Hoe het proces van het harden van onderdelen in processors wordt gestart. Productie van moderne processors

CPU Dit is het hart van elke moderne computer. Elke microprocessor is in wezen een groot geïntegreerd circuit waarop transistors zich bevinden. Door elektrische stroom door te laten, kunt u met transistors binaire logische (aan - uit) berekeningen maken. Moderne processors zijn gebaseerd op 45 nm-technologie. 45 nm (nanometer) is de grootte van één transistor op de processorwafel. Tot voor kort werd vooral gebruik gemaakt van de 90 nm-technologie.

De wafels zijn gemaakt van silicium, de op één na grootste afzetting in de aardkorst.

Silicium wordt verkregen door chemische behandeling, waardoor het wordt gezuiverd van onzuiverheden. Hierna beginnen ze het te smelten en vormen ze een siliciumcilinder met een diameter van 300 millimeter. Deze cilinder wordt vervolgens met een diamantdraad in platen gesneden. De dikte van elke plaat is ongeveer 1 mm. Om ervoor te zorgen dat de plaat een ideaal oppervlak heeft, wordt deze na het snijden met draad geslepen met een speciale slijpmachine.

Hierna is het oppervlak van de siliciumwafel perfect glad. Overigens hebben veel productiebedrijven al de mogelijkheid aangekondigd om met platen van 450 mm te werken. Hoe groter het oppervlak, hoe groter het aantal transistors dat moet worden geplaatst, en hoe hoger de processorprestaties.

CPU bestaat uit een siliciumwafel op het oppervlak waarvan er maximaal negen lagen transistors zijn, gescheiden door oxidelagen voor isolatie.

Ontwikkeling van processortechnologie

Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, een van de leiders op het gebied van processorproductie ter wereld, ontdekte in 1965, op basis van zijn observaties, een wet volgens welke nieuwe modellen van processors en chips met gelijke tussenpozen verschenen. Het aantal transistors in processors groeit in twee jaar tijd ongeveer verdubbeld. Al veertig jaar werkt de wet van Gordon Moore zonder vervorming. De ontwikkeling van toekomstige technologieën staat voor de deur - er zijn al werkende prototypes gebaseerd op 32 nm- en 22 nm-processorproductietechnologieën. Tot medio 2004 was het processorvermogen voornamelijk afhankelijk van de processorfrequentie, maar sinds 2005 is de processorfrequentie vrijwel gestopt met groeien. Er is een nieuwe multi-core processortechnologie verschenen. Dat wil zeggen dat er meerdere processorkernen worden gemaakt met een gelijke klokfrequentie, en tijdens bedrijf wordt het vermogen van de kernen opgeteld. Dit verhoogt het totale processorvermogen.

Hieronder kunt u een video bekijken over de productie van processors.

Bijna iedereen weet dat het belangrijkste element van alle ‘harde’ componenten in een computer de centrale processor is. Maar de kring van mensen die begrijpen hoe een processor werkt, is zeer beperkt. De meeste gebruikers hebben hier geen idee van. En zelfs als het systeem plotseling begint te vertragen, geloven velen dat het de processor is die niet goed werkt en hechten ze geen belang aan andere factoren. Laten we, om de situatie volledig te begrijpen, enkele aspecten van de CPU bekijken.

Wat is een centrale verwerkingseenheid?

Waaruit bestaat de verwerker?

Als we het hebben over hoe een Intel-processor of zijn concurrent AMD werkt, moet je kijken naar hoe deze chips zijn ontworpen. De eerste microprocessor (trouwens, hij was van Intel, model 4040) verscheen in 1971. Het kon alleen de eenvoudigste optel- en aftrekbewerkingen uitvoeren door slechts 4 bits aan informatie te verwerken, dat wil zeggen dat het een 4-bits architectuur had.

Moderne processors zijn, net als de eerstgeborenen, gebaseerd op transistors en zijn veel sneller. Ze worden gemaakt door middel van fotolithografie van een bepaald aantal individuele siliciumwafels die een enkel kristal vormen waarin transistors worden afgedrukt. Het circuit wordt gemaakt op een speciale versneller met behulp van versnelde boorionen. In de interne structuur van processors zijn de belangrijkste componenten kernen, bussen en functionele deeltjes die revisies worden genoemd.

Belangrijkste kenmerken

Net als elk ander apparaat wordt de processor gekenmerkt door bepaalde parameters, die niet kunnen worden genegeerd bij het beantwoorden van de vraag hoe de processor werkt. Allereerst dit:

• aantal kernen;
• aantal draden;
• cachegrootte (intern geheugen);
• klokfrequentie;
• snelheid van de banden.

Laten we ons voorlopig concentreren op de klokfrequentie. De processor wordt niet voor niets het hart van de computer genoemd. Net als het hart werkt het in pulsatiemodus met een bepaald aantal slagen per seconde. De klokfrequentie wordt gemeten in MHz of GHz. Hoe hoger het is, hoe meer bewerkingen het apparaat kan uitvoeren.

Op welke frequentie de processor werkt, kunt u achterhalen aan de hand van de aangegeven kenmerken of de informatie bekijken in Maar tijdens het verwerken van opdrachten kan de frequentie veranderen en tijdens overklokken (overlocken) kan deze tot extreme limieten stijgen. De aangegeven waarde is dus slechts een gemiddelde indicator.

Het aantal cores is een indicator die het aantal verwerkingscentra van de processor bepaalt (niet te verwarren met threads - het aantal cores en threads valt mogelijk niet samen). Dankzij deze distributie is het mogelijk om bewerkingen om te leiden naar andere kernen, waardoor de algehele prestaties worden verbeterd.

Hoe een processor werkt: opdrachtverwerking

Nu iets over de structuur van uitvoerbare opdrachten. Als je kijkt naar hoe een processor werkt, moet je duidelijk begrijpen dat elke opdracht twee componenten heeft: een operationele en een operand.

Het operationele deel specificeert wat het computersysteem op dat moment zou moeten doen; de operand specificeert waar de processor aan zou moeten werken. Bovendien kan de processorkern twee rekencentra (containers, threads) bevatten, die de uitvoering van een opdracht in verschillende fasen verdelen:

• productie;
• decodering;
• uitvoering van opdrachten;
• toegang krijgen tot het geheugen van de processor zelf
• het resultaat opslaan.

Tegenwoordig wordt afzonderlijke caching gebruikt in de vorm van het gebruik van twee niveaus cachegeheugen, waardoor onderschepping door twee of meer opdrachten voor toegang tot een van de geheugenblokken wordt vermeden.

Op basis van het type opdrachtverwerking worden processors onderverdeeld in lineair (uitvoering van opdrachten in de volgorde waarin ze zijn geschreven), cyclisch en vertakkend (uitvoering van instructies na verwerking van vertakkingsvoorwaarden).

Operaties uitgevoerd

Onder de belangrijkste functies die aan de processor zijn toegewezen, in termen van de uitgevoerde opdrachten of instructies, worden drie hoofdtaken onderscheiden:

• wiskundige bewerkingen gebaseerd op een rekenkundig-logisch apparaat;
• het verplaatsen van gegevens (informatie) van het ene type geheugen naar het andere;
• een beslissing nemen over de uitvoering van een commando, en op basis daarvan kiezen om over te schakelen naar de uitvoering van andere reeksen commando's.

