Продукция компании Intel наверняка знакома каждому, кто хоть раз пользовался персональным компьютером. В первую очередь это о процессорах: кремниевыми сердцами более чем двух третей компьютеров по всему миру являются именно ЦП Intel. В цикле больших материалов вспоминаем путь большого гиганта с самого начала: как развивались процессоры Intel и какие взлеты и падения ожидали их на протяжении более 50 лет. Часть первая, начало: с первых процессоров до легендарной архитектуры Core.

Хронология появления "ЦП Intel"

4-бит: 4004 и 4040

8-бит: 8008, 8080 и 8085

16-бит: 8086, 80186 и 80286

32-бит: 80386 и 80486

Pentium I-II-III: P5 и P6

Pentium 4: NetBurst

Core, начало: Core Duo и Core 2 Duo/Quad

4-бит: 4004 и 4040

В 1969 году с заказом к Intel обратился японский производитель калькуляторов Busicom. Для новой модели ему потребовалось 12 микросхем, каждая из которых должна была предназначаться для выполнения узкоспециализированных задач. В те годы такое было нормой — почти для каждой новой модели калькулятора разрабатывались собственные чипы. Универсальность отсутствовала, и это было крайне непрактично.

Один из сотрудников Intel предложил использовать вместо множества микросхем для расчетов центральный процессор, который самостоятельно будет выполнять все арифметико-логические функции. Идея была одобрена, и в проекте новой компоновки общее число микросхем сократили до четырех — это были центральный процессор, оперативная память, блок постоянной памяти и микросхема ввода-вывода. Разработка чипов по проекту началась в апреле 1970 года.

15 ноября 1971 микропроцессор Intel под кодовым названием 4004 вышел в свет. Помимо статуса первенца для компании, этот чип считается первым в мире коммерчески доступным однокристальным процессором. Четырехбитный ЦП производился по технологическим нормам 10 мкм. Чип мог работать на частоте до 740 кГц и состоял из 2300 транзисторов. Он имел 16 регистров и поддерживал 46 инструкций. Адресуемая память составляла 640 байт, а память для команд — 4 КБ.

Компания Intel предугадала роль микропроцессоров в развитии и минитюаризации будущих компьютеров, и выкупила авторские права на 4004 у Busicom. Несмотря на то, что 4004 не сыскал особой популярности и не бил рекорды продаж, именно с него начинается история современных однокристальных процессоров.

Год спустя компания выпускает улучшенного преемника 4004 под названием Intel 4040. Набор инструкций был расширен до 60, количество регистров — до 24, память команд — до 8 КБ. За счет большего числа контактов процессор получил поддержку прерываний. При всем этом 4040 был программно совместим с предшественником, неизменными остались техпроцесс и тактовые частоты. Процессор нашел применение в игровых устройствах и различных микроконтроллерах.

8-бит: 8008, 8080 и 8085

История появления первого 8-битного процессора компании под названием Intel 8008 в чем-то схожа с четырехбитным первенцем 4004. Изначально его разработку заказала компания Computer Terminal Corporation (CTC) для применения в своем новом терминале. Как и в случае с 4004, планировалось разместить компоненты на нескольких микросхемах, но история с предложением объединить их на одном чипе повторилась. Когда процессор был уже почти готов, CTC отказывается от проекта, ссылаясь на временную задержку и неудовлетворенность рабочими характеристиками. Договор между компаниями был разорван, и теперь Intel имела полное право продавать чип другим компаниям. После некоторых доработок изначального проекта, 1 апреля 1972 года был анонсирован микропроцессор Intel 8008, положивший начало 8-битной эре продуктов компании.

Помимо 8-битных регистров, процессор поддерживал 14-битную адресацию памяти, за счет чего мог использовать до 16 КБ ОЗУ. Как и предшественники, производился он по техпроцессу 10 мкм. Практически аналогичны четырехбитному собрату и тактовые частоты — до 800 кГц. Процессор нашел применение в калькуляторах, терминалах, автоматах по продаже напитков и таких миникомпьютерах, как Mark-8 и Scelbi-8N.

Ровно спустя два года, 1 апреля 1974 года, был представлен следующий процессор серии — Intel 8080. Адресация памяти была расширена до 16-битной, что позволило увеличить максимальное количество ОЗУ до 64 КБ. Система команд подверглась переработке: новый чип стал поддерживать до 80 различных инструкций. Однако он, как и предшественники, все также не умел выполнять операции умножения и деления — их приходилось реализовывать с помощью подпрограмм или применять внешние сопроцессоры-чипы Intel 8231 и 8232.

У 8080 значительно выросла тактовая частота — уже в первых экземплярах она составляла 2 МГц, а в более поздних доходила до 4 МГц. Это было заслугой нового 6 мкм техпроцесса. По утверждению компании, процессор был производительнее предшественника до 10 раз. Чип применялся в персональных компьютерах, одним из которых являлся Altair 8800, а также в устройствах управления уличным освещением, светофорах и прочем оборудовании.

Спустя еще два года Intel выпустила микропроцессор 8085, усовершенствованную модель на базе 8080. Был устранен главный недостаток предшественника — теперь чип требовал только одного источника питания +5В, тогда как предшественник нуждался в целых трех напряжениях: +5В, -5В и +12В. Процессор производился по более тонкой технологии 3 мкм, что дало возможность поднять тактовую частоту до 6 МГц в поздних реализациях. Вдобавок была немного расширена поддержка инструкций. Помимо персональных компьютеров, чип использовался во многих бортовых компьютерах космических аппаратов NASA. 

16-бит: 8086, 80186 и 80286

8 июня 1978 года компания выпускает первый 16-битный процессор Intel 8086. Архитектура команд, реализованная в процессоре, стала основой современной архитектуры x86 — той самой, которая и сегодня стоит в основе практически любого процессора, используемого в персональном компьютере или ноутбуке.

Помимо удвоенной шины данных, 8086 получил 20-битную адресацию памяти. Это позволяло использовать до 1 МБ ОЗУ, которые делились на 640 КБ основной и 384 КБ расширенной. Первые процессоры серии работали на 4 МГц, но со временем появились варианты, способные работать на частотах вплоть до 16 МГц. Как и 8085, чип производился по 3 мкм технологии.

Изначально 8086 использовался в промышленных системах. В компьютерах он был редким гостем, так как был очень дорог. Intel предвидела это, и еще на этапе разработки спроектировала упрощенный вариант чипа. Им стал 8088, вышедший годом позже и сохранивший основные преимущества старшего брата, но получивший урезанную с 16 до 8 бит внешнюю шину. Новая модель с прочими необходимыми микросхемами обходилась гораздо дешевле, поэтому быстро стала популярна в качестве основы для множества персональных компьютеров, самыми известными из которых являются IBM PC и IBM PC/XT.

