Закон количества транзисторов в процессорах (закон Мура) в цифрах и графиках
Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.
Посмотрим, как выполняется правило:
| Год | Количество транзисторов в процессоре |
| 1971 | 2 300 |
| 1974 | 5 000 |
| 1978 | 29 000 |
| 1982 | 134 000 |
| 1985 | 275 000 |
| 1989 | 1 180 000 |
| 1993 | 3 100 000 |
| 1997 | 8 800 000 |
| 2001 | 45 000 000 |
| 2005 | 228 000 000 |
| 2009 | 904 000 000 |
| 2013 | 4 200 000 000 |
| 2017 | 19 200 000 000 |
Фактически, данные подчиняются следующей формуле:
- P(n) = P(o) * 2^n
- P(n) = количество транзисторов в текущем периоде
- P(o) = количество транзисторов в начальном периоде,
- n = количество прошедших лет, деленное на 2
- P(2017) = P(1971) * 2^(46/2)
- P(2017) = 2300 * 2^(23)
P(2017) = 19293798400, что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000 транзисторов на кристалл.
Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах
В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.
Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2 16 (65536) с 2 6 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.
В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).
Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.
Стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла $4 млн, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд.
По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».
Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016). Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.
На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.
Вместе с тем на прошедшей в рамках выставки CES 2019 пресс-конференции, глава компании NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) объявил закон Мура более невозможным. Об этом сообщило издание CNET. Дженсен Хуанг заявил, следующее: «Закон Мура более невозможен».
Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.
Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.
Закон масштабирования Деннарда и его исполнение
Закон сформулировал в 1974 году разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) совместно с коллегами из IBM:
«Известно, что уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы повышаем повышать его производительность».
Правило закрепило уменьшение ширины проводника (по сути — миниатюризацию техпроцесса) в качестве главного показателя прогресса в микропроцессорной технике. Однако, закон масштабирования Деннарда стал буксовать еще в 2006 году. Количество транзисторов в чипах продолжает увеличиваться, но этот рост не дает существенного прироста к производительности устройств. Представители TSMC (производитель полупроводников) утверждают, что переход с 7-нм техпроцесса на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора на 15%.
Известно, что основной причиной замедления роста частоты являются утечки токов, которые Деннард и не учитывал в своих разработках. Даже нынешние студенты первых курсов знают, что при уменьшении размеров транзистора и повышении частоты ток начинает сильнее нагревать микросхему, что при достижении критической температуры выведет ее из строя. В итоге производителям приходится балансировать между выделяемой процессором мощностью и производительностью. Как результат — уже с 2006 года частота массовых чипов установилась на отметке в 4–5 ГГц.
Да, сегодня инженеры работают над новыми технологиями, которые позволят в обозримом будущем решить проблему и увеличить производительность микросхем. К примеру, специалисты из Австралии разрабатывают металл-воздушный транзистор, который работает на частоте в несколько сотен гигагерц. Элемент состоит из двух металлических электродов, выполняющих роли стока и истока. Главное в этой схеме — их расположение (расстояние 35 нм). Они обмениваются электронами друг с другом благодаря явлению автоэлектронной эмиссии. Устройство позволит перестать добиваться уменьшения техпроцессов и сконцентрироваться на построении высокопроизводительных 3D-структур с большим числом транзисторов на кристалле.
Закон Куми и его исполнение
Закон сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с сотрудниками Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он сделал следующий вывод исходя из информации об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC (1946):
«Можно утверждать, что объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года». Утверждение, в частности уточняло, что и энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло.
Спустя десятилетие после формулировки этого закона выяснилось, что средняя производительность чипа на киловатт энергии теперь удваивается каждые три года. Ситуация поменялась из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как и было описано выше, с уменьшением размеров транзисторов становится труднее отводить тепло)
Будущее не за горами?
Да, вовсю разрабатываются технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.
Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman) еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз. Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые.
Поделиться:
Оставьте свой комментарий!
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.
- «Питание современных процессоров»
- «По ту сторону закона Мура»
- «Почему компания «Интел» делает ставку в разработке чипов на гений Джима Келлера?»
Сколько транзисторов в процессоре
Транзисторы являются основными компонентами, которые контролируют работу компьютеров, телефонов и всех других современных электронных схем, а также базовыми элементами ЦП. Транзисторы могут быть инкапсулированы независимо или на небольшой площади. Интегрированные схемы могут содержать 100 миллионов или более транзисторов.
