Intel и AMD постоянно конкурируют за доминирование в создании все более эффективных и доступных процессоров, тратя огромные средства и усилия на разработку. Их конкуренция является важным фактором, способствующим быстрому развитию отрасли.
Как делают процессор или ЦП: литография и упаковка
Сегодня невозможно представить себе вычислительную технику без центральных процессоров, также известных как центральные процессоры (CPU по-английски). Мы используем их в компьютерах, смартфонах и даже телевизорах, но задумывались ли вы когда-нибудь, как устроены процессоры? В этой статье мы подробно расскажем об этом и поможем вам понять, как выглядит процесс от его задумки до конечного продукта, которым мы все пользуемся.
Большинство пользователей понимают, что процессор — это простой кусок оборудования, который располагается на материнской плате и выделяет много тепла. Однако процессор состоит из тысяч компонентов, которые могут выполнять математические операции, необходимые для того, чтобы все работало. В конечном итоге, все, что делает компьютер, включая GPU / GRAPHICS PROCESSOR, должно проходить через процессор. Это очень важно, так как позволяет компьютеру выполнять следующие операции. .
Как сделан ЦП
Работа процессора может показаться волшебством, но это результат десятилетий продуманного проектирования. Поскольку транзисторы — компоненты, из которых состоит большинство процессоров, — уменьшаются в размерах, способы производства процессоров становятся все более сложными.
Мы привыкли видеть платы, заполненные десятками чипов, используемых в процессорах, но для того, чтобы их получить, необходимо выполнить ряд шагов, начиная с фотолитографии.
Сегодня транзисторы настолько малы, что производители не могут изготавливать их традиционными методами. Точные токарные станки и даже 3D-принтеры могут создавать невероятно сложные детали, обычно достигающие микрометровой точности (т.е. около 30 миллиметров в дюйме), но все же не подходящие для современных наномасштабов.
Фотолитография решает эту проблему и избавляет от необходимости перемещать сложное оборудование с предельной точностью. Вместо этого он использует свет, чтобы выгравировать изображение на кремниевом чипе, как на старом проекторе в классе, или наоборот, уменьшая рисунок до нужной точности.
Таким образом, изображение проецируется на кремниевую пластину. Кремниевые пластины обрабатываются на специальных станках (знаменитые производственные машины ASML) в очень жестких условиях и с очень высокой точностью. Пыль на пластине может полностью разрушить ее. Пластины покрыты материалом под названием фоторезистор, который реагирует на свет и оставляет след на процессоре. Затем эта метка может быть заполнена медью или другим материалом для формирования транзистора. Этот процесс повторяется много раз, подобно тому, как 3D-принтер создает слои пластика, в результате чего получаются процессоры все большего и большего размера.
Проблемы наноразмерной фотолитографии
Не имеет значения, можно ли делать транзистор все меньше и меньше, или транзистор не работает. Наноразмерные технологии ставят перед физикой множество проблем, связанных с размерами. Транзисторы должны останавливать поток электричества при закрытии, но иногда транзисторы становятся слишком маленькими, и электроны могут проходить через них. Это называется квантовым туннелированием и является основной проблемой для кремниевых инженеров.
Еще одна проблема — дефекты. Даже фотолитография ограничена в своей точности и так или иначе пропорциональна размытому изображению с проектора. Сейчас кремниевые заводы пытаются смягчить эту проблему, используя лазеры в вакуумных камерах и применяя технологию EUV (экстремальный ультрафиолет), использующую длины волн намного больше, чем длина волны человека. Однако проблемы продолжают существовать, поскольку размер продолжает уменьшаться.
В некоторых случаях дефекты можно уменьшить с помощью процесса, называемого бинированием. Если дефект затрагивает ядро процессора, это ядро закрывается, а чип продается как новый блок. Фактически, большинство серий процессоров выпускаются в одной и той же модели, но их ядра отключены, поскольку они вышли из строя, и поэтому продаются как более дешевый продукт по более низкой цене.
Там, где есть опасения по поводу дефектов, например, в кэш-памяти или других критических элементах, чипы, вероятно, отбраковываются, что снижает производительность строительства и, следовательно, повышает цены. Современные технологические узлы, такие как 7-нм и 10-нм, имеют более высокую производительность, чем 5-нм узлы, поэтому справедливо обратное утверждение, отсюда и более низкие цены.
Тактовая частота — это количество операций, выполняемых в секунду. Он измеряется в мегагерцах (МГц — миллионы в секунду) и гигагерцах (ГГц — круги на 10 секунд окружности). Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает машина.
Основные характеристики процессора
— Количество вычислительных ядер.
Многоядерный процессор — это процессор, содержащий два или более вычислительных ядра в одном процессорном чипе или в одном корпусе. Все современные процессоры являются многоядерными.
