Razvoj mikroprocesorjev
Kaj se bomov tem poglavju naučili
Ogledali si bomo "zgodbo" o
mikroprocesorju, primerjali rast zmogljivosti in našteli nekaj najpomembnejših
smeri nadaljnjega razvoja.
|
Opomba: Zgradba in delovanje mikroprocesorjev sta opisana v drugem tematskem sklopu. |
Zgodba o mikroprocesorju
V nadaljevanju si bomo ogledali kratek zgodovinski pregled razvoja
mikroprocesorjev. Pred tem pa še enkrat na kratko opišimo mikroprocesor.
Mikroprocesor je digitalno elektronsko vezje, izdelano kot samostojno
integrirano vezje v polprevodniški tehnologiji. Združuje funkcije številnih
vezij, zlasti pa aritmetične in logične operacije, delo s podatki v registrih
in pomnilnikih, upravljanje notranjega vodila in perifernih naprav. Z
nekaterimi dodatnimi vhodnimi in izhodnimi vmesniki lahko upravlja delovanje
različnih naprav.
Mikroprocesorje najdemo že v zelo preprostih napravah, v vlogi centralne
procesne enote računalnika pa je nezamenljiv.
|
|
|
Slika: Poenostavljena funkcionalna zgradba mikroprocesorja in nekaj primerov uporabe mikroprocesorja: od igrač do vrhunskih naprav
Poglejmo si "zgodbo" o mikroprocesorju ...
Zgodba
se začne leta 1971.
V tistem času je od odkritja tranzistorja minilo nekaj več kot 20
let. Vgrajen je bil že v integrirana vezja. Njihove "gostote"
integracije so bile nekje med nekaj sto in nekaj tisoč tranzistorji na
čip. V integrirani obliki so že obstajala logična vezja, pomnilniška vezja
... Računalnik v tistem obdobju pa je bil zgrajen še v elektroniki brez
polprevodnikov.
Odsev predstav tedanjega časa odražata naslednji zanimivi izjavi:
|
"I think there is a world market for about five
computers." |
|
"Never trust a computer you can't lift." |
To so bila leta tik pred razmahom polprevodniške tehnologije na področje
računalništva. Neslutenega razmaha računalništva, ki ga je kmalu prinesel
polprevodniški mikroprocesor, si niso mogli predstavljati niti strokovnjaki v
vrhu rzvoja. .
Leto 1071
To
leto štejemo za leto izida prvega mikroprocesorja. Največkrat se kot prvi
komercialni procesor omenja procesor 4004 podjetja Intel. Iz približno istega
časa pa je tudi procesor TMS1000 podjetja Texas Instruments.
Ne glede na to, kdo je bil prvi, si izjemen razvojni skok oglejmo na
spodnji primerjavi (glej sliko spodaj).
Ne levi strani je računalnik ENIAC, narejen v tednji tehnologiji. Stikalni
elementi so bili izdelani iz elektronk (steklenih vakuumskih cevi z
vgrajenimi elektrodami), poleg njih pa je še mnogo elektromehaničnih relejev
ter veliko elektronskega materiala. Mikroprocesor Intel 4004 je po zmogljivostih
primerljiv z ENIACom. Ostalo povedo podatki ob spodnjih slikah. Vredno jih je
pregledati.
|
|
ENIAC |
Intel 4004 |
|
Naprej!
Naslednji korak v razvoju je bila razširitev arhitekture na 8-bitno: Intel 8008 , Z80 podjetja Zilog, podjetja Motorola začne z družino 6800. In tako naprej ... Zanimiv je bliskovit razvoj tehnologije in zmogljivosti nastajajočih mikroprocesorjev. Preden pa si pogledamo zbrane podatke, šeena zanimiva ugotovitev iz leta 1965:
|
Eden od ustanoviteljev podjetja Intel, Gordon Moore, je ocenil, da se število tranzistorjev na enem čipu podvoji na vsaki dve leti in da bo tako še nekaj časa. Trditev se je - z manjšim popravkom - izkazala za precej natančno vse do danes in je dobila ime Mooreov zakon. Število tranzistorjev in hitrost računanja mikroprocesorjev se trenutno podvoji približno v 18 mesecih. Komponente se zmanjšujejo in postajajo hitrejše, cenejše in vsestranske. |
Poglejmo torej podatke, ki kažejo stopnjo razvoja pri mikroprocesorjih. Čeprav
so prikazani samo procesorji enega proizvajalca, pa so podatki odraz dejanskega
razvoja te tehnologije.
