WYKŁAD 8 Temat: Mikroprocesory firmy INTEL 1. Wprowadzenie 2. Trendy rozwoju budowy mikroprocesorów 3. Metody zwiększania wydajności CPU 4. Najważniejsze mikroprocesory rodziny 80x86 5. Prawo Moore’a

1. Wprowadzenie Na rynku światowym obecnie dominuje dwóch producentów uniwersalnych układów cyfrowych – mikroprocesorów: A/ INTEL B/ AMD Firmę INTEL założyli 18 lipca 1968 roku Gordon E. Moore oraz Robert Noyce, a nazwa pochodzi od skrótu słów "Integrated Electronics". Na początku firma trudniła się wytwarzaniem pamięci półprzewodnikowych.

Początek - mikroprocesor Intel 4004 Twórcą pierwszego mikroprocesora był Federico Faggin. Powstał 15 listopada 1971. Zaprojektowany na zamówienie japońskiej firmy Busicom. Parametry: zegar 108 kHz 0,09 MIPS szyna danych 4 bity technologia PMOS ilość tranzystorów 2 300, wymiar technologiczny 10 mikronów pamięć adresowalna 640 bajtów pamięć programu 4 kilobajty pierwszy mikroprocesor na świecie ? używane w kalkulatorach Busicom Pierwszym na świecie procesorem był jednak ściśle tajny "chip" F14 CADC używany w samolocie Grumman F-14 Tomcat. Informacja ta została podana do publicznej wiadomości w 1998 roku Polecam: http://www.i-lo.tarnow.pl/edu/inf/hist/intel4004/pages/001.php

Federico Faggin. Ted Hoff i Stan Mazor z Intela złożyli propozycję architektury układu firmie Busicom. Fagin był kierownikiem projektu wykonał szczegółowe prace projektowe (projekt logiki, obwodu, rozkładu elementów w układzie scalonym, opracowania testera oraz programu testującego) z pomocą Masatoshi Shima, inżyniera z firmy Busicom Faggin był ekspertem w Technologii Bramki Krzemowej, którą stworzył w firmie Fairchild Semiconductor. Znał się również na architekturze komputerów będąc jednym z projektantów i konstruktorów pierwszych małych komputerów w firmie Olivetti we Włoszech przed wstąpieniem na uniwersytet, gdy miał 19 lat. Faggin opuścił firmę Intel w 1974, aby założyć Zilog – opracował w niej układ Z80.

Podpis Faggina na strukturze Podpis w kolejnych seriach po modyfikacji struktury przeniesiono na brzeg układu. Podpis na pierwszych układach był umieszczony pośrodku struktury

2. Trendy rozwoju budowy mikroprocesorów Od roku 1971 trwa ciągły wyścig w zwiększeniu mocy obliczeniowej uniwersalnych układów cyfrowych jakimi są mikroprocesory. Wyścig ten jest w dużej części związany z rozwojem grafiki komputerowej. Wprowadzane są kolejne generacje układów o zmniejszonym wymiarze technologicznym. Od 10 mikrometrów w 1971 roku do 45 - 40 nm (2009), 32 nm w 2010r i 14 nm w 2014, Od 2300 tranzystorów do 2 miliardów. Zmniejszanie wymiaru technologicznego pozwoliło na: Zwiększenie liczby tranzystorów, Zwiększenie częstotliwości taktowania (do max. 4 GHz), Umieszczenia na płytce mikroprocesora coraz to pojemniejszej pamięci podręcznej

Skalowalność tranzystora MOS

3. Metody zwiększania wydajności CPU Można bez znaczących modyfikacji architektury zwiększyć wydajność CPU dwiema drogami: - podnieść częstotliwość pracy układu lub - dodać drugi rdzeń.   Zastosowanie dwóch rdzeni pozwala wykonać teoretycznie to samo zadanie dwa razy szybciej, jeśli tylko aplikację zoptymalizujemy do pracy wielowątkowej. AMD - pierwszy zrezygnował z wyścigu w podnoszenie f zegara. Intel – linia z architekturą NetBurst pozwala teoretycznie osiągnąć 10GHz. kłopoty z P4 4GHz – ponad 100W wydzielanej mocy,

27 lipca roku 2006 przyniósł zmianę polityki firmy 27 lipca roku 2006 przyniósł zmianę polityki firmy. Sięgnięto do rozwiązań Pentium III/Pentium IV - zakończył się wyścig zegarowania (max. do 3.5 GHz) Pojawił się Intel Core 2 Duo. Zastosowano krótki potok wykonawczy (14 etapów). Cztery jednostki wykonawcze - dwa rdzenie. Pamięć podręczna do 4MB (270 mln tranzystorów). Proces technologiczny 65 nm (2007 – 45 nm). W listopadzie 2007 roku zadebiutował Yorkfield – 4 rdzenie. Rok 2008 pojawił się mikroprocesor 8 rdzeniowy. W 2009 roku Intel uruchomił proces 32 nm.