Процессоры Intel 8086 и 8088 поддерживают 98 различных инструкций. Но для выполнения операций с плавающей запятой им требуется сопроцессор, как и прежде. В этом поколении компания впервые объединила арифметический процессор и процессор операций с плавающей точкой в одну микросхему Intel 8087. Ее выпустили ее в 1980 году. Специально для 8087 было разработано 60 новых инструкций, позже ставших основой для стандарта IEEE 754. В честь сопроцессора был назван набор инструкций для работы с математическими вычислениями x87.

Следующий процессор серии увидел свет в начале 1982 года. 80186 стал усовершенствованным вариантом модели 8086 и включал в себя два контроллера прямого доступа к памяти. В чип интегрировали множество различных вспомогательных микросхем, которые ранее распаивались отдельно. К набору команд прибавилось 17 новых.

Благодаря улучшенному 3 мкм техпроцессу удалось значительно снизить энергопотребление, что позволило создать как экономичные разновидности процессора, так и производительные с гораздо более высокой частотой до 25 МГц. Помимо настольных компьютеров, экономичные версии 80186 нашли применение в КПК. Как и 8086, 80186 получил и упрощенную разновидность с 8-битной внешней шиной — ею стал Intel 80188.

Разработка модели 80286 велась параллельно с 80186. Но, если 80186 является лишь усовершенствованным и более интегрированным решением, чем предшественник 8086, то изменения в 80286 куда глубже. Самым главным нововведением стал защищенный режим, который за счет изменения механизма адресации памяти позволяет адресовать до 16 МБ физической ОЗУ и до 1 ГБ виртуальной. Это позволило снять ограничения реального режима исполнения и избавиться от проблемы недостатка ОЗУ для сложных задач, но требовало изменений в программном обеспечении. Старое ПО все также могло использовать реальный режим, где адресовался максимум 1 МБ ОЗУ.

В связи с реализацией нового режима к 14 регистрам, передавшимся по наследству от 8086, добавили еще 11 новых. Набор инструкций также был расширен на 16 новых команд, многие из которых предназначались для управления памятью. Для нее 80286 получил 24-битную адресацию. 

Intel продавала лицензии на производство чипа, благодаря чему другие компании выпускали многочисленные клоны 80286, что поспособствовало его популярности. Техпроцесс 1.5 мкм позволил увеличить частоту с начальных 3 МГц до 25 МГц в поздних реализациях. Помимо всех преимуществ, которые давал расширенный режим, процессор превосходил 8086 в чистой производительности от трех до шести раз. Чип стал сердцем большого количества разнообразных компьютеров, одним из которых стал IBM PC AT.

32-бит: 80386 и 80486

Intel торопилась создать 32-битный процессор, ведя разработку параллельно с 8- и 16-битными моделями. Анонс первой 32-битной модели состоялся уже в 1981 году. Чип iAPX 432 разрабатывался на новой архитектуре Intel Advanced Performance, которая должна была стать заменой x86. Система команд процессора отличалась от предшествующей и была намного сложнее.

Компания называла новый ЦП «микромейнфреймом», который предназначался для программирования на языках высокого уровня с аппаратной поддержкой многозадачности и управления памятью. Каждая команда для него может содержать внутри себя несколько команд и операндов. К сожалению, сложная архитектура и низкая производительность в ряде задач были «палками в колесах» нового чипа. Было невозможно создать эффективную реализацию, используя полупроводниковые технологии того времени. Тестовые образцы состояли из двух чипов, при этом процессор получился очень дорогим и медленным, вследствие чего так и не попал в массовое производство.

Первым массовым 32-битным процессором компании в 1985 году стал Intel 80386. При совместимости с программным обеспечением для предшественников, внутреннее устройство архитектуры x86 было серьезно доработано. Стали использоваться 32-битные регистры, шина данных с аналогичной шириной и такая же адресация физической памяти. Благодаря этому стало возможным избавиться от сегментации памяти, которая была ограничением еще со времен 8086.

Модель получила новый способ управления памятью — страничное преобразование. Максимальный объем поддерживаемой физической памяти достиг 4 ГБ, а виртуальной, благодаря 46-битной адресации, целых 64 ТБ. Помимо этого, была улучшена поддержка многозадачности и добавился виртуальный режим, предназначенный для выполнения старых программ реального режима под операционной системой, использующей защищенный режим. Набор команд был расширен в основном новыми 32-битными вариантами существующих 16-битных инструкций — их общее количество теперь составляло 150.

В серию 80386 вошли несколько моделей процессоров с частотой от 12 до 40 МГц. Изначально был выпущен полноценный 386DX, и только через несколько лет его упрощенные версии — 386SX (1988), 386SL (1990) и 386EX (1994). Они довольствовались внешней 16-битной шиной и ограниченной адресацией памяти: 24 или 26 бит. При производстве различных моделей применялись технологии 1.5 и 1 мкм.

Разновидности Intel 80386 были довольно популярны на протяжении нескольких лет, и лишь в 1989 году компания представила его последователей — процессоры серии 80486. В чипы был впервые интегрирован математический сопроцессор FPU и кеш-память первого уровня L1 объемом 8 или 16 КБ, а также были добавлены новые инструкции для работы с ней. Ранее располагавшаяся на материнской плате микросхема кеш-памяти тоже осталась, но теперь выполняла функции кеша второго уровня L2.

Самым главным нововведением стало использование множителей. Теперь частота процессора не была равна частоте его шины, а определялась коэффициентом умножения. Это позволило значительно увеличить производительность за счет роста тактовой частоты, которая в поздних моделях могла достигать планки в 100 МГц. Помимо отличающихся частот, модели серии делились на полноценные DX и урезанные SX. У последних встроенный FPU был отключен в кристалле или полностью отсутствовал.

В этом поколении процессоры обзавелись сокетным исполнением PGA, распаивались на плате теперь в основном вариации ЦП для встроенных систем. Изначально использовался Socket 1 со 169 контактом, позже стали доступны варианты для Socket 2 и его усовершенствованной версии Socket 3 с 237/238 контактами. Первые чипы серии производились по технологии 1 мкм, более поздние перешли на усовершенствованный 0.6 мкм техпроцесс.

Pentium I-II-III: P5 и P6

Изначально Intel собиралась назвать пятое поколение процессоров 586, но не смогла зарегистрировать цифры в качестве торговой марки, чтобы обезопасить себя от появления различных клонов ЦП. Поэтому в качестве названия было выбрано «Pentium», происходящее от древнегреческого πέντε, что значит «пять».

Pentium первого поколения были представлены 22 марта 1993 года. Главным новшеством семейства процессоров стала суперскалярная архитектура P5. Процессоры обзавелись двумя конвейерами, за счет чего могли выполнять две инструкции за такт одновременно — правда, для этого старым программам требовалась перекомпиляция. Для более эффективной работы суперскалярности был внедрен механизм предсказания адресов ветвления.

Не менее важным нововведением стала 64-битная шина данных, которая позволила в два раза ускорить обмен информацией с ОЗУ. Другим новшеством в подсистеме памяти стало разделение кеша L1 на две одинаковые части: для данных и для инструкций. Его общий объем при этом составил 16 КБ. Математический сопроцессор FPU получил ряд улучшений, которые значительно ускорили исполнение некоторых инструкций.