Резюме
Транзисторы в электронных компонентах представляют собой полупроводниковые устройства, обычно используемые в усилителях или электронных переключателях управления. Транзисторы являются основными компонентами, которые контролируют работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем. В то же время транзистор является основной ячейкой ЦП. Транзисторы могут быть инкапсулированы независимо или на небольшой площади. Интегрированные схемы могут содержать 100 миллионов или более транзисторов. Процессор состоит в основном из логических вычислительных блоков, блоков управления и блоков хранения. В этой статье будет подробно описано количество транзисторов в ЦП и принцип работы ЦП.
Профиль транзистора I
Транзисторы обычно относятся ко всем отдельным компонентам, основанным на полупроводниковых материалах, включая диоды, триоды, полевые транзисторы, транзисторы и т. Д. Транзисторы иногда относятся к триодам. Транзисторы делятся на две основные категории: биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Транзистор имеет три полюса; Триод биполярного транзистора состоит из эмиттера, базы и коллектора типа N и типа P; Тремя полюсами полевого транзистора являются исходные, сетки и стоки.
Транзисторы являются основными компонентами, которые контролируют работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем. Благодаря своей быстрой реакции и высокой точности транзистор может использоваться для различных цифровых и аналоговых функций, включая усиление, переключатели, регулировку напряжения, модуляцию сигналов и генераторы. Транзисторы могут быть инкапсулированы отдельно или на небольшой площади.
В декабре 1947 года команда исследователей из Шокли, Бардина и Брэттона из Bell Labs в США разработала германиевый транзистор с точечным контактом. Появление транзисторов стало крупным изобретением 20 — го века. После появления транзисторов можно заменить громоздкие энергопотребляющие трубки небольшим, но маломощным электронным устройством. Изобретение транзистора трубило о рождении интегральной схемы. В первом десятилетии 20 — го века полупроводниковые материалы использовались в системах связи. В первой половине 20 — го века популярные радиолюбители использовали руду для обнаружения в качестве полупроводникового материала. Электрические свойства полупроводников также используются в телефонных системах.
Количество транзисторов CPU предыдущего поколения
Закон Мура и плотность микропроцессоров Intel
Закон Мура был предложен одним из основателей Intel Гордоном Муром. При неизменной цене количество компонентов, которые могут быть размещены на ИС, удвоится каждые 18 — 24 месяца, а производительность удвоится. Другими словами, каждые 18 — 24 месяца производительность компьютера, который можно купить за один доллар, более чем удваивается. Этот закон показывает скорость развития информационных технологий. Хотя эта тенденция продолжается уже более полувека, закон Мура следует рассматривать как наблюдение или спекуляцию, а не как физический или естественный закон.
(1) Февраль 1999 года: Intel выпустила процессор Pentium III. Pentium III — это 1 & times; 1 квадратный кремний, 9,5 миллиона транзисторов, с использованием Intel & reg; Технология 0,25 микрон.
(2) В 2000 году Pentium 4 Вилламит, производственный процесс 180 нм, количество транзисторов ЦП 42 миллиона.
Intel Pentium 4
(3) Январь 2002 г.: Выпущен процессор Intel Pentium 4, который обеспечивает 2,2 миллиарда циклов в секунду на высокопроизводительных настольных компьютерах. Он производится с использованием технологии Intel 0,13 микрон и содержит 55 миллионов транзисторов.
(4) 12 марта 2003 года: Платформа быстрой мобильной технологии Intel родилась на ноутбуках, включая Intel; Новейший мобильный процессор Pentium M. Процессор основан на новой мобильной оптимизированной микроархитектуре с использованием Intel & reg; 0.13 Технология микрон. Он содержит 77 миллионов транзисторов.
(5) 26 мая 2005 года: Первый основной двухъядерный процессор Intel, основанный на ведущей 90 — нм технологии Intel, имеет процессор Intel Pentium D с 22 999 999 транзисторами.
27 июля 2006 года был выпущен двухъядерный процессор Intel Core 2. Процессор содержит более 290 миллионов транзисторов и использует 65 — нм технологию Intel. Производится в самых современных лабораториях мира.
