOD новых процессоров Ryzen. Сложность чипов хорошо видна на снимках, миллиарды транзисторов располагаются на площади несколько сотен квадратных миллиметров.

Наш форумчанин OC_Burner уже много раз публиковал подобные снимки, теперь ему достался инженерный образец процессора EPYC, который был помещен под микроскоп. Сначала были получены снимки в ближней инфракрасной области, поскольку кристаллы довольно хорошо видны при данной длине волны. Ранее мы уже знакомили читателей со снимками CCD и IOD новых процессоров Ryzen. Теперь настало время IOD процессора EPYC. Знакомьтесь:

Чипы с ядрами CPU и кэшем под названием CCD не изменились. CCD Matisse (Ryzen) и Rome (EPYC) имеют площадь кристалла 74 мм² и содержат 3,9 млрд. транзисторов. Но вот кристаллы IOD отличаются. На IOD процессора Ryzen содержится 2,09 млрд. транзисторов на площади 125 мм². Кристаллы IOD процессора EYPC и скоро Ryzen Threadripper составляют по площади 416 мм² и содержат 8,34 млрд. транзисторов — в несколько раз больше.

Сравнение техпроцесса, площади и числа транзисторов

Размер кристалла	Транзисторы
Zen (Zeppelin)	212 мм²	4,8 млрд.
Zen+ (Zeppelin)	212 мм²	4,8 млрд.
CCD (Matisse & Rome)	74 мм²	3,9 млрд.
IOD (Matisse)	125 мм²	2,09 млрд.
IOD (Rome)	416 мм²	8,34 млрд.
Matisse insgesamt: 2x CCD + IOD	199 мм²	5,99 млрд.
Rome insgesamt: 8x CCD + IOD	1.008 мм²	39,54 млрд.

Но перейдем к дополнительным деталям, в которых весьма интересно разобраться:

Пользователь Twitter @Locuza детально расписал структуру IOD, которая похожа на состав IOD процессоров Ryzen. На иллюстрации выше показан IOD клиентских процессоров Zen 2, который наложен на снимок IOD современных EPYC. И бирюзовая структура копируется несколько раз — она показана темно-синим.

Центральная область IOD состоит из SRAM, по большей части, и не все структуры можно распознать. Но на периферии все проще. Здесь можно видеть восемь каналов памяти DDR4, окрашенные фиолетовым. Желтым выделены контроллеры PCI Express 4.0, обеспечивающие 128 + 4 линии PCI Express. Бирюзовые области соответствуют GMI (Global Memory Interconnect). Каждый из данных компонентов связывается с одним CCD процессора EPYC. У процессоров Zen AMD называет данный интерконнект Infinity Fabric (IF).

С 8,34 млрд. транзисторов IOD процессоров EPYC имеет примерно столько же транзисторов, сколько кристалл XCC современных CPU Intel — например, Intel Xeon 8280 на основе Cascade Lake-SP. Кроме того, в корпусировке присутствует восемь CCD с вычислительными ядрами. Дизайн чиплетов позволил AMD создавать столь сложные структуры, масштабируя чипы от простых настольных CPU до мощных серверных.