Interactie met geheugen (ROM en RAM)

In dit proces moeten de componenten die in acht moeten worden genomen de bus en het lees-schrijfkanaal zijn, die zijn verbonden met de opslagapparaten. ROM bevat een constante set bytes. Eerst vraagt ​​de adresbus een specifieke byte op van de ROM en draagt ​​deze vervolgens over naar de databus, waarna het leeskanaal van status verandert en de ROM de gevraagde byte levert.

Maar processors kunnen niet alleen gegevens uit RAM lezen, maar ook schrijven. In dit geval wordt het opnamekanaal gebruikt. Maar als je ernaar kijkt, zouden moderne computers, puur theoretisch, helemaal zonder RAM kunnen, omdat moderne microcontrollers de benodigde databytes rechtstreeks in het geheugen van de processorchip zelf kunnen plaatsen. Maar er is geen manier om zonder ROM te doen.

Het systeem start onder andere vanuit de hardwaretestmodus (BIOS-opdrachten) en pas daarna wordt de besturing overgedragen naar het ladende besturingssysteem.

Hoe controleer ik of de processor werkt?

Laten we nu eens kijken naar enkele aspecten van het controleren van de prestaties van de processor. Het moet duidelijk zijn dat als de processor niet zou werken, de computer helemaal niet zou kunnen beginnen met laden.

Het is een andere zaak wanneer je op een bepaald moment naar de indicator van het gebruik van processormogelijkheden moet kijken. Dit kan gedaan worden vanuit de standaard “Taakbeheer” (tegenover elk proces staat aangegeven hoeveel procent van de processorbelasting het levert). Om deze parameter visueel te bepalen, kunt u het tabblad Prestaties gebruiken, waar wijzigingen in realtime worden bijgehouden. Geavanceerde parameters kunnen worden bekeken met behulp van speciale programma's, bijvoorbeeld CPU-Z.

Bovendien kunt u meerdere processorkernen gebruiken met behulp van (msconfig) en aanvullende opstartparameters.

Mogelijke problemen

Tot slot nog een paar woorden over de problemen. Veel gebruikers vragen zich vaak af: waarom werkt de processor, maar gaat de monitor niet aan? Deze situatie heeft niets te maken met de centrale processor. Het is een feit dat wanneer u een computer aanzet, eerst de grafische adapter wordt getest en pas daarna al het andere. Misschien ligt het probleem juist in de processor van de grafische chip (alle moderne videoversnellers hebben hun eigen grafische processors).

Maar als je het voorbeeld van het functioneren van het menselijk lichaam gebruikt, moet je begrijpen dat bij een hartstilstand het hele lichaam sterft. Hetzelfde met computers. De processor werkt niet - het hele computersysteem "sterft".

Een paar jaar geleden introduceerde Intel een stapsgewijs proces voor het vervaardigen van microprocessors: van zand tot eindproduct. De eigenlijke halfgeleiderelementen zien er werkelijk verbazingwekkend uit.

Stap 1. Zand

Silicium, dat qua totale massa ongeveer 25 procent van alle chemische elementen in de aardkorst uitmaakt, is na zuurstof de tweede in overvloed. Het zand bevat een hoog percentage siliciumdioxide (SiO2), wat niet alleen het hoofdingrediënt is voor de productie van Intel-processors, maar ook voor de productie van halfgeleiders in het algemeen.

Gesmolten silicium

De stof wordt via verschillende stappen gezuiverd totdat het silicium van halfgeleiderkwaliteit produceert dat in halfgeleiders wordt gebruikt. Uiteindelijk komt het in de vorm van monokristallijne blokken met een diameter van ongeveer 300 millimeter (12 inch). Voorheen hadden de blokken een diameter van 200 millimeter (8 inch), en in 1970 - nog kleiner - 50 millimeter (2 inch).

Op dit niveau van processorproductie bedraagt ​​de kristalzuiverheid, na zuivering, één onzuiverheidsatoom per miljard siliciumatomen. Het gewicht van de staaf is 100 kilogram.

Stap 3. Het snijden van de staaf

De staaf wordt met een zeer fijne zaag in afzonderlijke plakjes gesneden, substraten genoemd. Elk van hen wordt vervolgens gepolijst om een ​​defectvrij, spiegelglad oppervlak te verkrijgen. Op dit gladde oppervlak worden vervolgens de kleine koperdraden aangebracht.

Belichting van de fotoresistlaag

Een fotoresistvloeistof (dezelfde materialen die worden gebruikt in traditionele fotografie) wordt op een substraat gegoten dat met hoge snelheid draait. Bij rotatie wordt een dunne en uniforme weerstandslaag gevormd over het gehele oppervlak van het substraat.

Een ultraviolette laser treft via een masker en een lens het oppervlak van het substraat en vormt er kleine verlichte ultraviolette lijnen op. De lens produceert een scherp beeld dat vier keer kleiner is dan het masker. Overal waar ultraviolette lijnen de weerstandslaag raken, vindt een chemische reactie plaats, waardoor deze gebieden oplosbaar worden.

Stap 5: Etsen

Het oplosbare fotoresistmateriaal wordt vervolgens volledig opgelost met behulp van een chemisch oplosmiddel. Zo wordt een chemisch etsmiddel gebruikt om een ​​kleine hoeveelheid gepolijst halfgeleidermateriaal (substraat) gedeeltelijk op te lossen of te etsen. De rest van het fotoresistmateriaal wordt verwijderd via een soortgelijk wasproces, waardoor het geëtste oppervlak van het substraat bloot komt te liggen.

Vorming van lagen

Om de kleine koperdraden te creëren die uiteindelijk elektriciteit van en naar de verschillende connectoren zullen overbrengen, worden extra fotoresisten (lichtgevoelige materialen) toegevoegd, die ook worden gewassen en belicht. Vervolgens wordt een ionendoteringsproces uitgevoerd om onzuiverheden toe te voegen en koperionenafzettingsplaatsen te beschermen tegen kopersulfaat tijdens het galvaniseerproces.

In verschillende stadia van deze processorproductieprocessen worden extra materialen toegevoegd en geëtst en gepolijst. Dit proces wordt 6 keer herhaald om 6 lagen te vormen.

Het eindproduct ziet eruit als een raster van vele microscopisch kleine koperen strips die elektriciteit geleiden. Sommigen van hen zijn verbonden met anderen, en sommige bevinden zich op een bepaalde afstand van anderen. Maar ze worden allemaal voor één doel gebruikt: elektronen overbrengen. Met andere woorden, ze zijn ontworpen om te voorzien in wat 'nuttig werk' wordt genoemd (bijvoorbeeld zo snel mogelijk twee getallen optellen, wat tegenwoordig de essentie is van het computermodel).

De verwerking op meerdere niveaus wordt herhaald op elk afzonderlijk klein deel van het substraatoppervlak waarop chips zullen worden vervaardigd. Dergelijke gebieden omvatten gebieden die zich gedeeltelijk buiten het substraat bevinden.

Stap 7: Testen

Zodra alle metaallagen zijn aangebracht en alle transistors zijn gemaakt, is het tijd voor de volgende fase van de productie van Intel-processors: testen. Bovenop de chip wordt een apparaatje met veel pinnen geplaatst. Er zijn veel microscopisch kleine draadjes aan vastgemaakt. Elke draad heeft een elektrische verbinding met de chip.