В 1997 году на смену изначальной модели пришел Pentium MMX — усовершенствованная версия процессора с поддержкой 64-битных мультимедийных инструкций MultiMedia eXtension. Благодаря ей обновленные ЦП стали значительно быстрее в мультимедийных приложениях: при должной оптимизации ПО ускорение могло превышать полуторакратное. Набор MMX добавлял 57 новых инструкций, и для более эффективного их исполнения кеш L1 был увеличен до 32 КБ.

Первые Pentium использовали в качестве напряжения питания 5 В, но уже с выходом второй волны моделей оно было понижено до 3.3 В. У моделей с MMX напряжение снизили до 2.8 В. В связи с этим менялся и процессорный разъем. У первых моделей использовался Socket 4 с 273 контактами, у более поздних — Socket 5 и Socket 7 с 320/321 контактами. Помимо этого, выпускались специальные модели Pentium Overdrive с 32-битной шиной и встроенным преобразователем напряжения для модернизации старых систем на Socket 2 и Socket 3.

Изначально представленные модели работали на частоте 60 и 66 МГц, более поздние могли похвастаться частотой до 233 МГц. В процессе эволюции различные модели производились по разным техпроцессам: 800, 600, 350 и 280 нм. Pentium стали первыми массовыми процессорами с довольно большим тепловыделением TDP — до 16 Вт. Из-за этого им стало требоваться активное охлаждение с помощью вентилятора.

Параллельно с Pentium компания занималась разработкой другой процессорной архитектуры P6, впервые ставшей основой процессоров Pentium Pro, а позже и их последователей — Pentium II и III. Pentium Pro были анонсированы в конце 1995 года как процессоры для серверов и рабочих станций. Они официально поддерживали многопроцессорную конфигурацию — до четырех ЦП в одной системе. Специально для процессоров был разработан новый Socket 8, содержавший 387 контактов.

Архитектура P6 значительно отличается от более ранней P5. Сердцем Pentium Pro является RISC-ядро, исполняющее сложные инструкции не напрямую, а предварительно декодировав их в более простые операции. Конвейер архитектуры имеет глубину в 12 стадий. В отличие от предшественников, ядро может изменять порядок выполнения инструкций благодаря новой технологии динамического исполнения. При этом количество исполняемых за такт инструкций возросло до трех.  Данные улучшения значительно увеличивают скорость вычислений в оптимизированном 32-битном программном обеспечении, несмотря на аналогичные обычному Pentium тактовые частоты — от 150 до 200 МГц. 

В процессор был впервые интегрирован огромный по меркам того времени кеш L2, который выполнялся в виде отдельного кристалла объемом 256 или 512 КБ. Позже были выпущены модели с двумя кристаллами кеша общим объемом 1024 КБ. Новинкой стала двойная независимая шина: FSB отвечает за связь ЦП с чипсетом, BSB — за связь ЦП с кешем L2, что позволило увеличить пропускную способность и избавиться от «узких» мест. Из-за многокристальной компоновки тепловыделение процессора значительно повысилось, и, несмотря на техпроцесс 500 нм (а позже и 350 нм), составляло от 30 до 47 Вт.

Pentium Pro сложно назвать массовым процессором. Он был очень дорог, имел проблемы с производительностью в 16-битных приложениях и не поддерживал технологию MMX, все больше набирающую обороты в мультимедийном ПО. Эти проблемы Intel решила в 1997 году запуском следующего процессора серии — Pentium II.

В основе Pentium II лежит доработанное ядро Pentium Pro. Производительность 16-битного кода была повышена, кеш L1 увеличен с 16 до 32 КБ. Процессор отказался от сокетного исполнения и заключался в специальный картридж с собственной платой. Помимо самого ЦП на ней распаивались микросхемы кеш-памяти L2. Это удешевляло конструкцию по сравнению с интеграцией второго кристалла рядом с ядром, как в Pentium Pro. Разъем получил название Slot 1 и содержал 242 контакта. Для модернизации систем на Pentium Pro были выпущены процессоры Pentium II Overdrive, предназначенные для установки в Socket 8.

Тактовые частоты различных моделей Pentium II составляли от 233 до 450 МГц. Первые десктопные процессоры серии, производимые по 350 нм техпроцессу, использовали напряжение питания 2.8 В, достигая TDP в 43 Вт. Для поздних версий на обновленном ядре стал использоваться более тонкий 250 нм техпроцесс. Напряжение снизили до 2 В, вместе с ним упала и мощность до 27 Вт. В этом поколении впервые появились мобильные разновидности чипов, предназначенные для ноутбуков. У них напряжение питания было понижено до 1.5-1.6 В.

Для конкуренции в бюджетном сегменте Intel представила процессоры Celeron, имеющие то же ядро, что и Pentium II, только без кеша L2 в картридже. Однако новинку ждал провал: без кеша во многих задачах она умудрялась уступать даже устаревшему Pentium MMX. Компания поняла ошибку и следующим шагом выпустила обновленные версии процессоров с кешем L2 в 128 КБ. Благодаря малому объему удалось интегрировать кеш в само ядро. В связи с таким расположением стало возможным поднять частоту его работы до частоты ядра. Это давало преимущество в производительности по сравнению с Pentium II в некотором ПО, особенно в играх — ведь у него кеш, хоть и больший по объему, работал лишь на половине этой частоты.

Эти наработки нашли применение в следующей серии процессоров – Pentium III, представленной в начале 1999 года. Первые модели все так же использовали Slot 1, однако уже вторая волна чипов получила интегрированный кеш L2 и исполнение Socket 370, с которого пошла традиция использовать названия по количеству контактов. Третье поколение Pentium все также основано на архитектуре P6, но впервые обзавелось новым набором 128-битных инструкций SSE. Помимо этого, значительно возросшие частоты — от 450 МГц до 1.4 ГГц — поспособствовали ощутимому приросту производительности по сравнению с предшественниками. 

Объем кеша L2 у различных моделей составлял от 256 до 512 КБ. Как и в прошлом поколении, помимо моделей Pentium были выпущены и Celeron, отличавшиеся более низкой частотой шины и урезанным кешем L2. На протяжении выпуска различных моделей совершенствовалась технология производства: сначала 250, потом 180, и, наконец, 130 нм. Вместе с техпроцессами снижалось и напряжение питания — с 2 В у первых моделей до 1.5 В у последних. Процессоры серии обладают TDP в диапазоне от 26 до 37 Вт.

Pentium 4: NetBurst

Архитектура P6 была достаточно успешной, но к концу 20 века между производителями процессоров все больше набирала обороты гонка тактовых частот. Intel сделала ставку именно на это при разработке новой архитектуры NetBurst, пожертвовав производительностью на такт. 20 ноября 2000 года был представлен первый процессор на новой архитектуре — Pentium 4.