|
oznaka, ime |
leto |
štev. tranzistorjev |
mikroni |
frekvenca ure |
širina podatkov |
MIPS |
|
4004 |
1971 |
2300 |
? |
108 kHz |
4 bit |
0.06 |
|
8008 |
1972 |
2500 |
? |
0,5MHz |
8 bit |
0.0 |
|
8080 |
1974 |
6000 |
6 |
2 MHz |
8 bit |
0.64 |
|
8088 |
1979 |
29000 |
3 |
5 MHz |
16 bit |
0.33 |
|
80286 |
1982 |
134 000 |
1.5 |
6 MHz |
16 bit |
1 |
|
80386 |
1985 |
275 000 |
1.5 |
16 MHz |
32 bit |
5 |
|
80486 |
1989 |
1 200 000 |
1 |
25 MHz |
32 bit |
20 |
|
Pentium II |
1997 |
7 500 000 |
0.35 |
233 MHz |
32 bit |
~300 |
|
Pentium III |
1999 |
9 500 000 |
0.25 |
450 MHz |
32 bit |
~510 |
|
Pentium 4 |
2000 |
42 000 000 |
0.18 |
1.5 GHz |
32 bit |
~1,700 |
|
Pentium 4 "Prescott" |
2004 |
125 000 000 |
0.09 |
3.6 GHz |
32 bit |
~7,000 |
|
Core 2 Duo |
2006 |
291 000 000 |
0.065-0.045 |
3.0 GHz |
64 bit |
V tabeli pomenijo ...
- oznaka, ime pomeni oznako ali tržno ime mikroprocesorja
- leto označuje leto prve pojavitve na trgu
- število transistorjev je število tranzistorjev, vgrajenih v čipu mikroprocesorja
- mikroni je podatek o širini najtanjše povezave na čipu (mikron je tisočinka milimetra). Odraža stanje polprevodniške tehnologije.
- frekvenca ure je najvišja frekvenca ure, pri kateri mikroprocesor deluje.
- širina podatkov pove širino podatkov, ki se obdelujejo v aritmetično-logični enoti. Drug podatek - tam, kjer je zapisan - pomeni širino podatkovnega vodila, s katerim je procesor povezan z zunanjostjo.
- MIPS je okrajšava za angleški izraz millions of instructions per second in je neke vrste pokazatelje zmogljivosti mikroprocesorja. Danes obstajajo boljši pokazatelji učinkovitosti procesorjev. Podatki v tabeli pa naj bodo za primerjavo.
Razvoj še naprej?
Želje bo bolj zmogljivih
računalnikih, omrežjih se prevede v zahteve po učinkovitejših mikroprocesorjih.
Eden od stalnih trendov je nadaljnja miniaturizacija. Vendar pa ta sama po sebi
ne zagotavlja napredka v zmogljivosti. Iskanje novih možnosti seodvija na
področju arhitekture, novih pristopov novih tehnoloških prijemih.
Za zaključek tega kratkega pregleda razvoja mikroprocesorjev naštejmo
najpomembnejše smeri, v katerih teče razvoj danes.
- asinhroni procesorji (angl. Asynchronous Processors)
Sinhroni procesorji delujejo v taktu centralne ure (oscilatorja). Asinhroni procesorji ukinjajo centralno uro. Vsak podsklop deluje s svojim lastnim taktom. Usklajevanje je potrebno le pri izmenjavi podatkov med podsklopi.
- mrežni procesorji (angl. Network Processors)
Procesorji, posebej specializirani za naloge, ki jih sicer v omrežju poleg drugih nalog opravljajo splošni mikroprocesorji. Mrežni procesorji naj bi imeli arhitekturo prilagojeno obdelavi podatkovnih paketov, naj bi bili tudi programirljivi zaradi možnih konfigurcijskih nastavitev.