Om de werking van de chip te reproduceren, wordt er een reeks testsignalen naartoe verzonden. De tests testen niet alleen de traditionele computermogelijkheden, maar voeren ook interne diagnostiek uit om spanningswaarden, cascadesequenties en andere functies te bepalen. De reactie van de chip in de vorm van een testresultaat wordt opgeslagen in een database die speciaal is toegewezen aan een bepaald gebied van het substraat. Dit proces wordt voor elke sectie van het substraat herhaald.

Plaat snijden

Voor het zagen van de platen wordt een heel klein zaagje met een diamantpunt gebruikt. De database die in de vorige stap is gevuld, wordt gebruikt om te bepalen welke uit het substraat gesneden chips worden behouden en welke worden weggegooid.

Stap 9. Behuizing

Alle werkbladen zijn ondergebracht in fysieke behuizingen. Ook al zijn de platters vooraf getest en correct bevonden, dit betekent niet dat het goede processors zijn.

Het inkapselingsproces omvat het inkapselen van een siliciumchip in een substraatmateriaal waarop miniatuurgouddraden zijn aangesloten op de contacten of de kogelreeks. Op de achterkant van de behuizing vindt u een reeks kogelgeleiders. In het bovenste deel van de behuizing is een koellichaam geïnstalleerd. Het is een metalen behuizing. Zodra dit proces is voltooid, verschijnt de CPU als een afgewerkt product dat klaar is voor consumptie.

Opmerking: Metalen koellichaam is een belangrijk onderdeel van moderneen. Voorheen waren koellichamen van keramiek en maakten ze geen gebruik van geforceerde koeling. Het was vereist voor sommige modellen van de 8086 en 80286 en voor modellen die begonnen met de 80386. Vorige generaties processors hadden veel minder transistors.

De 8086-processor had bijvoorbeeld 29.000 transistors, terwijl moderne centrale verwerkingseenheden honderden miljoenen transistors hebben. Zo'n klein aantal transistors genereerde naar huidige maatstaven niet genoeg warmte om actieve koeling te vereisen. Om deze processors te scheiden van de processors die dit soort koeling nodig hadden, kregen de keramische chips vervolgens het label ‘Heatsink Required’.

Moderne processors genereren voldoende warmte om binnen enkele seconden te smelten. Alleen de aanwezigheid van een koellichaam aangesloten op een grote radiator en ventilator zorgt ervoor dat ze lang kunnen functioneren.

Processors sorteren op kenmerken

In deze productiefase ziet de processor er hetzelfde uit als wanneer hij in een winkel wordt gekocht. Er is echter nog een stap nodig om het productieproces te voltooien. Sorteren heet dat.

Deze stap meet de daadwerkelijke prestaties van de individuele CPU. Parameters zoals spanning, frequentie, prestatie, warmteafvoer en andere kenmerken worden gemeten.

De beste chips worden in de schappen gelegd als duurdere producten. Ze worden niet alleen verkocht als de snelste componenten, maar ook als laag- en ultralaagspanningsmodellen.

Chips die niet tot de topprocessorgroep behoren, worden vaak verkocht als processors met lagere kloksnelheden. Bovendien kunnen quad-coreprocessors uit het lagere segment worden verkocht als dual- of triple-coreprocessors.

Processorprestaties

Het sorteerproces bepaalt de uiteindelijke snelheid, spanning en thermische eigenschappen. Op een standaardsubstraat kan bijvoorbeeld slechts 5% van de geproduceerde chips werken op frequenties boven 3,2 GHz. Tegelijkertijd kan 50% van de chips op 2,8 GHz werken.

Processorfabrikanten onderzoeken voortdurend waarom de meeste van hun processors op 2,8 GHz draaien in plaats van de vereiste 3,2 GHz. Soms kunnen er wijzigingen worden aangebracht in het processorontwerp om de prestaties te verbeteren.

Winstgevendheid van de productie

De winstgevendheid van het bedrijf voor de productie van processors en de meeste halfgeleiderelementen ligt tussen 33 en 50%. Dit betekent dat minimaal 1/3 tot 1/2 van de wafers op elke wafer functioneel is, waardoor het bedrijf winstgevend is.

Intel heeft een operationele marge van 95% bij gebruik van 45 nm-technologie op een substraat van 300 mm. Dit betekent dat als het mogelijk is om 500 siliciumwafels te produceren uit één enkel substraat, er 475 functioneel zullen zijn en slechts 25 zullen worden weggegooid. Hoe meer wafels er uit één wafel kunnen worden geproduceerd, hoe meer winst het bedrijf zal maken.

Intel-technologieën die vandaag de dag worden gebruikt

Geschiedenis van het gebruik van nieuwe Intel-technologieën voor massaproductie van processors:

• 1999 - 180 nm;
• 2001 - 130 nm;
• 2003 - 90 nm;
• 2005 - 65 nm;
• 2007 - 45 nm;
• 2009 - 32 nm;
• 2011 - 22 nm;
• 2014 - 14 nm;
• 2019 - 10 nm (gepland).

Begin 2018 maakte Intel bekend dat het de massaproductie van 10nm-processors zou uitstellen tot 2019. De reden hiervoor zijn de hoge productiekosten. Op dit moment blijft het bedrijf 10nm-processors in kleine volumes leveren.

Laten we de productietechnologieën van Intel-processors karakteriseren vanuit een kostenoogpunt. Het management van het bedrijf verklaart de hoge kosten door de lange productiecyclus en het gebruik van een groot aantal maskers. De 10 nm-technologie is gebaseerd op diepe ultraviolette lithografie (DUV) waarbij gebruik wordt gemaakt van lasers die werken op een golflengte van 193 nm.

Het 7nm-proces zal gebruik maken van extreem-ultraviolette (EUV)-lithografie met behulp van lasers die werken op een golflengte van 13,5 nm. Dankzij deze golflengte zal het mogelijk zijn om het gebruik van multipatronen die veel worden gebruikt voor het 10nm-proces te vermijden.

De ingenieurs van het bedrijf zijn van mening dat het voorlopig nodig is om de DUV-technologie te verbeteren in plaats van direct over te stappen op het 7nm-proces. Voorlopig zullen processors die gebruik maken van 10nm-technologie dus worden stopgezet.

Vooruitzichten voor de productie van microprocessors bij AMD

Intel's enige echte concurrent op de markt voor processorproductie is AMD. Door de fouten van Intel in verband met de 10nm-technologie heeft AMD zijn positie op de markt enigszins verbeterd. De massaproductie van Intel met behulp van het 10 nm-proces loopt ver achter op de tijd. Het is bekend dat AMD een derde partij gebruikt om zijn chips te vervaardigen. En nu is er een situatie ontstaan ​​waarin AMD voor de productie 7nm-processorproductietechnologieën gebruikt die niet onderdoen voor hun belangrijkste concurrent.

De belangrijkste externe fabrikanten van halfgeleiderapparaten die nieuwe technologieën voor complexe logica gebruiken, zijn Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), het in de VS gevestigde GlobalFoundaries en het Koreaanse Samsung Foundry.

AMD is van plan TSMC exclusief te gebruiken om microprocessors van de volgende generatie te produceren. In dit geval zullen nieuwe processorproductietechnologieën worden gebruikt. Het bedrijf heeft al een aantal producten uitgebracht die gebruik maken van het 7nm-proces, waaronder een 7nm GPU. De eerste zal naar verwachting in 2019 worden uitgebracht. Over twee jaar is het de bedoeling om te beginnen met de massaproductie van 5-nm-chips.