8 января 2007 года: Чтобы расширить продажи четырехъядерных ПК основным покупателям, Intel выпустила четырехъядерные процессоры Intel Core 2 и два других четырехъядерных серверных процессора для настольных компьютеров мощностью 65 нм. Четырехъядерные процессоры Intel Core 2 содержат более 580 миллионов транзисторов.
Четырехъядерный процессор Intel Core 2
(8) Corei7 980X был запущен в 2010 году с производственным процессом 32 нм и количеством транзисторов 11699999999.
(9) Производственный процесс Corei7 4960X, запущенный в 2013 году, составляет 22 нанометра, а количество транзисторов — 1,86 миллиарда.
Почему чем больше транзисторов, тем сильнее CPU?
Процессор похож на большой завод для хранения коммутаторов. Каждый транзистор является переключателем, то есть 0 при закрытии и 1 при открытии. Чем больше транзистора, тем больше переключателей. Когда вы имеете дело с той же проблемой, чем больше маршрутов вы выбираете, тем больше кольцевых линий.
Аналогичным образом, чем больше транзисторов в одном ЦП, тем больше тока разветвления в единицу времени. С макроскопической точки зрения, чем больше данных можно обрабатывать на CPU, тем быстрее машина.
Процессор состоит в основном из логических вычислительных блоков, блоков управления и блоков хранения. В модуле логических операций и управления есть несколько регистров. Эти регистры используются для временного хранения данных в процессе обработки данных ЦП.
Производство ЦП — это очень высокоточный процесс, который должен быть выполнен механически. Транзистор, вырезанный из чипа, будет напечатан машиной на базе процессора. Каждая печатная база будет проверена для устранения дефектных продуктов. Затем добавьте интерфейс оболочки, чтобы стать нашим обычным процессорным продуктом.
Как работает IV CPU?
Известно, что ЦП является « сердцем» компьютера и ядром всей микрокомпьютерной системы. Таким образом, он часто является синонимом микрокомпьютеров различных уровней, таких как 286, 386, 486, Pentium, PII, K6 до сегодняшних PIII, P4, K7 и так далее. Оглядываясь на историю развития CPU, CPU значительно улучшил технологию производства. Это в основном проявляется в интеграции все большего числа электронных компонентов. С самого начала были интегрированы тысячи транзисторов, а теперь миллионы и десятки миллионов. Как они обрабатывают данные?
Исходный режим работы CPU
Прежде чем понять, как работает CPU, давайте кратко поговорим о том, как он создается. Процессор изготовлен из чистого кремниевого материала. Чип CPU содержит миллионы сложных транзисторов. Люди используют химические методы травления или литографии транзисторов на кремниевых пластинах. Таким образом, ЦП состоит из транзисторов. Проще говоря, транзистор — это микроэлектронный переключатель. Они являются краеугольным камнем построения CPU. Вы можете представить транзистор как световой переключатель. Они имеют рабочее положение, которое представляет два состояния: ON и OFF. Эти ON и OFF эквивалентны соединению и отключению транзистора. Эти два состояния соответствуют основным состояниям « 0» и « 1» в двоичной системе. Таким образом, компьютер обладает способностью обрабатывать информацию. Но не думайте, что принцип простых двухфазных транзисторов « 0» и « 1» очень прост. На самом деле, их развитие было достигнуто в результате многолетних кропотливых исследований ученых. Перед транзисторами компьютер полагается на медленные, неэффективные вакуумные трубки и механические переключатели для обработки информации. Позже ученые поместили два кристалла в кремниевый кристалл, создав тем самым первую интегральную схему.
Видя здесь, вы, должно быть, задаетесь вопросом, как транзистор может использовать два электронных сигнала « 0» и « 1» для выполнения команд и обработки данных? На самом деле, все электронные устройства имеют свои собственные схемы и переключатели. Поток или отключение электронов в цепи полностью контролируется переключателем. Если вы установите переключатель как OFF, электроны перестанут течь. Если его настроить как ON, электроника будет продолжать течь. Переключения транзисторов ON и OFF контролируются только электронными сигналами, поэтому мы можем назвать транзисторы двоичными устройствами. Таким образом, состояние транзистора ON выражается « 1», а состояние OFF выражается « 0», что позволяет сформировать простейшее двоичное число. Многие транзисторы производят несколько специальных порядков и рисунков « 1» и « 0», которые могут представлять различные ситуации, определяемые буквами, цифрами, цветами и графиками. Например, 1 в десятичном числе также является « 1» в двоичном режиме, 2 — « 10» в двоичном режиме, 3 — « 11», 4 — « 100», 5 — « 101», 6 — « 110 » и т. Д. Это составляет двоичный язык и данные, используемые в работе компьютера. Группы транзисторов могут быть объединены для хранения значений, а также для выполнения логических и цифровых операций.