Первая версия Netburst, применявшаяся в новинках, имела конвейер глубиной в 20 стадий — намного длиннее, чем 12 стадий в P6. Эта особенность дает возможность использовать более высокие частоты, но производительность начинает страдать сильнее при промахе кеша или неверно предсказанном переходе. Для смягчения этих явлений был внедрен новый алгоритм предсказания ветвлений и увеличен их буфер. Также было решено отказаться от применявшегося до этого кеша инструкций, заменив его на кеш микроопераций. Емкость последнего составила 12 000 микроопераций. Традиционный кеш L1 для данных при этом сохранился, добавилась поддержка инструкций SSE2.

Новшеством стала шина Quad Pumped Bus, передающая данные на скорости, в четыре раза превышающей ее физическую частоту. Уже первые модели обладали FSB частотой 400 МГц, у более поздних это значение достигало 800-1066 МГц. Такая реализация позволяет процессору значительно быстрее общаться с памятью и другими компонентами системы.

Архитектура изначально поддерживает технологию Hyper-Threading, представляющую одно физическое ядро как два логических, и тем самым позволяющую обрабатывать два потока вычислений одновременно. Впервые ее поддержка была задействована во втором поколении ядер под кодовым названием Northwood, чем они и отличаются от первой версии ядер под названием Wilamette.

А вот третье поколение ядер Prescott получило куда более глубокие изменения. Архитектура NetBurst была доработана, длина конвейера увеличилась еще больше — до 31 стадии. В связи с более длинным конвейером был в очередной раз улучшен предсказатель ветвлений и размеры кешей: L1 — с 8 до 16 КБ, L2 — с 512 до 1024 КБ. На одинаковой частоте с предшественником ядро стало медленнее, но это компенсировалось более высокими тактовыми частотами за счет новых техпроцессов. Помимо этого, появилась поддержка новых инструкции SSE3.

Первыми 64-битными процессорами компании стали ЦП серверного семейства Itanium, выпущенные в 2001 году. Однако они были основаны на архитектуре IA-64, несовместимой с x86. Массовые процессоры пошли по другому пути и стали использовать 64-битное развитие архитектуры x86 под названием x86-64, разработанное AMD. Именно Prescott стал первым поколением ядер x86 компании Intel, получившим поддержку 64-битных вычислений. Благодаря этому удалось преодолеть барьер в 4 ГБ оперативной памяти, свойственный более ранним процессорам. 

Помимо Pentium 4, в этом и предыдущих поколениях ядер архитектуры NetBurst выпускались также бюджетные процессоры Celeron, утратившие поддержку Hyper-Threading и обладавшие меньшим кешем L2: 128 КБ в первых двух поколениях и 256 КБ — в третьем.

Для первых процессоров Pentium 4 был разработан Socket 423, более поздние получили исполнение Socket 478. На обоих сокетах выпускались платы с поддержкой памяти ОЗУ типа SDRAM. На Socket 478 изначально появилась поддержка дорогой и не получившей успех памяти RDRAM, а чуть позже — популярной массовой DDR первого поколения, вместе с которой в массовые платформы впервые пришел двухканальный режим ОЗУ. Поздние Pentium 4 выпускались для Socket 775 с исполнением LGA — контактными площадками в сокете, в отличие от более старых PGA, предназначенных для процессоров с контактными ножками. Платы для нового сокета оснащались поддержкой памяти DDR1 или DDR2.

Чем дальше развивалась архитектура NetBurst, тем горячее становились процессоры, несмотря на совершенствование технологических норм производства. Модели, основанные на Wilamette, производились по 180 нм технологии, работали при напряжении около 1.7 В и выделяли до 100 Вт тепла. Pentium 4 на базе Nothwood использовали 130 нм техпроцесс и пониженное до 1.4-1.5 В напряжение, но тепловыделение при этом могло доходить до 134 Вт. Топовые 90-нм Prescott при напряжении 1.4 В потребляли до 151 Вт — после 20-30 Вт у Pentium III эти значения выглядели пугающе. Такая цена была платой за повышение частот: первые модели работали максимум на 2 ГГц, модели второго поколения — 3.4 ГГц, последние достигали 3.8 ГГц.

Изначально в планах Intel было увеличение частот до 10 ГГц. Но, столкнувшись с невозможностью преодолеть барьер в 4 ГГц в серийных моделях, было решено сделать ставку на многоядерность. Два ядра Prescott объединили на одной подложке, результатом этой «склейки» стала линейка процессоров Pentium D — первых многоядерных массовых процессоров компании. Несмотря на немного сниженные частоты, отключенную технологию Hyper-Threading и техпроцесс 90 нм, процессоры получились такими же горячими и выделяли до 130 Вт тепла. 

Переход второй ревизии на 65 нм техпроцесс особых улучшений не дал. При этом двукратной производительности по сравнению с Pentium 4 они не показывали — ПО того времени не было настолько оптимизировано под многопоток. Но в недрах Intel уже разрабатывались следующая процессорная архитектура, ставшая революционной и отличившаяся высоким ростом как однопоточной, так и многопоточной производительности — Intel Core.

Core, начало: Core Duo и Core 2 Duo/Quad

Архитектура Core базируется на наработках мобильных чипов Pentium M, ядро которых, в свою очередь, основано на ядре Pentium III с архитектурой P6. Несмотря на присутствие на рынке мобильных Pentium 4, в 2003 году Intel решила развивать P6 для ноутбучных моделей процессоров как менее прожорливую и более производительную альтернативу.

Pentium M вобрал в себя лучшее от Pentium 3 и Pentium 4. Архитектура первого в сочетании с Quad Pumped Bus и L2-кешем объемом 1 МБ от второго позволили заметно обгонять по производительности на одной частоте горячие Pentium 4, при этом обходясь небольшим энергопотреблением всего в 20-30 Вт. Видя успех мобильных чипов и тупик в развитии Pentium 4, Intel использует свои наработки и выводит на рынок новую архитектуру — Intel Core. 

В начале 2006 года компания выпускает две линейки новых мобильных процессоров — Core Duo и Core Solo. Процессоры Core Duo представляют собой два ядра в едином чипе без склеек, что позволило использовать общий кеш L2. Кеш L1 составляют две равные половины по 32 КБ, одна из которых предназначена для инструкций, другая – для данных. Конвейер процессоров имеет глубину в 14 стадий, за такт исполняются до четырех инструкций. По сравнению с Pentium M была добавлена поддержка памяти DDR2 и инструкций SSE3, а также увеличена частота шины FSB. Core Solo — бюджетные варианты, у которых одно ядро отключено.

В середине того же года архитектура добирается до десктопа, попутно получив усовершенствования в виде поддержки 64-битных вычислений. Первые двухъядерные модели Core 2 Duo на ядре Conroe производятся по 65 нм техпроцессу, имеют до 4 МБ кеша L2 и достигают частоты 2.67 ГГц с шиной в 1066 МГц. При TDP 65 Вт, в два раза меньшем, чем у Pentium 4 и Pentium D, в различных задачах процессоры обгоняют предшественников архитектуры NetBurst от двух до трех раз. При этом сокет и тип ОЗУ у новых процессоров остался прежним — DDR2 и Socket 775, хотя они и требовали новых материнских плат. Платами диктовался и максимальный размер ОЗУ — 8 ГБ.