GlobalFoundaries heeft de ontwikkeling van 7 nm-processen opgegeven om zich te concentreren op de ontwikkeling van zijn 14/12 nm-processen voor klanten die zich richten op snelgroeiende markten. AMD doet extra investeringen in GlobalFoundaries om de huidige generatie AMD Ryzen-, EPYC- en Radeon-processors te produceren.

Productie van microprocessors in Rusland

De belangrijkste micro-elektronische productiefaciliteiten bevinden zich in de steden Zelenograd (Mikron, Angstrem) en Moskou (Crocus). Wit-Rusland heeft ook zijn eigen micro-elektronische productie: het Integral-bedrijf, dat gebruik maakt van het technologische proces van 0,35 micron.

De productie van processors in Rusland wordt uitgevoerd door de bedrijven MCST en Baikal Electronics. De nieuwste ontwikkeling van MCST is de Elbrus-8S-processor. Dit is een 8-core microprocessor met een klokfrequentie van 1,1-1,3 GHz. De prestaties van de Russische processor zijn 250 gigaflops (floating point operations per seconde). Bedrijfsvertegenwoordigers stellen dat de processor op een aantal indicatoren zelfs kan concurreren met de marktleider, Intel.

De productie zal worden voortgezet met het Elbrus-16-model met een frequentie van 1,5 GHz (de digitale index in de naam geeft het aantal cores aan). De massaproductie van deze microprocessors zal plaatsvinden in Taiwan. Dit zou de prijs moeten helpen verlagen. Zoals u weet, is de prijs van de producten van het bedrijf exorbitant. Tegelijkertijd zijn de kenmerken van de componenten aanzienlijk inferieur aan die van toonaangevende bedrijven in deze sector van de economie. Voorlopig zullen dergelijke verwerkers alleen worden gebruikt bij overheidsorganisaties en voor defensiedoeleinden. De productietechnologie voor deze lijn processors zal de 28nm-procestechnologie zijn.

Baikal Electronics produceert processors die bedoeld zijn voor gebruik in de industrie. Dit geldt in het bijzonder voor het Baikal T1-model. Het toepassingsgebied betreft routers, CNC-systemen en kantoorapparatuur. Het bedrijf stopt daar niet en ontwikkelt al een processor voor personal computers - "Baikal M". Er is nog weinig informatie over de kenmerken ervan. Het is bekend dat het een 8-coreprocessor zal hebben met ondersteuning voor maximaal 8 grafische kernen. Het voordeel van deze microprocessor is de energie-efficiëntie.

Moderne microprocessors zijn de snelste en slimste chips ter wereld. Ze kunnen tot 4 miljard bewerkingen per seconde uitvoeren en worden geproduceerd met behulp van veel verschillende technologieën. Sinds het begin van de jaren 90 van de 20e eeuw, toen processors massaal werden gebruikt, hebben ze verschillende ontwikkelingsstadia doorlopen. Het hoogtepunt van de ontwikkeling van microprocessorstructuren met behulp van bestaande microprocessortechnologieën van de 6e generatie was 2002, toen het mogelijk werd om alle basiseigenschappen van silicium te gebruiken om hoge frequenties te verkrijgen met minimale verliezen bij de productie en creatie van logische circuits. Nu neemt de efficiëntie van nieuwe processors enigszins af, ondanks de constante toename van de werkingsfrequentie van de kristallen, omdat siliciumtechnologieën de limiet van hun mogelijkheden naderen.

Microprocessoris een geïntegreerde schakeling gevormd op een klein siliciumkristal. Silicium wordt in microschakelingen gebruikt vanwege het feit dat het halfgeleidereigenschappen heeft: de elektrische geleidbaarheid is groter dan die van diëlektrica, maar minder dan die van metalen. Van silicium kan zowel een isolator worden gemaakt, die de beweging van elektrische ladingen verhindert, als een geleider - waarna elektrische ladingen er vrijelijk doorheen kunnen gaan. De geleidbaarheid van een halfgeleider kan worden gecontroleerd door onzuiverheden in te brengen.

De microprocessor bevat miljoenen transistors die met elkaar zijn verbonden door dunne geleiders van aluminium of koper en die worden gebruikt om gegevens te verwerken. Dit is hoe interne banden worden gevormd. Als gevolg hiervan voert de microprocessor vele functies uit - van wiskundige en logische bewerkingen tot het besturen van de werking van andere chips en de hele computer.

Een van de belangrijkste parameters van de microprocessor is de frequentie van het kristal, die het aantal bewerkingen per tijdseenheid bepaalt, de frequentie van de systeembus en de hoeveelheid intern cachegeheugen. SRAM . De processor is gelabeld volgens de werkfrequentie van het kristal. De werkingsfrequentie van het kristal wordt bepaald door de frequentie van het schakelen van transistors van een gesloten toestand naar een open toestand. Het vermogen van een transistor om sneller te schakelen wordt bepaald door de productietechnologie van de siliciumwafels waaruit de chips worden gemaakt. De dimensie van het technologische proces bepaalt de afmetingen van de transistor (de dikte en poortlengte). Bij gebruik van de 90 nm-procestechnologie, die begin 2004 werd geïntroduceerd, is de transistorgrootte bijvoorbeeld 90 nm en de poortlengte 50 nm.

Alle moderne processors gebruiken veldeffecttransistors. De overgang naar een nieuw technisch proces maakt het mogelijk om transistors te maken met hogere schakelfrequenties, lagere lekstromen en kleinere afmetingen. Het verkleinen van de afmetingen verkleint tegelijkertijd het chipoppervlak en dus de warmtedissipatie, en de dunnere poort zorgt ervoor dat een lagere schakelspanning kan worden geleverd, wat ook het stroomverbruik en de warmtedissipatie vermindert.

De 90 nm-technologiestandaard bleek voor veel chipfabrikanten een behoorlijk serieuze technologische barrière. Dit wordt bevestigd door het bedrijf TSMC , dat chips produceert voor veel marktreuzen zoals bedrijven AMD, nVidia, ATI, VIA . Lange tijd was het niet in staat de productie van chips te organiseren met behulp van 0,09 micron-technologie, wat leidde tot een lage opbrengst aan bruikbare kristallen. Dit is een van de redenen waarom AMD heeft de release van zijn processors met technologie lange tijd uitgesteld SOI (Silicium - aan - Isolator ). Dit komt door het feit dat juist in deze dimensie van elementen allerlei voorheen niet zo merkbare negatieve factoren zich sterk begonnen te manifesteren, zoals lekstromen, een grote spreiding van parameters en een exponentiële toename van de warmteontwikkeling.

Er zijn twee lekstromen: poortlekstroom en subdrempellekkage. Eerst veroorzaakt door de spontane beweging van elektronen tussen het siliciumkanaalsubstraat en de polysiliciumpoort. Seconde – spontane beweging van elektronen van de source van de transistor naar de drain. Beide effecten leiden tot de noodzaak om de voedingsspanning te verhogen om de stromen in de transistor te regelen, wat de warmteafvoer negatief beïnvloedt. Dus door de grootte van de transistor te verkleinen, worden allereerst de poort en de siliciumdioxidelaag verkleind ( SiO2 ), wat een natuurlijke barrière vormt tussen de poort en het kanaal.