Obecnie wykorzystujemy mikroprocesory z 4 rdzeniami (2009-2010). Rdzenie są identyczne i wykonują jednakowe zlecane im zadania. W przyszłości sytuacja prawdopodobnie się zmieni. Liczba rdzeni będzie rosła. W roku 2007 Intel przedstawił 80 rdzeniowy mikroprocesor. Będzie można doprowadzić do specjalizacji rdzeni. Przyczyni się to do znacznego podniesienia wydajności układów. Rok 2009 – najszybszy na świecie The Intel® Core™ i7 Processor Extreme Edition Zarysowała się wyraźna przewaga firmy Intel

4. Najważniejsze procesory rodziny 80x86 8008 ukazał się 1 kwietnia 1972 zegar 500 KHz (8008-1: 800KHz) 0,05 MIPS szyna danych 8 bitów technologia PMOS ilość tranzystorów 3 500 wymiar technologiczny 10 mikronów pamięć adresowalna 16 kB

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Kolejno były: 8080, 8085 następnie 8086 ukazał się 8 czerwca 1978 zegar: 5MHz - 0,33 MIPS 8MHz - 0,66 MIPS 10MHz - 0,75 MIPS szyna danych 16 bit, 20 bit adresowa ilość tranzystorów 29 000 wymiar technologiczny 3 mikronów pamięć adresowalna 1 MB 10 razy szybszy od 8080

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 8088 * ukazał się 1 czerwca 1979 * zegar: o 5MHz - 0,33 MIPS o 8MHz - 0,75 MIPS * wewnętrzna architektura 16 bit * zewnętrzna szyna danych 8 bit, 20 bit adresowa * ilość tranzystorów 29 000 *wymiar technologiczny 3 mikronów * pamięć adresowalna 1 MB * odpowiednik 8086 z wyjątkiem 8-bitowej szyny danych * użyty w IBM PC i XT i klonach

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 80286 ukazał się 1 lutego 1982 zegar: 6MHz - 0,9 MIPS 8MHz, 10MHz - 1,5 MIPS 12.5MHz - 2,66 MIPS szyna danych 16 bit wbudowana sprzętowa ochrona pamięci w wielozadaniowych systemach operacyjnych ilość tranzystorów 134 000 Wymiar technologiczny 1,5 mikrona pamięć adresowalna 16 MB 3-6 razy szybszy od 8080 użyty w klonach IBM PC/AT

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 80386DX * ukazał się 17 października 1985 * zegar: o 16MHz : 5-6 MIPS o 2/16/1987 20MHz : 6-7 MIPS o 4/4/1988 25MHz 8.5 MIPS o 4/10/1989 33MHz 11,4 MIPS (9,4 SPECint92 on Compaq/i 16K L2) * szyna danych 32 bit * ilość tranzystorów 275 000 * wymiar technologiczny 1 mikron * pamięć adresowalna 4 GB * pamięć wirtualna 64 TB * pierwszy X86 chip obsługujący 32-bitowe dane * obsługuje rozszerzoną ochronę pamięci i tryb wirtualny 86

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 80486DX * ukazał się 10 kwietnia 1989 * zegar: o 25MHz 20 MIPS (16,8 SPECint92, 7,40 SPECfp92) o 5/7/1990 33MHz 27 MIPS (22,4 SPECint92 on Micronics M4P 128k L2) o 6/24/1991 50MHz 41 MIPS (33,4 SPECint92, 14,5 SPECfp92 on Compaq/50L 256K L2) * szyna danych 32 bit * ilość tranzystorów 1,2 miliona * wymiar technologiczny 1 mikron; 50MHz - 0,8 mikrona * pamięć adresowalna 4 GB * pamięć wirtualna 64 TB * pamięć cache 1 poziomu * wbudowany koprocesor arytmetyczny * 50 razy szybszy od 8088