Разгонный потенциал — отличительная особенность всех процессоров архитектуры Core. Благодаря ему с помощью младших моделей часто удавалось догнать старшие. При этом какое-то неординарное охлаждение не требовалось благодаря низкому тепловыделению. После выхода первых моделей Core 2 Duo компания анонсирует стратегию «тик-так»: разделение циклов разработки на две части, каждая из которых должна занимать около года. «Тик» является уменьшением техпроцесса производства на основе существующей микроархитектуры. «Так» — выпуск процессоров новой микроархитектуры на основе существующего техпроцесса, которым и были первые Core 2 Duo.

В начале 2007 года выходят первые четырехъядерные процессоры компании — Core 2 Quad, представляющие собой склейку из двух кристаллов Conroe с TDP в 105 Вт. 

Выпускаются новые чипсеты, поддерживающие два типа памяти: DDR2 и DDR3, применение которой позволяло расширить ОЗУ до 16 ГБ. Intel воскрешает старые бренды и расширяет ассортимент процессорами Pentium и Celeron. Новые модели используют архитектуру Core и отличаются от старших Core 2 Duo меньшими объемами кешей и более низкой частотой.

В 2008 году Intel в качестве шага «Тик» переносит процессоры семейства на 45 нм техпроцесс, попутно повысив частоты, увеличив размеры кешей и добавив поддержку инструкций SSE 4.1. Новые Core 2 Duo на базе кристалла Wolfdale получают стоковые частоты до 3.33 ГГц, шину частотой 1333 МГц и до 6 МБ кеша L2. Линейка Core 2 Quad разрастается: топовые модели удваивают возможности кристалла Wolfdale, более простые представляют двукратные возможности относительно бюджетных моделей Core 2 Duo, при этом вписываясь в 95 Вт тепловыделения.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

С обратной стороны подложки находится множество электронных компонентов, стабилизирующих напряжения для правильной работы внутренних частей процессора. Они окружены металлическими контактами, отвечающими за подключение процессора в сокет материнской платы.

С верхней стороны чип покрывается дополнительным слоем кремния. Следом наносится припой или пластичный терм интерфейс, после которого на процессор устанавливается термо-распределительная металлическая крышка.

После того, как процессор принимает привычный для нас вид, он отправляется на последнее тестирование. По его окончании на крышку наносится название модели и номер партии. Затем процессор отправляют в упаковочный цех. Из него он попадает на склад производителя, а следом — и на полки магазинов.

Так что же такое "Центральный процессор"

Центральный процессор — сложное электронное устройство. В его состав входят различные блоки вычислительных ядер, несколько уровней кэш-памяти, шины обмена данными, встроенная графика и прочие блоки. За счет чего же растет то самое IPC?

Вычислительные ядра

Инструкции, полученные процессором, поступают на исполнительный конвейер. От количества и скорости работы разнообразных исполнительных блоков, имеющихся в нем, зависит скорость исполнения инструкций. В каждом новом поколении количество таких блоков увеличивается, а также улучшается эффективность их работы. Сначала идут следующие блоки:

• Предсказатели переходов (Branch Predictors). Блоки, прогнозирующие выполнение или невыполнение инструкций в программах на несколько шагов вперед.

• Блоки выборки инструкций (Instruction Fetch Units, IFU). Блоки, занимающиеся выборкой инструкций для последующей передачи их декодерам.

• Декодеры (Decoders). Преобразуют сложные команды x86 в простейшие микрооперации для исполнения.

Это общая часть конвейера. Затем он разделяется на две части, каждая из которых предназначена для работы с собственным типом вычислений: целочисленную (Integer) и с плавающей запятой (Floating-Point). У каждой части имеются следующие независимые блоки:

• Блок переименования регистров (Register Rename). Исполняемые инструкции ссылаются на логические регистры. Этот блок переносит ссылки на физические регистры процессора.

• Планировщики исполнения (Schedulers). Выстраивают поступающие инструкции в очередь с целью максимально эффективного исполнения.

• Регистровый файл (Register File). Ячейки памяти, которые хранят коды команд в период их исполнения.

Далее целочисленная часть разделяется на несколько ячеек, которые называются исполнительными портами (Execution Ports). В каждом из них может быть один из следующих блоков:

• Арифметико-логическое устройство (Arithmetic Logic Unit, ALU). Занимается целочисленными вычислениями.

• Блок генерации адресов (Address Generation Unit, AGU). Вычисляет адреса, используемые ядром для доступа к памяти, а также занимается их загрузкой и выгрузкой.

• Блок хранения адресов (Store Data). Упрощенный вид AGU, который занимается исключительно выгрузкой адресов в память.

• Блок исполнения переходов (Branch Execution Unit, BRU). Выполняет переходы и вызовы процедур на основе решений исполняемой программы.

После исполнительных портов следует блок сохранения/загрузки (Load/Store), который отвечает за загрузку данных из памяти и сохранение данных в нее.

Часть вычислений с плавающей запятой называется FPU. Она работает с мультимедийными инструкциями семейств SSE, AVX, FMA и прочими. У этой части собственные порты, в которых другие блоки, отвечающие за математические операции: сложения (Add), умножения-сложения (Multiple-Add, MAD), умножения-накопления (Multiply-Accumulate, MAC), сдвига (Shift), смешивания (Shuffle).

Подсистема памяти

Помимо скорости работы вычислительных блоков, на производительность влияют скорость, объем и строение кэшей. В процессоре есть несколько различных кэшей, каждый из которых предназначен для ускорения работы на определенном отрезке процесса вычислений.

• Кэш инструкций (L1 Instruction Cache). Кэш, куда попадают еще не декодированные x86-инструкции.

• Кэш микроопераций (L0 Cache, Micro-Ops Cache). Кэш, предназначенный для хранения декодированных микроопераций.

• Кэш первого уровня для данных (L1 Data Cache). Кэш малого объема, предназначенный для данных. 

• Кэш второго уровня (L2 Cache). Кэш среднего объема, следующий за L1. Работает медленнее кэша первого уровня.

• Кеш третьего уровня (L3 Cache). Кеш большого объема, следующий за L2. Самый медленный из всех кэшей. В отличие от других кэшей, которые у каждого ядра свои, L3 - общий для всех ядер процессора.

• Буферы и очереди для работы с инструкциями (Instruction Buffers and Queue) используются для ускорения работы с инструкциями. В их число входят буфер переупорядочивания, буфер загрузки, буфер выгрузки, очередь декодированных микроопераций и очередь распределения.

• Буферы ассоциативной трансляции (Translation Lookaside Buffers, TLB). Небольшие кэши, расположенные после конвейера, а также между обычными кэшами разных уровней. Используются для ускорения трансляции виртуального адреса памяти в физический.