Enerzijds verbetert dit de snelheidsprestaties van de transistor (schakeltijd), maar anderzijds verhoogt het de lekkage. Dat wil zeggen, het blijkt een soort gesloten cyclus te zijn. De overgang naar 90 nm betekent dus opnieuw een afname van de dikte van de dioxidelaag en tegelijkertijd een toename van de lekkage. De strijd tegen lekken betekent opnieuw een verhoging van de stuurspanningen en dienovereenkomstig een aanzienlijke toename van de warmteontwikkeling. Dit alles leidde tot een vertraging bij de introductie van een nieuw technisch proces door concurrenten op de microprocessormarkt - Intel en AMD.

Eén van de alternatieve oplossingen is het gebruik van technologie SOI (silicium op isolator), dat het bedrijf onlangs heeft geïntroduceerd AMD op hun 64-bits processors. Het kostte haar echter veel moeite en het overwinnen van een groot aantal daarmee samenhangende moeilijkheden. Maar de technologie zelf biedt een groot aantal voordelen met een relatief klein aantal nadelen.

De essentie van de technologie is over het algemeen vrij logisch: de transistor wordt gescheiden van het siliciumsubstraat door nog een dunne isolatorlaag. Er zijn veel voordelen. Er is geen ongecontroleerde beweging van elektronen onder het transistorkanaal, waardoor de elektrische eigenschappen ervan één keer worden beïnvloed. Na het aanleggen van de ontgrendelingsstroom op de poort, wordt de tijd van ionisatie van het kanaal naar de bedrijfstoestand, totdat de bedrijfsstroom er doorheen stroomt, verminderd, dat wil zeggen dat de tweede sleutelparameter van de prestaties van de transistor wordt verbeterd, de tijd dat deze aan staat /uit is twee. Of u kunt met dezelfde snelheid eenvoudig de ontgrendelingsstroom verlagen - drie. Of zoek een compromis tussen het verhogen van de werksnelheid en het verlagen van de spanning. Met behoud van dezelfde poortstroom kan de toename van de transistorprestaties tot 30% bedragen; als u de frequentie hetzelfde laat, met de nadruk op energiebesparing, kan het pluspunt groot zijn - tot 50%.

Ten slotte worden de kanaalkarakteristieken voorspelbaarder en wordt de transistor zelf beter bestand tegen sporadische fouten, zoals fouten die worden veroorzaakt doordat kosmische deeltjes het kanaalsubstraat raken en dit onverwachts ioniseren. Wanneer ze nu in het substraat terechtkomen dat zich onder de isolatielaag bevindt, hebben ze op geen enkele manier invloed op de werking van de transistor. Het enige nadeel van SOI is dat de diepte van het emitter/collectorgebied moet worden verkleind, wat direct en direct invloed heeft op de toename van de weerstand naarmate de dikte afneemt.

En tot slot, derde De reden die heeft bijgedragen aan de vertraging van de frequentiegroei is de lage activiteit van concurrenten op de markt. Je zou kunnen zeggen dat iedereen bezig was met zijn eigen bedrijf. AMD was betrokken bij de wijdverbreide introductie van 64-bits processors Intel Dit was een periode van verbetering van het nieuwe technische proces, waarbij fouten werden opgespoord voor een grotere opbrengst aan bruikbare kristallen.

De noodzaak om over te schakelen naar nieuwe technische processen ligt dus voor de hand, maar het wordt voor technologen steeds moeilijker. De eerste microprocessoren Pentium (1993) werden geproduceerd met behulp van het 0,8 µm-proces en vervolgens 0,6 µm. In 1995 werd de 0,35 micron-procestechnologie voor het eerst gebruikt voor processors van de 6e generatie. In 1997 veranderde dit naar 0,25 micron en in 1999 naar 0,18 micron. Moderne processors zijn gebaseerd op technologieën van 0,13 en 0,09 micron, waarbij de laatste in 2004 werd geïntroduceerd. Zoals je kunt zien, wordt voor deze technische processen de wet van Moore in acht genomen, die stelt dat elke twee jaar de frequentie van de kristallen verdubbelt naarmate het aantal transistors ervan toeneemt. Het technische proces verandert in hetzelfde tempo. Het is waar dat in de toekomst de ‘frequentierace’ deze wet zal overtreffen. In 2006 heeft het bedrijf Intel is van plan een 65-nm-procestechnologie te ontwikkelen, en 32-nm in 2009.

Hier is het tijd om de structuur van de transistor te onthouden, namelijk een dunne laag siliciumdioxide, een isolator die zich tussen de poort en het kanaal bevindt en die een volkomen begrijpelijke functie vervult: een barrière voor elektronen die lekkage van poortstroom voorkomt.

Het is duidelijk dat hoe dikker deze laag is, hoe beter deze zijn isolerende functies vervult, maar het is een integraal onderdeel van het kanaal, en het is niet minder voor de hand liggend dat als we de lengte van het kanaal gaan verkleinen (de grootte van de transistor), dan moeten we de dikte ervan verminderen, en wel in een snel tempo. Overigens bedroeg de dikte van deze laag de afgelopen decennia gemiddeld ongeveer 1/45 van de gehele lengte van het kanaal. Maar dit proces heeft zijn einde - zoals dezelfde Intel vijf jaar geleden verklaarde: als we SiO 2 blijven gebruiken, zoals de afgelopen 30 jaar is gebeurd, zal de minimale laagdikte 2,3 nm zijn, anders zal de lekstroom van de poort het huidige zal eenvoudigweg onrealistisch worden.

Tot voor kort is er niets gedaan om subkanaallekkage te verminderen, maar nu begint de situatie te veranderen, aangezien de bedrijfsstroom, samen met de poortresponstijd, een van de twee belangrijkste parameters is die de werkingssnelheid van de transistor kenmerken, en lekkage in de uit-toestand heeft hier rechtstreeks invloed op - om de vereiste efficiëntie van de transistor te besparen, is het dienovereenkomstig noodzakelijk om de bedrijfsstroom te verhogen, met alle daaruit voortvloeiende omstandigheden.

Productie microprocessor is een complex proces dat meer dan 300 fasen omvat. Microprocessors worden gevormd op het oppervlak van dunne ronde siliciumwafels - substraten, als resultaat van een bepaalde reeks verschillende verwerkingsprocessen waarbij gebruik wordt gemaakt van chemicaliën, gassen en ultraviolette straling.

De substraten hebben doorgaans een diameter van 200 millimeter of 8 inch. Intel is echter al overgestapt op wafers met een diameter van 300 mm, oftewel 12 inch. Nieuwe platen maken het mogelijk om bijna vier keer meer kristallen te verkrijgen, en de opbrengst is veel hoger. De wafels zijn gemaakt van silicium, dat wordt gezuiverd, gesmolten en uitgegroeid tot lange cilindrische kristallen. De kristallen worden vervolgens in dunne plakjes gesneden en gepolijst totdat hun oppervlak spiegelglad en vrij van defecten is. Vervolgens wordt thermische oxidatie (filmvorming) sequentieel en cyclisch herhaald uitgevoerd SiO2 ), fotolithografie, diffusie van onzuiverheden (fosfor), epitaxie (laaggroei).

Tijdens het productieproces van microschakelingen worden de dunste materiaallagen op de blanco platen aangebracht in de vorm van zorgvuldig berekende patronen. Er kunnen tot enkele honderden microprocessors op één wafer worden geplaatst, waarvan de vervaardiging meer dan 300 handelingen vergt. Het hele proces van het produceren van processors kan in verschillende fasen worden verdeeld: het kweken van siliciumdioxide en het creëren van geleidende gebieden, het testen, het vervaardigen van de verpakking en de levering.