- multiprocesorski čipi (angl. Chip multiprocessors)
Z več mikroprocesorji na enem čipu pridobimo na procesorski moči enega čipa, številne povezave so izveden znotraj čipa.
- napredni superskalarni mikroprocesorji (angl. Advanced superscalar Processors)
Supreskalarni procesorji izvajajo več ukazov istočasno, vendar je vsak ukaz v drugi zaporedni fazi. (Izvedba ukaza je namreč razdeljena na več faz.) Tako en ukaz vstopa v prvo fazo izvajanja, drugi jo je pravkar končal in se pomaknil v drugo itd. Učinek je tak, kot bi se v vsaki fazi v celoti izvršil en ukaz (~ 1 ukaz na cikel ure).
- simultani večnitni procesorji (angl. Simulatneus Multithreaded Processors)
Procesorji, ki opravljajo več majnih opravil (niti) vzporedno. Problemi so v medsebojnem usklajevanju teh opravil.
- VLIW procesorji (angl. Very Long Instruction Word Processors)
Procesorji, kjer se ukazi oblikujejo v zelo dolgo ukazno besedo, ki se v procesorju obdeluje na principu cevovodne (angl. pipeline) arhitekture.
- nizkopotrošni procesorji (angl. Low-Power Processors)
Nizka poraba je pridobila na pomenu najprej v zvezi s prenosnimi napravami, ki jih napajajo baterije. Ker je s porabo povezana tudi temperatura procesorja, ta pa omejuje hitrost delovanja, so tehnike za znižanje porabe v središče zanimanja tudi pri ostalih procesorjih.
- podatkovno-pretokovni procesorji (angl. Data Flow Processors)
Gre za povsem drugačen pristop. Arhitektura procesorja naj bi bila prirejena za neposredno sprejemanje podatkov in njihovo pravilno obdelavo. V središču niso ukazi, ampak podatki.
- sistem na čipu (angl. System On Chip Architecture, SoC)
Gre za idejo, da bi integrirali vse komponente računalnika kar na enem samem čipu. Prihranili bi pri prostoru in druggih vidikih.
- omrežje na čipu (angl. Networks On Chip Architecture , NoC)
Ta koncept predvideva na istem čipu gradnjo različnih podsklopov, ki bi delovali z neodvisnimi takti, med seboj pa bi bili opovezani po načelih omrežnega povezovanja.
Za konec si poglejmo še napoved razvoja iz leta 1998, organizacije Semicinductor
Industries Association.
|
Leto izida |
1997 |
1999 |
2002 |
2005 |
2008 |
2011 |
2014 |
|
lokalna ura (GHz) |
0,75 |
1,25 |
2,1 |
3,5 |
6,0 |
10,0 |
16,9 |
|
po čipu (GHz) |
0,75 |
1,2 |
1,6 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,674 |
|
velikost čipa (mm2) |
300 |
340 |
430 |
520 |
620 |
750 |
901 |
|
debelina povezav (nm) |
250 |
180 |
130 |
100 |
70 |
50 |
35 |
|
števila vhodov in izhodv čipa |
1515 |
1867 |
2553 |
3492 |
4776 |
6532 |
8935 |
|
štev. tranzistorjev na čip |
11M |
21M |
76M |
200M |
520M |
1400M |
3620M |
Ker je nekaj od "napovedanega" že za nami, lahko napovedi
primerjamo z dejanskimi podatki. Za primerjavo lahko uporabiš gornjo
tabelo Intelovih procesorjev.
Naloga
1. Poskusi preveriti Mooreov zakov
iz podatkov za procesorje Intel:
v elektronski preglednici (npr. MS Excel) zberi podatke o številu tranzistorjev
in pripadajoče letnice ter jih prikaži v obliki grafikona. Pozor, podvojitev
števila na določeno časovno obdobje pomeni eksponentno rast, zato maoraš na
y-osi (št. tranzistorjev) izbrati logaritemsko merilo. Če Mooreov zakon drži,
bodo točke na grafikonu razporejene približno v vrsti.