• Оперативная память (Random Access Memory, RAM). Последний уровень динамической памяти. Хотя сама память находится за пределами процессора, ее контроллер, задающий тип, число каналов и тактовую частоту, находится именно в ЦП.

Помимо объема и их скорости, на производительность влияют и другие характеристики кэшей:

• Организация. При инклюзивной организации кэша данные дублируются на различных уровнях. Это дает быстрый доступ к ним, но есть и минус — они занимают место на разных уровнях кэша. При эксклюзивной организации дублирований нет, и объем кэша используется более эффективно. Однако в случае, если нужных данных не оказалось в более быстром кэше, процессору придется тратить дополнительное время на извлечение их из более медленного уровня. Неинклюзивный кэш сочетает преимущества первых двух видов: он отслеживает данные, пытаясь спрогнозировать их необходимость на верхнем уровне кэша. При ее отсутствии алгоритмы вытесняют ненужные данные в нижний уровень кэша, экономя объем.

• Сегментация. У современных процессоров кэш последнего уровня может быть как монолитным, так и состоять из нескольких сегментов.

• Ассоциативность. Для ускорения работы кэша доступ к нему осуществляется по нескольким каналам. Уровень ассоциативности — это количество используемых кэшем каналов. Чем их больше, тем эффективнее работа кэша: меньше промахов при поиске данных, больше попаданий. Но с ростом числа каналов усложняется и система доступа к кэшу. Несмотря на меньшие промахи, в результате обработки большого количества каналов производительность кэша может снижаться.

Шины передачи данных

В современных многоядерных моделях важную роль играет также скорость передачи данных между внутренними компонентами процессора, в первую очередь — вычислительными ядрами. Каждая из компаний-производителей использует шину собственной разработки для соединения компонентов ЦП между собой:

• Компоненты процессоров Intel соединены кольцевой шиной Ring Bus.

• Компоненты процессоров AMD общаются посредством соединений шины Infinity Fabric.

Что дают усовершенствования различных блоков

На сегодняшний день процессорная архитектура, разработанная с нуля — очень редкое явление. Чаще всего новые процессорные архитектуры получаются с помощью доработки различных блоков уже существующих решений. В число таких доработок входят:

• Улучшение предсказателей переходов. Доработка этих блоков помогает увеличить производительность за счет уменьшения количества промахов предсказания инструкций.

• Увеличение количества декодеров. За счет этого процессор становится способен декодировать больше инструкций за такт. В теории, это должно прямо повлиять на производительность. Однако, для раскрытия потенциала большего количества декодеров необходимо одновременно «подтягивать» и другие части конвейера.

• Улучшения планировщиков исполнения. Благодаря этому становится возможным более «плотно» загрузить работой исполнительные порты. Это помогает добиться их большей эффективности, повышая производительность.

• Увеличение регистрового файла. Расширяет хранилище для поступающих команд. Обычно производится вместе с увеличением количества исполнительных портов – это делается для достижения их большей эффективности.

• Увеличение количества исполнительных портов. Расширение конвейера с добавлением вычислительных блоков позволяет производить больше расчетов за такт и быстрее передавать их. Это прямо влияет на производительность, особенно при сложном коде.

• Усовершенствования блока сохранения/загрузки. Позволяют совершать больше операций сохранения/загрузки за такт, тем самым увеличивая эффективность работы с памятью.

• Улучшения блоков FPU. Увеличение количества и производительности блоков вычислений с плавающей запятой позволяет быстрее выполнять мультимедийные инструкции, а также внедрять поддержку их новых видов.

Вдобавок к улучшениям вычислительных блоков процессоры новых архитектур обычно получают и улучшения подсистемы кешей:

• Увеличение размеров кэшей. Повышает количество хранящихся в них данных, вследствие чего уменьшается вероятность промаха.

• Увеличение скорости кэшей. Более высокая пропускная способность кэша снижает время, необходимое для его чтения или записи.

• Изменения в ассоциативности, организации или сегментации. Совокупность этих изменений обычно подбирается под прочие характеристики процессора, чтобы сделать работу кэша наиболее эффективной.

• Увеличение буферов и очередей работы с инструкциями. За счет увеличения позволяют более эффективно работать вычислительным блокам процессора.

• Увеличение буферов ассоциативной трансляции. Уменьшает вероятность промаха при поиске страницы памяти.

• Увеличение скорости обмена по внутренним шинам. Скорость внутренней шины повышается раз в несколько поколений, чтобы успевать передавать данные с учетом роста производительности ядер и роста их количества.

• Улучшения контроллера памяти. Более высокие тактовые частоты и новые типы памяти подбираются с учетом усовершенствований архитектуры, чтобы ОЗУ не стала узким местом в производительности системы.

Примеры архитектурных улучшений

Обратимся к примерам таких изменений. Для начала возьмем процессоры Intel. В 2021 году после шести лет «царствования» в десктопах архитектуры Skylake наконец-то вышли модели 11 поколения Core на новой архитектуре Sunny Cove.

На ее основе построены десктопные процессоры Rocket Lake, которые быстрее предшественников на одной частоте примерно на 10–12%. Это стало возможным благодаря следующим улучшениям:

• Пять инструкций за такт вместо четырех — заслуга расширенного декодера.

• Десять исполнительных портов вместо восьми: плюс один AGU, и еще один порт для блока Store Data.

• Усовершенствованный блок сохранения/загрузки, позволяющий производить одновременно две операции сохранения против одной у предшественника.

• Увеличенные буферы и очереди для работы с инструкциями.

• В полтора раза увеличенный кэш микроопераций и кеш L1. Последний, к тому же, был ускорен.

• Кэш L2 был увеличен в два с половиной раза. Его инклюзивная организация сменилась неинклюзивной.

Производительные ядра современных процессоров Alder Lake и Raptor Lake основаны на следующей, самой современной на данный момент архитектуре Intel — Golden Cove.

По сравнению с предшественниками Rocket Lake они быстрее примерно на 15–20 %. Это достигается благодаря следующим усовершенствованиям:

• В очередной раз расширенный декодер: шесть инструкций за такт против пяти

• Двенадцать исполнительных портов вместо десяти: плюс один ALU и один AGU.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Увеличены и ускорены кэши всех уровней.

• Новый контроллер памяти, работающий с ОЗУ DDR5 наряду с DDR4.

Теперь обратим внимание на изменения в современных процессорах AMD. В конце 2020 года были представлены первые процессоры архитектуры Zen 3 — Ryzen 5000 серии.

Благодаря им впервые за много лет AMD смогла перегнать по однопоточной производительности конкурентные процессоры Intel. Рост производительности на одной частоте по сравнению с предшественниками Zen 2 составил около 20 %. Это стало возможным благодаря следующим улучшениям:

• Предсказатель переходов получил улучшения для более эффективной работы.

• Количество исполнительных портов было увеличено с семи до восьми. Новый порт содержит блок BRU. К тому же, теперь и один из ALU может работать в качестве BRU.