Het productieproces van de microprocessor begint met " groeien Op het oppervlak van de gepolijste wafer bevindt zich een isolerende laag van siliciumdioxide. Deze stap wordt uitgevoerd in een elektrische oven bij zeer hoge temperatuur. De dikte van de oxidelaag is afhankelijk van de temperatuur en de tijd die de wafer in de oven.

Dan volgt fotolithografie - een proces waarbij een patroon op het oppervlak van de plaat wordt gevormd. Eerst wordt een tijdelijke laag fotogevoelig materiaal, een fotoresist, op de plaat aangebracht, waarop een afbeelding van de transparante delen van de sjabloon, of fotomasker, wordt geprojecteerd met behulp van ultraviolette straling. Maskers worden gemaakt tijdens het processorontwerp en worden gebruikt om circuitpatronen in elke laag van de processor te vormen. Onder invloed van straling worden de belichte delen van de fotolaag oplosbaar en worden ze verwijderd met een oplosmiddel (fluorzuur), waardoor het onderliggende siliciumdioxide vrijkomt.

Blootgesteld silica wordt verwijderd met behulp van een proces genaamd " etsen "De resterende fotolaag wordt vervolgens verwijderd, waardoor een siliciumdioxidepatroon op de halfgeleiderwafel achterblijft. Als resultaat van een reeks aanvullende fotolithografische en etsbewerkingen wordt ook polykristallijn silicium, dat de eigenschappen van een geleider heeft, op de wafel aangebracht.

Tijdens de volgende operatie, genaamd " doping "worden open gebieden van de siliciumwafel gebombardeerd met ionen van verschillende chemische elementen, die negatieve en positieve ladingen in silicium vormen, waardoor de elektrische geleidbaarheid van deze gebieden verandert.

Nieuwe lagen toevoegen gevolgd door het etsen van het circuit wordt verschillende keren uitgevoerd, terwijl voor verbindingen tussen de lagen "vensters" in de lagen achterblijven, die gevuld zijn met metaal, waardoor elektrische verbindingen tussen de lagen worden gevormd. Intel gebruikte koperen geleiders in zijn 0,13 micron-procestechnologie. In het productieproces van 0,18 micron en in eerdere generaties gebruikte Intel aluminium. Zowel koper als aluminium zijn uitstekende geleiders van elektriciteit. Bij gebruik van de 0,18 μm-procestechnologie werden 6 lagen gebruikt; bij de introductie van het 90 nm-technologieproces in 2004 werden 7 lagen silicium gebruikt.

Elke laag van de processor heeft zijn eigen patroon samen; al deze lagen vormen een driedimensionaal elektronisch circuit. Het aanbrengen van lagen wordt 20 - 25 keer herhaald gedurende meerdere weken.

Om bestand te zijn tegen de spanning waaraan de substraten worden blootgesteld tijdens het laagjesproces, moeten de siliciumwafels in eerste instantie dik genoeg zijn. Voordat de wafel in individuele microprocessors wordt gesneden, wordt de dikte daarom met 33% verminderd met behulp van speciale processen en worden verontreinigingen van de achterkant verwijderd. Vervolgens wordt op de achterkant van de “dunnere” plaat een laag speciaal materiaal aangebracht, wat de daaropvolgende hechting van het kristal aan het lichaam verbetert. Bovendien zorgt deze laag na montage voor elektrisch contact tussen het achteroppervlak van de geïntegreerde schakeling en de behuizing.

Hierna worden de wafers getest om de kwaliteit van alle bewerkingen te controleren. Om te bepalen of processoren correct functioneren, worden individuele componenten getest. Als er fouten worden gedetecteerd, worden de gegevens daarover geanalyseerd om te begrijpen in welk stadium van de verwerking de fout heeft plaatsgevonden.

Vervolgens worden elektrische sondes op elke processor aangesloten en wordt stroom ingeschakeld. Processors worden getest door een computer, die bepaalt of de eigenschappen van de gefabriceerde processors aan bepaalde eisen voldoen.

Na het testen worden de wafers naar de assemblagefabriek gestuurd, waar ze in kleine rechthoeken worden gesneden, die elk een geïntegreerd circuit bevatten. Voor het scheiden van de plaat wordt een speciale precisiezaag gebruikt. Niet-functionele kristallen worden afgewezen.

Elk kristal wordt vervolgens in een afzonderlijk doosje geplaatst. De behuizing beschermt het kristal tegen invloeden van buitenaf en zorgt voor de elektrische verbinding met het bord waarop het vervolgens wordt geïnstalleerd. Kleine soldeerbolletjes, die zich op specifieke punten op de chip bevinden, worden aan de elektrische aansluitingen van de behuizing gesoldeerd. Nu kunnen elektrische signalen van het bord naar de chip en terug stromen.

In toekomstige verwerkers het bedrijf Intel technologie zal toepassen BBUL , waarmee je fundamenteel nieuwe koffers kunt creëren met minder warmteontwikkeling en minder capaciteit tussen de benen CPU.

Nadat de chip in de behuizing is geïnstalleerd, wordt de processor opnieuw getest om te bepalen of deze functioneel is. Defecte processors worden afgewezen en werkende processors worden onderworpen aan belastingstests: blootstelling aan verschillende temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden, evenals elektrostatische ontladingen. Na elke belastingstest wordt de processor getest om de functionele status ervan te bepalen. Processors worden vervolgens gesorteerd op basis van hun gedrag bij verschillende kloksnelheden en voedingsspanningen.

Processoren die de tests hebben doorstaan, worden naar de eindcontrole gestuurd, wiens taak het is om te bevestigen dat de resultaten van alle voorgaande tests correct waren en dat de parameters van de geïntegreerde schakeling voldoen aan de gevestigde normen of deze zelfs overtreffen. Alle verwerkers die de eindinspectie doorstaan, worden gemarkeerd en verpakt voor levering aan klanten.

Zolang ik me kan herinneren heb ik er altijd van gedroomd om een ​​processor te maken. Eindelijk, gisteren heb ik het gemaakt. God weet niet wat: 8 bits, RISC, de huidige werkfrequentie is 4 kHz, maar het werkt. Tot nu toe in het programma voor het modelleren van logische circuits, maar we weten allemaal: "vandaag - in het model, morgen - in werkelijkheid!"

Onder de afbeelding staan ​​verschillende animaties, een korte introductie tot binaire logica voor de kleintjes, een kort verhaal over de logica-chips van de hoofdprocessor en, in feite, het schakelschema.

Binaire logica

Het binaire getalsysteem (voor degenen die het niet weten) is een getalsysteem waarin er geen cijfers groter dan één zijn. Deze definitie brengt velen in verwarring totdat ze zich herinneren dat er in het decimale getallensysteem geen getallen groter dan negen voorkomen.

Het binaire systeem wordt in computers gebruikt omdat getallen erin gemakkelijk te coderen zijn met spanning: er is spanning, wat één betekent; geen spanning betekent nul. Bovendien kunnen ‘nul’ en ‘één’ gemakkelijk worden opgevat als ‘onwaar’ en ‘waar’. Bovendien behandelen de meeste apparaten die in het binaire getalsysteem werken getallen gewoonlijk als een reeks ‘waarheden’ en ‘onwaarheden’, dat wil zeggen dat ze werken met getallen als logische grootheden. Voor de kleintjes en degenen die het niet weten, zal ik vertellen en laten zien hoe de eenvoudigste elementen van binaire logica werken.