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Pentium (60 oraz 66 MHz) * ukazał się 22 marca 1993 * zegar: o 60MHz 100 MIPS (70,4 SPECint92, 55,1 SPECfp92 on Xpress 256K L2) o 66 MHz 112 MIPS (77,9 SPECint92, 63,6 SPECfp92 on Xpress 256K L2) * szyna danych 64 bit * szyna adresowa 32 bit * ilość tranzystorów 3,1 miliona * wymiar technologiczny 0,8 mikrona * pamięć adresowana 4 GB * pamięć wirtualna 64 TB * obudowa 273 PGA * rozmiar obudowy 2,16" x 2,16" * zasilanie 5V

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Pentium II (333 MHz) * ukazał się 26 stycznia 1998 Celeron (366 i 400 MHz) * ukazał się 4 stycznia 1999 Pentium II Xeon (450 MHz) * ukazał się 5 stycznia 1999 * 1 MB and 2 MB L2 Cache Mobile Pentium MMX Technology (300 MHz) * ukazał się 7 stycznia 1999

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Pentium(r) III Xeon(tm) Processor (500 MHz) * ukazał się 17 marca 1999 * ilość tranzystorów 9,5 miliona przy 0,25 mikrona * L2 cache 512KB, 1MB lub 2MB * obudowa Single Edge Contact Cartridge (S.E.C.C.2) * szyna systemowa 100 MHz * systemowa szyna danych 64 bit * pamięć adresowana 64 GB Katmai (0,25 µm) Coppermine (0,18 µm) Coppermine-T (0,18 µm) Tualatin (0,13 µm)

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Pentium(r) 4 Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,18 mikrona (1,40 i 1,50 GHz) * ukazał się 20 listopada 2000 * zintegrowane 256KB Advanced Transfer Cache L2 * obudowa PGA423, PGA478 * szyna systemowa 400MHz * SSE2 SIMD Extensions * ilość tranzystorów 42 miliony

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 Pentium(r) 4 Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,18 mikrona "Willamette" (1,9 i 2,0 GHz) * ukazał się 27 sierpnia 2001 Pentium 4 Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,13 mikrona "Northwood A"(1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 GHz) * szyna systemowa 400 MHz Pentium 4 Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,13 mikrona "Northwood B" (2,26, 2,4, 2,53, 2,66, 2,8, 3,06 GHz) * szyna systemowa 533 MHz (3,06 zawiera HT). Mobile Intel Pentium 4 - M Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,13 mikrona (1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,2 GHz) Pentium 4 Procesor zbudowany w procesie technologicznym 0,13 mikrona "Northwood C" (2,4, 2,6, 2,8, 3,0, 3,2 GHz) * szyna systemowa 800 MHz (wszystkie wersje zawierają HT) * 6500-10000 MIPS

Najważniejsze procesory rodziny 80x86 # Pentium D Procesor zbudowny w procesie technologicznym 0,065 mikrona "smithfield", dwurdzeniowy [2,8, 3,0, 3,2 GHz (2x 1,4, 1,5, 1,6, GHz na rdzeń)] * Szyna systemowa 800MHz # Pentium EE Procesor zbudowany procesie technologicznym 0,065 mikrona [3,46, 3,73 GHz (1,73, 1,375 GHz na rdzeń)] * Extreme Edition (dwurdzeniowy z obsługą technologii Hyper Threading)

Pozycja firmy została umocniona dzięki produkcji procesora Pentium.    Obecnie firma jest największym producentem procesorów dla komputerów biurowych. Rodziny jej procesorów to (2005r.): - Pentium 4 - do komputerów klasy „desktop” - Celeron - wersja oszczędnościowa - Pentium M - zastosowania mobilne - Xeon - do zastosowań serwerowych - Itanium – do zastosowań serwerowych

Wersja do desktopów Oficjalne logo http://pclab.pl/art20995-4.html

Wersja mobilna

http://www.egielda.com.pl/?str=art&id=1536

Rok 2009 i 2010 rodzina mikroprocesorów Intela Mają odpowiedniki mobilne Max moc 55 – 18 W dla i-7 W 2009 przedstawiono rozwiązania 22 nm

Rok 2009 rodzina mikroprocesorów Intela Technologia 45 nm, moc max.130 W, architektura 64 bitowa Częstotliwość taktowania 3.20 GHz, 3.06 GHz, 2.93 GHz, 2.66 GHz (Intel Core™ i7-900 desktop series), 3.33 GHz and 3.20 GHz (Intel Core™ i7-900 desktop processor Extreme Edition series) 4 rdzenie, 8 MB Level 3 cache