Многоядерная технология как способ повышения производительности процессоров используется уже давно. Для «домашних» компьютеров и рабочих станций предусмотрено 64 процессора Ryzen Threadripper. Для серверов на рынке есть заявки на 128 ядер.
Производительность вычислительных ядер различных архитектур варьируется в широких пределах. Однако при сравнении процессоров одной архитектуры, чем больше их (ядер), тем производительнее процессор.
— Количество нитей.
Чем больше нитей, тем лучше. Количество потоков не всегда соответствует количеству ядер процессора. Например, благодаря гиперпоточности (для Intel) и одновременной многопоточности (для AMD) четырехъядерный процессор может работать с восемью потоками и превзойти своих шестиядерных конкурентов.
— Центральный объем памяти 2 и 3 уровня.
Центральная память — это очень быстрая внутренняя память процессора, используемая как разделитель для временного хранения информации, которая будет обработана в определенное время. Подробнее об этом читайте здесь. Чем больше укрытие, тем лучше.
Не все современные процессоры имеют структуру, включающую три уровня кэша3, но это не так важно. Действительно, многие бенчмарки обнаружили, что производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпущенных между 2007 и 2011 годами и не оснащенных трехуровневым кэшем3, все еще выглядит достойно. На самом деле, кэш второго уровня очень большой.
— Частота процессора.
Здесь все просто. Чем выше частота процессора, тем выше эффективность. Однако это верно только в том случае, если речь идет о процессорах одной архитектуры. Этот показатель показывает количество операций (тактовых циклов), выполняемых процессором за единицу времени. Однако процессоры с более совершенными архитектурами обрабатывают больше информации за один тактовый цикл. В результате новые низкочастотные процессоры могут быть значительно быстрее старых высокочастотных процессоров.
Концепция технологии процесса была рассмотрена в предыдущем разделе данной статьи. Чем тоньше используемый технологический процесс, тем больше транзисторов может содержать процессор, что приводит к снижению энергопотребления и тепловыделения. Другая важная характеристика процессора, TDP, сильно зависит от технологии процессорного процесса.
Thermal Design Point — это число, которое указывает на энергопотребление процессора и количество тепла, выделяемого им во время работы. Единицей измерения является ватт. TDP зависит от многих факторов, включая количество ядер, производственный процесс и частоту процессора.
Помимо прочих преимуществ, «холодные» процессоры (TDP менее 100 Вт) подходят для «разгона», когда пользователь изменяет определенные системные настройки для увеличения частоты процессора. Разгон может увеличить производительность процессора без дополнительных вложений (в некоторых случаях на 20-25%), но это отдельный вопрос.
В то же время, проблему высокого TDP всегда можно решить, приобретя эффективную систему охлаждения (см. последний абзац этой статьи).
-Наличие и производительность видеоядра.
В дополнение к вычислительному ядру процессоры часто содержат графическое ядро. Эти процессоры не только решают основные задачи, но и могут играть роль видеокарты. Некоторых из них достаточно для того, чтобы играть в компьютерные игры, не говоря уже о фильмах, работе с текстом и других задачах.
Что такое сокет
При выборе процессора важно учитывать тип слота, на который он рассчитан.
Сокет — это гнездо или гнезда на материнской плате, в которые устанавливается процессор. Каждый процессор может быть установлен только на материнскую плату с правильным сокетом, правильного размера, количества сокетов и конструкции.
Новые слоты разрабатываются производителем процессоров, когда старые слоты уже не могут вмещать новые продукты, соответственно. Сокет LGA775 (Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000 и Core 2 Quad) уже давно используется для процессоров Intel. Затем были представлены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5 и i3) и другие сокеты. Процессорные слоты AMD также менялись на протяжении десятилетий — AM2, AM2+, AM3, AM4 и т.д. Компьютеры на базе старых сокетов уже редкость, поэтому нет причин ссылаться на старые сокеты.
Важно Если вы думаете модернизировать свой старый компьютер, купив более мощный процессор, убедитесь, что он подойдет к вашей старой материнской плате. Если нет, то вам обязательно нужно его заменить. Однако даже если прием подходит для процессора, нет никакой гарантии, что материнская плата будет работать. Логика («чипсет») системы родительской карты также важна. Необходимо убедиться, что процессор поддерживается этой архитектурой. Для получения дополнительной информации о приеме процессоров и совместимых чипсетах материнских плат нажмите здесь.
Система охлаждения процессора
Процессор должен быть правильно охлажден. Несоблюдение этого требования может привести к поломке.
Как упоминалось выше, верхняя поверхность процессора представляет собой металлический короб, который, помимо защиты, также выполняет функцию индуктора тепла. Система охлаждения установлена над процессором на материнской плате. Теплоотводы должны плотно прижиматься к поверхности процессора.