• Количество планировщиков сокращено с семи до четырех. При этом каждый из переработанных планировщиков стал быстрее более, чем вдвое.

• Усовершенствованный блок сохранения/загрузки позволяет производить на одно сохранение и одну загрузку больше.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Усовершенствованный FPU расширился с четырех блоков до шести. Теперь у него два планировщика вместо одного.

• Комплекс процессорных ядер CCX теперь содержит восемь ядер вместо четырех. Это уменьшает задержки при их общении. В связи с этим изменилась и сегментация кэша третьего уровня: теперь в каждом чипсете L3 — монолитный, объемом в 32МБ. Ранее использовались две секции по 16 МБ.

Последнее поколение процессоров AMD — серия Ryzen 7000. Они основаны на архитектуре Zen 4.

Новые процессоры быстрее предшественников примерно на 13 % на одной частоте. Архитектура Zen 4 получила следующие усовершенствования:

• Предсказатель переходов в очередной раз усовершенствован.

• Увеличен и ускорен кэш микроопераций.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Кэш L2 вырос вдвое — с 0.5 до 1 МБ на ядро.

• Увеличены размеры регистровых файлов.

• Блок сохранения/загрузки теперь работает более эффективно.

• Благодаря доработанному FPU добавлена поддержка инструкций AVX-512.

• Новый контроллер памяти, который работает с ОЗУ DDR5 против DDR4 у предшественника.

Что в итоге

Изменения в процессорных архитектурах разнятся из поколения в поколение. Это логично, ведь производители процессоров анализируют работу текущих поколений, и в первую очередь устраняют «узкие» места архитектур.

Рост производительности на такт (IPC) напрямую связан с блоками, в которые внесены изменения. Прирост производительности в разных видах задач может отличаться, в зависимости от внесенных в архитектуру изменений. Большинство программного обеспечения получает наибольший прирост от ускорения темпа целочисленных вычислений. Но есть и программы, которые больше чувствительны к скорости работы FPU или подсистемы кэшей.

IPC — главный показатель производительности современных ЦП, но далеко не единый. Стоит помнить, что прирост однопоточной производительности между разными поколениями процессоров дополнительно зависит от их тактовых частот, а многопоточной — еще и от количества ядер.

• Литографический сканер. Подает ультрафиолетовый свет на пластину с помощью трафаретов соединений и системы линз. В засвеченных местах фоторезист закрепляется, в незасвеченных — нет.

• Проявитель. Смывает незакрепленные области фоторезиста, а затем «запекает» закрепленные области с помощью нагрева пластины.

• Обработчик поверхности. Производит шлифование пластины и ее очистку от пыли.

• Очиститель. Устройство, в котором слой фоторезиста снимается с помощью растворителя.

Самый интересный элемент этой связки — литографический сканер. Внутри него находится источник ультрафиолетового света, который работает в связке с трафаретом соединений. Трафарет имеет размеры около 15×15 см. На одном трафарете могут находиться схемы сразу двух слоев чипа. На небольшие поверхности будущих чипов свет через трафарет попадает посредством сложной системы линз, которая уменьшает изображение в четыре раза.

После того, как поверхность одной процессорной заготовки будет засвечена, пластина сдвигается для обработки следующей. И так 230 раз для обработки всех заготовок.

После завершения формирования одного слоя, а также всех дальнейших шагов по его закреплению, обработке и проверке, процесс повторяется заново. Таким образом для создания процессора литографический сканер должен «напечатать» 80 слоев, используя для каждой пары свои уникальные трафареты.

Добавление материала

С этой целью используются установки для осаждения материалов. После того, как маска готова, на нее распыляется жидкий материал — точно так же, как краска из баллончика.

Установок данного типа бывает несколько, и каждая чем-то отличается от другой. По используемым материалам их можно поделить на три категории:

• Проводящие материалы (медь, тантал)

• Изоляционные материалы (оксиды)

• Кристаллический кремний

Для каждой из групп материалов используются собственные химические способы осаждения на пластину, но эффект всеми ими достигается схожий.

В центре установки для осаждения находится главная камера для пластин. К ее краям прикреплены дополнительные камеры, в каждой из которых происходит нанесение одной разновидности материала. Например, металлов — алюминия, меди, золота, вольфрама, никеля или тантала.

Удаление материала

Противоположная категория операций, которую выполняют машины для удаления материалов. Различают две разновидности таких установок:

• Установки травления. Воздействуют коррозионными химическими веществами или плазмой для удаления материалов с поверхности пластины. Обычно используются с маской, вытравляя углубления для их последующего заполнения другим материалом.

• Установки химико-механической планаризации. Наносят на поверхность пластины специальную суспензию, затем шлифуя и полируя ее абразивными материалами до идеально ровной поверхности. Используются в конце формирования одного слоя, чтобы подготовить пластину к созданию следующего.

Модификация материала

Ионные имплантаторы — установки, которые используют бомбардировку поверхность пластины люминофором, бором, мышьяком, сурьмой или другими элементами. Эта процедура необходима для создания P- и N-переходов процессорных транзисторов, поэтому применяется только на начальной стадии формирования чипов.

Бомбардировка осуществляется вместе с нанесенной маской, поэтому затрагивает только определенные места на пластине. По сравнению с методом осаждения этот способ добавляет гораздо меньшее количество материала. Все потому, что в первом случае материал распыляется потоком, а во втором происходит только точечный заброс атомов в кремниевую решетку.

Подобный процесс повреждает решетку. Поэтому следом производится нагрев пластины, чтобы восстановить ее. Для него используются отдельные установки отжига.

Очистка пластины

Установки-очистители используются для удаления загрязнений и посторонних частиц с пластины. Они промывают поверхность очищенной водой, а после этого сушат ее азотом или изопропиловым спиртом.

Такие операции проводятся часто, чтобы исключить любые случайные частицы, попавшие на пластину.

Проверка пластины

Метрологические инструменты — устройства для проверки транзисторов и металлических слоев на наличие дефектов. Они представляют собой мощные электронные микроскопы, которые делают снимки слоев и сравнивают их с эталонными, чтобы определить возможные дефекты или наличие посторонних частиц.

Производство чипов

Изучив устройство полупроводникового производства и машин в нем, пройдемся по стадиям формирования чипов.

Первым делом на пластину наносится слой изолятора — диоксида кремния. Затем по поверхности распределяется фоторезист, и пластина подвергается термообработке для его усадки.

Пластина поступает в литографический сканер и засвечивается с помощью трафарета. В проявителе не засвеченные участки смываются, и производится запекание засвеченного фоторезиста.

Затем в дело вступает инструмент для травления, который «стачивает» изолятор. На первом слое это происходит до глубины, которая достаточна для формирования транзисторов. На последующих — до тех пор, пока не станут доступны металлические переходы от нижнего слоя.

Фоторезист смывается. На первом этапе производится бомбардировка атомами для создания транзисторов, после которой следует отжиг для восстановления кристаллической решетки. На более поздних этапах вместо этого производится распыление металла для создания слоя с соединениями.