2.Внутренняя структура CPU
Транзистор в CPU
Транзисторы в CPUN теперь в основном знают, за что отвечает CPU, но какие компоненты отвечают за обработку данных и выполнение программ?
1) Ячейка арифметической логики
ALU является ядром арифметической ячейки. Он основан на полном сумматоре, дополненном схемой, состоящей из регистра сдвига и соответствующей логики управления. Под действием управляющего сигнала он может выполнять сложение, вычитание, умножение, деление на четыре операции и различные логические операции. Как упоминалось ранее, это эквивалентно производственной линии на заводе, которая отвечает за расчет данных.
2) RS (набор регистров или регистров)
RS — это, по сути, место, где данные временно хранятся в CPU. Он хранит данные, ожидающие обработки или обработанные. Время доступа ЦП к регистру короче, чем время доступа к памяти. Использование регистров может уменьшить количество посещений памяти процессором, тем самым увеличивая скорость работы процессора. Однако из — за ограничений площади чипа и степени интеграции емкость блока регистров не может быть большой. Набор регистров можно разделить на специальные регистры и общие регистры. Общий регистр широко используется и может быть назначен программистом. Количество общих регистров варьируется в зависимости от микропроцессора.
3) Модуль управления
Как и отдел логистики и распределения завода, блок управления является центром управления и управления всем ЦП. Элемент управления состоит из трех компонентов: IR регистра команд, ID декодера команд и OC контроллера управления. Важно координировать упорядоченную работу всего компьютера. В соответствии с предварительно запрограммированной программой пользователя блок управления получает каждую инструкцию из регистра. В свою очередь, регистр помещает его в IR регистра команд, определяет, какие действия следует выполнять с помощью декодирования (анализа) команды, а затем в соответствии с установленным таймером управления контроллером OC отправляет микросигнал управления операциями в соответствующий компонент. Операционный контроллер OC в основном включает в себя логику управления, такую как генератор импульсов биений, матрица управления, генератор тактовых импульсов, схема сброса и схема запуска — остановки.
4) Автобусы
Подобно каналу связи между различными частями завода, шины на самом деле представляют собой набор проводов, которые представляют собой совокупность различных общественных сигнальных линий. Шины используются как « автомагистраль» для совместного использования всеми компонентами компьютера для передачи информации. Шины, непосредственно подключенные к ЦП, можно назвать локальными шинами, включая DB (шины данных), AB (шины адресов), CB (шины управления). Среди них шины данных используются для передачи информации о данных; Адресная шина используется для передачи адресной информации, исходящей от ЦП; Шины управления используются для передачи контрольных сигналов, сигналов времени и информации о состоянии.
3.Рабочий процесс CPU
ЦП, состоящий из транзисторов, является ядром для обработки данных и выполнения программ, то есть центральным процессором. Во — первых, внутреннюю структуру ЦП можно разделить на три части: блок управления, блок логических операций и блок хранения (включая внутреннюю шину и буфер). Процессор работает так же, как заводская обработка продукта: сырье, поступающее на завод (программная инструкция), распределяется отделом распределения материалов (блок управления) и отправляется на производственную линию (логический блок управления) для производства готовой продукции (обработки данных), а затем хранится на складе (хранение одного элемента), Последнее ожидание продажи на рынке (для приложений). В ходе этого процесса мы заметили, что ЦП официально начал работать с блока управления. Промежуточный процесс представляет собой арифметическую обработку, выполняемую логическим вычислительным блоком, который указывает конец работы при переключении на блок хранения.