Внутри него находится слой термопасты — специального вещества, похожего на пасту и обладающего высокой теплопроводностью, для улучшения передачи тепла от процессора к радиатору системы охлаждения.
При определении размеров процессора необходимо учитывать его TDP (как описано выше в разделе «Процессор»).
Процессоры обычно продаются со стандартными системами охлаждения. Однако иногда такой эффективности может быть недостаточно (например, если процессор перегружен и с такой частотой, что увеличивает TDP). В этом случае более мощные системы охлаждения можно приобрести отдельно.
Нормальная рабочая температура процессора составляет до 50 градусов Цельсия (возможно, немного выше при максимальной нагрузке). Однако это может отличаться в зависимости от модели. Средство измерения температуры встроено в процессор. Температуру можно контролировать в режиме реального времени с помощью специального программного обеспечения (например, SpeedFan).
Современные процессоры разработаны таким образом, что при достижении критической температуры они отключаются и не включаются снова, пока не остынут. Это предотвращает их разрушение под воздействием высоких температур.
Перегрев может быть вызван неисправностью системы охлаждения, повреждением системы охлаждения, засорением пылью или высыханием термопасты.
Концепция технологии процесса была рассмотрена в предыдущем разделе данной статьи. Чем тоньше используемый технологический процесс, тем больше транзисторов может содержать процессор, что приводит к снижению энергопотребления и тепловыделения. Другая важная характеристика процессора, TDP, сильно зависит от технологии процессорного процесса.
Как делают микросхемы процессора
У Intel и AMD есть похожие технологии — используется фотолитография. Точный метод построения сложных структур процессора является коммерческой тайной и поэтому держится компаниями в секрете. Широкая общественность знает только общие принципы этого процесса.
Полированные поверхности гравируются с помощью специального фотоморфа. Материал, из которого создается дизайн будущих чипов, осаждается на кремниевой подложке. Этот материал изменяет свои природные и химические свойства под воздействием света. Конкретные области освещаются в течение строго определенного периода времени, и для этого используются стандарты со встроенными чипами.
Использованный матрас и весь лишний материал удаляется. Выше находится новый слой, на котором также создаются электрические цепи. Таким образом, возникает полупроводниковая структура, которая является основой для будущих процессоров. Слоев может быть много.
Этот процесс очень деликатный и тонкий. На момент написания этой статьи самым передовым процессом считается 14 нанометров (нм) — размер одного транзистора, составляющего микросхему. Представьте себе, сколько их можно произвести на одном чипе!
Эти полуфабрикаты помещаются в сульфат меди для создания проводящих участков. Их можно использовать для подключения логических компонентов будущих центральных процессоров. Сложность заключается в том, что такие структуры почти всегда многослойные, и элементы могут иметь до 30 слоев.
Точный способ их соединения и расположения называется архитектурой процессора. Над разработкой этой архитектуры трудятся сотни инженеров. Каждая новая модель процессора имеет более сложную архитектуру, чем предыдущая. Каждый из них должен быть спроектирован и сфотографирован для того, чтобы быть построенным.
Финальный этап
Полуфабрикаты отправляются в испытательную лабораторию, где проверяются их эксплуатационные характеристики. Процесс создания кристаллов и чипов на них автоматизирован, очень точен и выполняется в стерильных условиях, однако на выходе получается определенный процент брака.
Куски, прошедшие тест и соответствующие спецификациям, вырезаются из подложки. Осталось только закрыть верхнюю часть корпуса стальной пластиной, используемой для отвода тепла, и приварить ножки, соприкасающиеся с процессорным гнездом материнской платы.
Однако это еще не все. Готовые процессоры проходят окончательную проверку, чтобы исключить возможность дефектов. Затем их упаковывают и отправляют оптовикам, откуда они распределяются по торговым точкам.
Также может быть полезно прочитать статьи ‘Что ожидать от мощной видеокарты к слабому процессору’ и «Что такое пошаговый процессор? И как я могу узнать, как это сделать?». Спасибо всем, кто поделился этим постом в социальных сетях. До скорой встречи!
В зависимости от результатов, процессоры из одной и той же платы могут маркироваться по-разному и продаваться по разным ценам. Процессоры, которые окажутся более успешными, станут более дорогими серверными продуктами. Те, чьи близкие чихают или вздыхают, имеют какой-то дефект или изъян и могут быть отправлены на потребительскую линию.
Производители CPU
На рынке представлены два основных производителя процессоров — Intel и AMD.
Продукция Intel стоит дороже, но имеет более высокую производительность. Они потребляют меньше энергии и поэтому меньше перегреваются. Подключение к оперативной памяти хорошее.
Продукция AMD значительно отстает от Intel, но стоит дешевле. Они требуют больше энергии и не взаимодействуют с оперативной памятью или процессорами Intel.