Bufferelement

Stel je voor dat je in je kamer zit en je vriend in de keuken is. Je roept tegen hem: "Vriend, vertel me eens, brandt er licht in de gang?" De vriend antwoordt: “Ja, het staat in brand!” of “Nee, hij staat niet aan.” Je vriend is een buffer tussen de signaalbron (de gloeilamp in de gang) en de ontvanger (jij). Bovendien is je vriend niet zomaar een buffer, maar een beheerde buffer. Hij zou een gewone buffer zijn als hij voortdurend riep: “Het licht is aan” of “Het licht is niet aan.”

Element “Niet” - NIET

Stel je nu voor dat je vriend een grappenmaker is die altijd leugens vertelt. En als het licht in de gang aan is, zal hij tegen je zeggen: ‘Nee, het is heel erg donker in de gang’, en als het niet aan is: ‘Ja, het licht is aan in de gang.’ Als je echt zo'n vriend hebt, dan is hij de belichaming van het element 'Niet'.

“Of”-element - OF

Helaas zijn één gloeilamp en één vriend niet genoeg om de essentie van het ‘Of’-element uit te leggen. Je hebt twee gloeilampen nodig. Je hebt dus twee gloeilampen in de gang: een staande lamp bijvoorbeeld en een kroonluchter. Je roept: “Vriend, vertel eens, brandt er minstens één gloeilamp in de gang?”, en je vriend antwoordt “Ja” of “Nee.” Om ‘Nee’ te kunnen antwoorden, moeten uiteraard alle lichten worden uitgeschakeld.

Element “EN” - EN

Hetzelfde appartement, jij, een vriend in de keuken, een staande lamp en een kroonluchter in de gang. Op uw vraag “Staan beide lichten aan in de gang?” je krijgt het antwoord "Ja" of "Nee". Gefeliciteerd, je vriend is nu het 'ik'-element.

Exclusief of element - XOR

Laten we het experiment nogmaals herhalen voor het ‘Of’-element, maar onze vraag aan een vriend herformuleren: ‘Vriend, vertel me eens, is er maar één gloeilamp in de gang?’ Een eerlijke vriend zal zo'n vraag alleen met 'Ja' beantwoorden als er eigenlijk maar één gloeilamp in de gang is.

Adders

Kwartier opteller

Het element ‘Exclusief of’ wordt een kwartopteller genoemd. Waarom? Laten we het uitzoeken.
Laten we een opteltabel maken voor twee getallen in het binaire getalsysteem:
0+0= 0
0+1= 1
1+0= 1
1+1= 10

Laten we nu de waarheidstabel van het ‘Exclusieve Of’-element opschrijven. Om dit te doen, duiden we de gloeiende gloeilamp aan als 1, de gedoofde gloeilamp als 0, en de antwoorden van de vriend “Ja”/“Nee” als respectievelijk 1 en 0.
0 XOR 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0

Zeer vergelijkbaar, nietwaar? De opteltabel en de waarheidstabel van ‘Exclusief Of’ vallen volledig samen, op één enkel geval na. En deze zaak wordt "Overflow" genoemd.

Halve adder

Wanneer er een overflow optreedt, wordt het resultaat van de optelling niet langer in hetzelfde aantal cijfers geplaatst als waarin de termen zijn geplaatst. De termen zijn twee getallen van één cijfer (één significant cijfer, begrijp je?), en de som is al een getal van twee cijfers (twee significante cijfers). Het is niet langer mogelijk om met één lampje twee cijfers over te brengen (“Aan”/“Uit”). Je hebt twee gloeilampen nodig. We hebben het nodig - we zullen het doen!

Naast XOR hebben we een AND-element nodig voor de opteller.
0 XOR 0 = 0 0 EN 0 = 0
0 XOR 1 = 1 0 EN 1 = 0
1 XOR 0 = 1 1 EN 0 = 0
1 XOR 1 = 0 1 EN 1 = 1

Tadam!
0+0= 00
0+1= 01
1+0= 01
1+1= 10

Onze wunderwafel-halfadder werkt. Het kan worden beschouwd als de eenvoudigste gespecialiseerde processor die twee getallen optelt. Een half-adder wordt een half-adder genoemd omdat hij geen rekening kan houden met carry (het resultaat van een andere opteller), dat wil zeggen dat hij geen drie binaire getallen van één cijfer kan optellen. In dit opzicht is het onmogelijk om één multi-bit half-opteller te maken uit meerdere enkel-bit half-optellers.

Ik zal niet in detail treden over hoe volledige en multi-bit adders werken, ik hoop alleen dat je het basisidee begrijpt.

Complexere elementen

Multiplexer

Ik stel voor dat je je fantasie opnieuw gebruikt. Dus stel je dit eens voor. U woont in een privé eengezinswoning en bij de deur van deze woning staat uw brievenbus. Terwijl je een wandeling maakt, zie je een vreemde postbode bij deze brievenbus staan. En dit is wat hij doet: hij haalt een stapel brieven uit zijn tas, leest het nummer op de brievenbus en gooit, afhankelijk van het nummer op de brievenbus, er een of andere brief in. De postbode werkt als multiplexer. Het bepaalt op een bepaalde manier (het nummer op de envelop) welk signaal (brief) er langs de signaallijn (brievenbus) moet worden verzonden.

Multiplexers bestaan ​​doorgaans alleen uit combinaties van de elementen “En”, “Of” en “Niet”. Een single-bit multiplexer heeft één ingang die ‘adresselectie’ wordt genoemd, twee ingangen met de algemene naam ‘ingangssignaal’ en één uitgang, die ‘uitvoersignaal’ wordt genoemd.

Wanneer 0 wordt toegepast op de "adresselectie", wordt het "uitgangssignaal" hetzelfde als het eerste "ingangssignaal". Dienovereenkomstig, wanneer een 1 wordt toegepast op de "select", wordt het "uitgangssignaal" gelijk aan het tweede "ingangssignaal".

Demultiplexer

Maar dit ding werkt precies het tegenovergestelde. Voor “selecteer adres” geven we het adres, voor “data input” geven we de gegevens, bij de uitgang met het nummer “adres” hebben we de gegevens van de ingang.

Balie

Om te begrijpen hoe de meter werkt, heb je opnieuw je vriend nodig. Bel hem vanuit de keuken (ik hoop dat hij zich daar niet al te verveelde, en, belangrijker nog, hij heeft niet al je eten opgegeten), en vraag hem dit te doen: laat hem het cijfer 0 onthouden. Elke keer dat je het aanraakt , moet hij er één optellen bij het getal dat u zich herinnert, het resultaat uitspreken en het onthouden. Als het resultaat (laten we zeggen) 3 is, moet hij "Abracadabra!" roepen. en de volgende keer dat hij aanraakt, reageert hij dat hij nu het cijfer 0 onthoudt. Een beetje moeilijk? Zien:

Je raakt een vriend aan. Vriend zegt "Eén".
Je raakt een vriend aan. De vriend zegt: ‘Twee.’
Je raakt een vriend aan. De vriend zegt "Drie". Een vriend roept: " Habrahabr!" Kritische aanval! U bent tijdelijk verlamd en kunt niet bewegen.
Je raakt een vriend aan. Vriend zegt "Nul".