4. Данные и описание
Теперь давайте посмотрим, как данные работают в CPU. Мы знаем, что данные проходят через память с входного устройства, ожидая обработки процессором. Информация, подлежащая обработке, хранится в байтах, то есть в 8 — битных двоичных числах или 8 — битных единицах. Эта информация может быть данными или инструкциями. Данные могут быть двоичными символами, цифрами или цветами. Команда сообщает процессору, какие действия он выполняет с данными, такие как завершение сложения, вычитания или смещения. Мы предполагаем, что данные в памяти являются простейшими исходными данными. Во — первых, указатель команды уведомляет процессор о том, где команда будет храниться в памяти. Каждая ячейка памяти имеет число. Данные могут быть извлечены по этим адресам и отправлены в блок управления через адресную шину. Декодер команд получает инструкции из регистра команд IR и преобразует их в исполняемую форму процессора. А
Что такое техпроцесс в микрочипах и как он влияет на производство полупроводников
Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.
Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.
В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.
| Модель | Год выпуска | Кол-во транзисторов |
| Xeon Broadwell-E5 | 2016 | 7 200 000 000 |
| Ryzen 5 1600 X | 2017 | 4 800 000 000 |
| Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64) | 2018 | 6 900 000 000 |
| Qualcomm Snapdragon 8cx | 2018 | 8 500 000 000 |
| AMD Ryzen 7 3700X | 2019 | 5 990 000 000 |
| AMD Ryzen 9 3900X | 2019 | 9 890 000 000 |
| Apple M1 ARM | 2020 | 16 000 000 000 |
Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.
В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.
Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!
Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз.
Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.
Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах.
Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.
Какие существуют техпроцессы: вчера и сегодня
Первые микросхемы до 1990-х выпускались по технологическому процессу 3,5 микрометра. Эти показатели означали непосредственно линейное разрешение литографического оборудования. Если вам трудно представить, насколько небольшая величина в 3 микрометра, то давайте узнаем, сколько транзисторов может поместиться в ширине человечного волоса.
Уже тогда транзисторы были настолько маленькими, что пару десятков с легкостью помещались в толщине человеческого волоса. Сейчас техпроцесс принято соотносить с длиной затвора транзисторов, которые используются в микросхеме. Нынешние транзисторы вышли на размеры в несколько нанометров.
Для Intel актуальный техпроцесс — 14 нм. Насколько это мало? Посмотрите в сравнении
с вирусом:
Однако по факту текущие числа — это частично коммерческие наименования. Это означает, что в продуктах по техпроцессу 5 нм на самом деле размер транзисторов не ровно столько, а лишь приближенно. Например, в недавнем исследовании эксперты сравнили транзисторы от Intel по усовершенствованному техпроцессу 14 нм и транзисторы от компании TSMC на 7 нм. Оказалось, что фактические размеры на самом деле отличаются не на много, поэтому величины на самом деле относительные.
Рекордсменом сегодня является компания Samsung, которая уже освоила техпроцесс 5 нм. По нему производятся чипы Apple A14 для мобильной техники. Одна из последних новинок Apple M1 — первый ARM процессор, который будет установлен в ноутбуках от Apple.
Продукцию по техпроцессу в 3 нм Samsung планирует выпускать уже к 2021 году. Если разработчикам действительно удастся приблизиться к таким размерам, то один транзистор можно будет сравнить уже с некоторыми молекулами.
Насколько маленьким может быть техпроцесс
Уменьшение размеров транзисторов позволяет делать более энергоэффективные и мощные процессоры, но какой предел? На самом деле ответа никто не знает.
Проблема кроется в самой конструкции транзистора. Уменьшение прослойки между эмиттером и коллектором приводит к тому, что электроны начинают самостоятельно просачиваться, а это делает транзистор неуправляемым. Ток утечки становится слишком большим, что также повышает потребление энергии.
Не стоит забывать, что каждый транзистор выделяет тепло. Уже сейчас процессоры Intel Core i9-10ХХХ нагреваются до 95 градусов Цельсия, и это вполне нормальный показатель. Однако при увеличении плотности транзисторов температуры дойдут до таких пределов, когда даже водяное охлаждение окажется полностью бесполезным.
Самые смелые предсказания — это техпроцесс в 1,4 нм к 2029 году. Разработка еще меньших транзисторов, по словам ученых, будет нерентабельной, поэтому инженерам придется искать другие способы решения проблемы. Среди возможных альтернатив — использование передовых материалов вместо кремния, например, графена.