Техническое обеспечение компьютера

     Значительные  вычислительные ресурсы многоядерных процессоров предоставят разработчикам игр большую степень свободы для создания полноценной графики, для реализации физики процессов, а также функций искусственного интеллекта.

     По  прогнозам, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с [10, 263 с.].

3.1.1 Развитие процессоров

     ЭВМ представляет собой систему процессоров. Каждый процессор состоит из некоторой  совокупности запоминающих устройств, устройств управления и операционного  устройства. Эти составные части  процессора связаны между собой  определенным образом. Связь между  процессорами осуществляется за счет наличия общих запоминающих устройств, которые могут служить для передачи информации (в этом случае они называются буферными ЗУ) и для передачи управляющих сигналов (в этом случае они называются контактными ЗУ).

     Одни  процессоры машины называют центральными, другие - периферийными. К периферийным относят процессоры, предназначенные для ввода или вывода информации. Способы контакта и обмена с ними в реальных ЭВМ очень разнообразны. Но общий принцип действия всех процессоров одинаков [10, 259 с.].

     Идея, в соответствии с которой ЭВМ  рассматривается как система  процессоров, и связанное с этой идеей выделение в особую категорию  контактных ЗУ, оказалась очень плодотворной.

     Одной из плодотворных находок явилась  система прерываний - замечательный союз программных и аппаратных (внутримашинных) средств, предназначенных для быстрой реакции машины на чрезвычайные события. Действия этой системы направлены на то, чтобы «зафиксировать» ситуацию, имеющую место в ЭВМ в момент возникновения прерывания. Под прерыванием, таким образом, понимается временное прекращение выполнения текущей программы центральными устройствами ЭВМ с запоминанием точки, в которой прервана данная программа со всей относящейся к ней информацией (адресом команды, на которой произошло прерывание, результатом предыдущей операции и т.д.), и одновременный переход к выполнению другой программы. Программа, прерванная ранее и находящаяся в состоянии «ожидания», может вернуться в состояние «счет» после устранения причины, вызвавшей ее прерывание.

     Современные цифровые машины обладают еще многими  другими устройствами, повышающими  их эффективность и удобство применения. Большой интерес, например, представляют ЭВМ, содержащие в своем составе  несколько центральных процессоров. Такие ЭВМ называются многопроцессорными, что, кстати говоря, не очень удачно, потому что любые ЭВМ являются многопроцессорными.

     За  счет большого числа центральных  процессоров среднее число операций, которые может выполнять ЭВМ  в единицу времени, т.е. быстродействие машины, возрастает. Для многопроцессорной ЭВМ программу решения задач иногда можно составить так, чтобы различные части этой программы выполняли разные центральные процессоры.

     Составление таких программ получило название параллельного  программирования (точнее: программирование с расчетом на параллельное выполнение программ). Поскольку ЭВМ представляет собой систему процессоров, то можно говорить о «коллективе исполнителей» [3, 291 с.].

     Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, направляющих работу компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать и очистить. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.

     Развитие  микропроцессора происходит в процессе повышения тактовой частоты. Для  повышения тактовой частоты при  выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.

     Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их преобладание в микропроцессорах.

     Уменьшение  размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5В до 2,5-3В и ниже, увеличивает  быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25мкм на 0,18мкм и 0,12мкм и стремятся использовать уникальную 0,07мкм технологию

     При минимальном размере деталей  внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. Практически все свойства твердого тела, включая его электропроводность, резко изменяются и «сопротивляются» дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера «съедают» до 90% сигнала по уровню и мощности.[6, 421 с.]

     Уменьшение  длины межсоединений актуально  для повышения тактовой частоты  работы, так как существенную долю длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264 предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы микропроцессора.

     Проблема  уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность, исключив существовавший ранее перегрев кристаллов [3, 212].

     Одним из шагов в направлении уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая медные проводники для  межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM и используемая в настоящее время и другими фирмами-изготовителями СБИС.

     В настоящее время ряд фирм выпускает  процессоры для персональных компьютеров  с тактовой частотой свыше 4 ГГц. [7, 99 с.]

3.1.2 Увеличение объема  и пропускной способности подсистемы памяти

     Возможные решения по увеличению пропускной способности  подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности  интерфейсов между процессором  и кэш-памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью.

     Совершенствование интерфейсов реализуется как  увеличением пропускной способности  шин, 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. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно [14].

     Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется поразному:

     - внешние кэш-памяти данных и  команд с двухтактовым временем  доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем доступа  2 такта в HP PA-8000;

     - отдельный кристалл кэш-памяти  второго уровня, размещенный в одном корпусе в Pentium Pro;

     - размещение отдельных кэш-памяти  команд и кэш-памяти данных  первого уровня объемом по 8 Кбайт  и общей для команд и данных  кэш-памяти второго уровня объемом  96 Кбайт в Alpha 21164.

     Наиболее  используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня. [6, 399 с.]

3.1.3 Увеличение количества  параллельно работающих  исполнительных устройств

     Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).

     В настоящее время процессоры могут  выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено двумя для  R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.

     Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости  между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации.

     Широко  используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц [6, 217 с.].

3.1.4 Системы на одном  кристалле и новые  технологии

     В настоящее время получили широкое  развитие системы, выполненные на одном  кристалле - SOC (System On Chip). Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий. [6, 245 с.]

     Основной  технологический прорыв в области  SOC удалось сделать корпорации IBM, которая смогла реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.

     Использование новой технологии открывает широкую  перспективу для создания более мощных и миниатюрных микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки [8, 256 с.].

     Для создания SOC IBM использует самые современные технологические решения, одним из которых являются медные межсоединения (copper interconnect). По сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%. Обычно эта технология дополняется еще одной новинкой: технологией кремний на изоляторе - КНИ (SOI, Silicon On Insulator). Она уменьшает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовую частоту работы транзисторов также можно увеличить. Возрастание скорости от использования КНИ приближается к 20-30%. Таким образом, общий рост производительности в идеальном случае может достигнуть 50%.

3.2 Современный ПК

     Современный ПК собирается из очень небольшого числа электронных блоков, монтируемых  в корпусе компьютера. В итоге  «портрет» компьютера складывается из «изображений» его составных частей. Как показывает практика, каждый тип комплектующих для ПК эволюционирует неровно «волнами» и зачастую независимо от компонентов других типов. И было бы ошибкой утверждать, что качество комплектующих всех типов для ПК возрастало в последнее время одинаково быстро. Однако практически все подсистемы заметно прогрессировали, и в целом за последний год облик современного ПК претерпел довольно значительные изменения.

     Процессоры  по скорости модернизации, всегда лидировали среди компьютерных компонентов. Благодаря появлению нового ядра Northwood, пришедшего на смену Willamette, за год тактовая частота Intel Pentium 4 возросла в полтора раза - с 2,0 до 3,06 ГГц. Одновременно с этим вдвое увеличилась емкость кэш-буфера L2 - с 256 до 512 Кбайт, тактовая частота системной шины возросла с 400 до 533 МГц. Кроме того, последняя на момент подготовки обзора модель Intel Pentium 4 с частотой 3,06 ГГц уже оснащается встроенными средствами Hyper-Threading. [9, 133 с.]

     Системная память перешла в разряд ОЗУ для ПК начального уровня и активно вытесняется DDR333 SDRAM - последняя успешно применяется в мощных ПК, и на сегодня ПК-индустрия фактически готова к ее массовому использованию.