Nou ja, enzovoort. Heel simpel, toch?
Je realiseerde je natuurlijk dat je vriend nu een teller is. Het aanraken van een vriend kan worden beschouwd als een ‘timingsignaal’ of, simpel gezegd, een signaal om door te gaan met tellen. De roep “Abracadabra” geeft aan dat de opgeslagen waarde in de teller het maximum is, en dat het volgende kloksignaal de teller op nul zal zetten. Er zijn twee verschillen tussen de binaire teller en je vriend. Ten eerste voert een echte binaire teller de opgeslagen waarde in binaire vorm uit. Ten tweede: het doet altijd alleen wat u zegt, en vervalt nooit in stomme grappen die de werking van het hele processorsysteem zouden kunnen verstoren.

Geheugen

Trekker

Laten we doorgaan met het bespotten van je ongelukkige (misschien zelfs denkbeeldige) vriend. Laat hem nu het getal nul onthouden. Als je zijn linkerhand aanraakt, moet hij het getal nul onthouden, en als je zijn rechterhand aanraakt, moet hij het getal één onthouden. Op de vraag "Welk nummer herinner je je nog?" een vriend moet altijd antwoorden met het nummer dat hij zich herinnerde: nul of één.
De eenvoudigste geheugencel is een RS-flipflop ("trigger" betekent "schakelaar"). Een RS-flipflop kan één bit aan gegevens opslaan (“nul”/“één”) en heeft twee ingangen. De Set-ingang (net als de linkerhand van je vriend) schrijft “één” naar de trigger, en de Reset-ingang (respectievelijk de rechterhand) schrijft “nul”.

Register

Het register is iets ingewikkelder. Je vriend verandert in een register als je hem vraagt ​​iets te onthouden, en dan zeg je: 'Hé, herinner me eens wat ik je heb verteld om te onthouden', en je vriend antwoordt correct.

Een register kan doorgaans niet meer dan één bit opslaan. Het heeft noodzakelijkerwijs een data-invoer, een data-uitvoer en een schrijfinvoer. Uit de gegevensuitvoer kunt u op elk moment aflezen wat er in dit register staat. U kunt de gegevensinvoer opgeven die u naar dit register wilt schrijven. U kunt gegevens indienen totdat u zich verveelt. Er zal sowieso niets naar het register worden geschreven totdat er een wordt toegepast op de schrijfinvoer, dat wil zeggen een “logische”.

Schuifregister

Heeft u ooit in de rij gestaan? Dat waren ze waarschijnlijk. Je kunt je dus voorstellen hoe het is om data in een schuifregister te zijn. Mensen komen aan het einde van de rij staan. De eerste persoon in de rij komt het kantoor van de grote speler binnen. Degene die tweede in de rij was, wordt eerste, en degene die derde was, wordt nu tweede, enzovoort. Een wachtrij is zo'n lastig schuifregister waaruit "gegevens" (nou ja, mensen) voor zaken kunnen wegrennen, nadat ze eerder de buren in de wachtrij hebben gewaarschuwd. In een echt schuifregister kunnen ‘data’ natuurlijk niet uit de wachtrij ontsnappen.

Een schuifregister heeft dus een data-ingang (waardoor data de “wachtrij” binnenkomt) en een data-uitgang (waaruit het allereerste record in de “wachtrij” kan worden gelezen). Het schuifregister heeft ook een “schuifregister”-ingang. Zodra er een ‘logische’ bij deze ingang arriveert, wordt de hele wachtrij verschoven.

Er is één belangrijk verschil tussen een wachtrij en een schuifregister. Als het schuifregister is ontworpen voor vier ingangen (bijvoorbeeld vier bytes), zal de eerste ingang in de wachtrij de uitgang van het register pas bereiken na vier signalen naar de ingang "schuifregister".

RAM

Als heel veel flip-flops worden gecombineerd tot registers, en heel veel registers worden gecombineerd in één chip, krijg je een RAM-chip. Een geheugenchip heeft gewoonlijk een adresinvoer, een bidirectionele gegevensinvoer (dat wil zeggen, naar deze invoer kan worden geschreven en gelezen) en een schrijfinvoer. We geven een nummer aan de adresinvoer en dit nummer selecteert een specifieke geheugencel. Hierna kunnen we bij de gegevensinvoer/-uitvoer lezen wat er naar deze cel wordt geschreven.
Nu sturen we tegelijkertijd naar de gegevensinvoer/uitvoer wat we naar deze cel willen schrijven, en naar de invoer voor schrijfrechten - een "logische". Het resultaat is een beetje voorspelbaar, nietwaar?

CPU

BitBitJump

Processoren worden soms onderverdeeld in CISC - processors die veel verschillende opdrachten kunnen uitvoeren, en RISC - processors die weinig opdrachten kunnen uitvoeren, maar deze wel goed uitvoeren. Op een mooie avond dacht ik: het zou geweldig zijn als het mogelijk zou zijn om een ​​volwaardige processor te maken die slechts één commando kan uitvoeren. Ik kwam er al snel achter dat er een hele klasse processors met één instructie bestaat - OISC, meestal gebruiken ze de Subleq (aftrekken, en als deze kleiner is dan of gelijk is aan nul, dan gaan) of Subeq (aftrekken, en als deze gelijk is aan nul, dan ga) instructie. Terwijl ik verschillende opties voor OISC-processors bestudeerde, vond ik de website van Oleg Mazonka, die de eenvoudigste taal met één opdracht, BitBitJump, ontwikkelde. Het enige commando in deze taal heet BitBitJump (kopieer een stukje en ga naar het adres). Deze zeker esoterische taal is Turing-compleet, dat wil zeggen dat elk computeralgoritme erin kan worden geïmplementeerd.

Een gedetailleerde beschrijving van BitBitJump en de assembler voor deze taal is te vinden op de website van de ontwikkelaar. Om het algoritme voor de werking van de processor te beschrijven, volstaat het om het volgende te weten:

1. Wanneer de processor wordt ingeschakeld, wordt 0 geschreven in de pc-, A- en B-registers
2. Lees de geheugencel met het pc-adres en sla wat we lezen op in register A
3. Verhoog de pc
4. Lees de geheugencel met het pc-adres en sla wat we lezen op in register B
5. Verhoog de pc
6. We schrijven de inhoud van de bit met adres A in de cel met het adres geschreven in register B.
7. Lees de geheugencel met het pc-adres en sla wat we lezen op in register B
8. Schrijf de inhoud van register B naar het pc-register
9. Laten we verder gaan met punt 2 van ons plan
10. WINST!!!

Helaas is het algoritme eindeloos en daarom wordt WINST niet behaald.

Eigenlijk het schema

Het plan is spontaan tot stand gekomen, dus angst, afschuw en chaos regeren. Het werkt echter, en het werkt goed. Om de processor in te schakelen, moet u:

1. Voer het programma in het RAM-geheugen in
2. Druk op de schakelaar
3. Zet de teller op positie 4 (dit kan hardwarematig worden gedaan, maar de schakeling zou nog omslachtiger worden)
4. Schakel de klokgenerator in

Zoals u kunt zien, worden één register, één schuifregister, één RAM-chip, twee binaire tellers, één demultiplexer (weergegeven door comparatoren), twee multiplexers en wat pure logica gebruikt.