После этого пластина шлифуется, чтобы обнажились образовавшиеся медные соединения. Один слой готов. Подобным образом создаются и все последующие слои. Между различными этапами пластины множество раз проверяются и очищаются, чтобы избежать проблем с будущими чипами.

Сборка процессоров

После завершения формирования чипов на пластинах они отправляются в отдельное здание, где подвергаются тщательному тестированию. Несмотря на соблюдение всех условий производства, довольно часто отдельные части процессора могут иметь микродефекты.

Для каждого чипа создается карта дефектных областей, с учетом которой чип потом тестируется. Если область действительно работает нестабильно, но при этом не относится к критически важным частям кристалла — она отключается. Таким образом из одного кристалла получаются процессоры с разным количеством ядер — например, Core i9, Core i7 или Core i5. В части из них может быть отключена и встроенная графика.

После проверки пластины перевозятся в следующее здание, где разрезаются лазером на заготовки для будущих процессоров. После этого каждая заготовка помещается на интерпозер — соединительную пластину, покрытую шариками припоя.

С помощью шариков интерпозер соединяет чип и подложку процессора, передавая между ними электрические сигналы.

Ввиду ограничения фотоматериалов

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

«Мозгом» современной техники являются различные микрочипы. Самые сложные из них — это центральные и графические процессоры, а также системы на чипе для смартфонов. В их составе находятся миллиарды транзисторов. Как они производятся? И как такое огромное количество электронных компонентов и соединений между ними помещается на маленьком кристалле?

Сердце процессора

Принципы устройства микрочипов не менялись с самого их появления. Что микропроцессор Intel 4004, которому уже больше полувека, что современный Core i9 состоят из транзисторов — миниатюрных переключателей электрической цепи, которыми можно управлять с помощью подачи тока.

Главное отличие в том, что старые чипы производились по достаточно «толстым» техпроцессам и содержали небольшое количество транзисторов. В Intel 4004, который выпускался по техпроцессу 10 мкм (10000 нм), их было всего 2300. А в современном Core i9-13900K, производящемся по техпроцессу Intel 7 (10 нм), транзисторов в миллионы раз больше — целых 26 миллиардов.

Рассмотрим строение чипа на его примере. Данный процессор содержит восемь больших ядер и 16 малых, крупный кэш третьего уровня, контроллер памяти с поддержкой DDR4 и DDR5, встроенную графику UHD770 и прочие функциональные блоки. При этом размер кристалла такого чипа всего 10.7х24.2 мм.

Если заглянуть в любое ядро, мы увидим, что оно состоит из различных частей — блоков выборки и декодеров, целочисленной части, блока вычислений с плавающей запятой, блоков загрузки/выгрузки, кэша первого и второго уровня. На каждую из них приходится несколько миллионов транзисторов.

Обратимся к еще более маленькой составляющей ЦП: блоку умножения в целочисленной части ядра. Он состоит из 44 тысяч транзисторов, что составляет всего 0,00017 % от их общего количества в чипе.

Увеличив масштаб, мы увидим несколько слоёв из множества металлических соединений, которые проводят сигналы от транзисторов.

Сами транзисторы находятся под слоями этих соединений.

Для наглядности соединения были представлены в виде тонких проволочек в пространстве. На самом деле они не парят в воздухе — между ними находятся слои изоляционного материала.

Это упрощенное представление, включающее слой транзисторов и пять слоев соединений. Всего в процессоре 17 слоев соединений, расположенных друг над другом. Внизу расположены локальные соединения между компонентами ядер, посередине — соединения вокруг ядер, на самом верху — глобальные соединения между разными компонентами ЦП. Чем ближе слой к верху, тем крупнее становятся соединяющие линии.

В современных процессорах используются трехмерные транзисторы FinFET. При технологии производства Intel 7 (10 нм), размер канала транзистора составляет 36 × 6 × 52 нм, а шаг между затворами транзисторов — 57 нм.

Чтобы представить себе размер такого транзистора, можно сравнить его с митохондрией, частицей домашней пыли или человеческим волосом. Транзистор — это первая белая точка слева, митохондрия — вторая.

Как же производят чипы из таких микроскопических составляющих? Чтобы узнать это, пройдем небольшую виртуальную экскурсию по производству.

Создание пластин

Заготовки для будущих процессоров делают на заводе по производству кремниевых пластин. Основой для них служит кварцит — горная порода, из которой сложными методами очистки получается чистый кремний.

После очистки кремний расплавляется, и из него «выращивается» кристалл формы цилиндра.

С помощью лазера кристалл разрезается на множество пластин, а затем шлифуется до идеально ровной поверхности. Одна пластина имеет диаметр 30 см и толщину около 0,75 мм. У каждой из них сбоку делается небольшая выемка для указания положения кристаллической решетки, а сзади наносится серийный номер. Такие пластины очень хрупкие — стоит им упасть, и они разлетятся на множество мелких кусочков.

Устройство полупроводникового производства

После производства пластин дальнейший процесс по «готовке» процессоров происходит на полупроводниковом производстве. Общая площадь помещений такого завода, отведенная непосредственно под производство чипов, составляет десятки тысяч квадратных метров.

Внутри производственной зоны поддерживается практически стерильная чистота, так как попадание пыли на будущие чипы непременно грозит их порчей. Здесь находятся сотни различных установок для работы с кремниевыми пластинами. Каждая из них имеет размер, схожий с фургоном или автобусом.

Кремниевые пластины последовательно перемещаются от установки к установке, поочередно проходя около тысячи производственных этапов. С момента поступления пластины на производства до готовности процессоров проходит около трех месяцев.

Пластины перевозятся стопками по 25 штук в специальном герметичном контейнере (FOUP), которые передвигаются по производственному помещению благодаря подвесной транспортной системе. С нее контейнеры опускаются на загрузочную площадку принимающей установки.

Через переходное отверстие контейнера пластины забирают роботизированные манипуляторы. Они отправляют их в камеры обработки, где добавляются, обрабатываются или смываются различные материалы.

После этого пластины вновь возвращаются в контейнер и едут в нем на следующие этапы обработки в других установках.

Таким образом наносятся и обрабатываются 80 различных слоев. После окончания обработки из одной пластины могут получится 230 центральных процессора или 952 чипа оперативной памяти.

На одном заводе имеется несколько сотен установок каждого вида, которые производят одни и те же операции с пластинами. Таким образом обеспечивается массовое производство: за месяц один завод может обработать 50000 пластин или 11.5 млн процессорных чипов.

Классификация установок обработки

Установки для обработки пластин можно поделить на шесть категорий.

1. Нанесение слоев маски

2. Добавление материала

3. Удаление материала

4. Модификация материала

5. Очистка пластины

6. Проверка пластины

Как выглядят установки и как они распределяются на заводе, можно увидеть на иллюстрациях ниже.

Рассмотрим каждый вид установок подробнее.

Ввиду ограничения фотоматериалов

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ.....