Procesory Intel Core i7 zapewniają przełomową czterordzeniową wydajność i obsługują najnowsze innowacje w technologiach procesorowych: Technologia Intel® Turbo Boost  zwiększa szybkość wykonywania wymagających aplikacji, dynamicznie dopasowuje wydajność, tam gdzie jest to najbardziej potrzebne.² Technologia Intel® Hyper-Threading zwiększa liczbę wielowątkowych aplikacji wykonywanych jednocześnie. Dzięki 8 wątkom obsługiwanym przez system operacyjny praca wielozadaniowa jest o wiele prostsza.³ Intel® Smart Cache zwiększa wydajność podsystemu pamięci podręcznej. Zoptymalizowano do wiodących w branży wielowątkowych gier. Wysokowydajna magistrala Intel® QuickPath Interconnect zwiększa przepustowość danych przy mniejszym opóźnieniu. W przypadku procesora w wersji Extreme Edition osiągane szybkości przesyłania danych są rzędu 25,6 GB/s. Wbudowany kontroler pamięci z trzykanałową pamięcią DDR3 1066 MHz zwiększa przepustowość pamięci do 25,6 GB/s. Kontroler pamięci zwiększający przepustowość danych w pamięci przy mniejszym opóźnieniu zwiększa wydajność wymaganą do aplikacji przetwarzających duże bazy danych. Intel® HD Boost znacznie zwiększa zakres obsługiwanych aplikacji do multimediów i intensywnie obciążających procesor. 128-bitowe instrukcje SSE są teraz wykonywane po jednej na cykl zegara, zwiększając szybkość przetwarzania w przypadku aplikacji zoptymalizowanych do instrukcji SSE4.

Mikroprocesory mobilne o obniżonej mocy Brand Clock Speed FSB TDP (max) VIA C7®-M ULV 1.60GHz 800MHz 8W 400MHz 7.5W 1.50GHz 1.20GHz 5W 1.00GHz 3.5W 5 W 0.8 -1.5 W 45 nm proces technologiczny, moc pobierana od 1W do 2.5 W, Zawiera 47 mln tranzystorów Taktowanie 800MHz -1,83GHz http://www.notebookcheck.pl/Mobilne-procesory-rozpiska-osiagow.4344.0.html

Mikroprocesory mobilne o obniżonej mocy TDP (Thermal Design Power) to moc wydzielanego ciepła, którą trzeba odebrać z jednostki centralnej. Moc ciepła wydzielanego przez procesor jest w przybliżeniu równa mocy, którą procesor pobiera. Rozumienie terminu jest różne. Intel 'TDP' to moc, którą procesor pobiera (i oddaje w postaci ciepła) przy obciążeniu realnymi aplikacjami. Teoretycznie, w szczególnych warunkach, procesor mógłby tę moc przekroczyć i przegrzać się - w praktyce procesory posiadają odpowiednie zabezpieczenia powodujące ograniczenie pobieranej mocy, gdy temperatura procesora zbliża się do granic bezpieczeństwa. Tak więc, przy odpowiednim (niestandardowym) chłodzeniu jest możliwe uzyskanie większej mocy oraz osiągów procesora. AMD 'TDP' to teoretyczna (w rzeczywistości nieosiągalna) moc jaką procesor komputera mógłby pobierać (i oddawać w postaci ciepła). Wartość taką łatwo wyliczyć, jednak nie ma wiele wspólnego z rzeczywistością - w związku z tym, AMD również zaczęło podawać moc procesora uzyskiwaną w realnych warunkach, nazywając ją ACP (Average CPU Power). Niestety warunki pracy przy których jest uzyskiwana wartość ACP przez AMD są najprawdopodobniej inne niż warunki pracy przy których uzyskiwana jest wartość TDP przez Intela – więc nadal są to wartości nieporównywalne.

5. Prawa Moore’a Gęstość upakowania układów scalonych podwaja się co półtora roku. Wdrożenie każdej kolejnej generacji technologicznej pociąga za sobą koszty o rząd wielkości wyższe niż poprzednia.

http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm

F14 CADC (F-14A Central Air Data Computer) to mikroprocesor zaprojektowany przez Steve'a Gellera i Raya Holta na potrzeby US Navy do myśliwca F-14 Tomcat. Pierwsze egzemplarze tego układu powstały już w czerwcu 1970, a więc o ponad 12 miesięcy wcześniej, niż pierwszy mikroprocesor Intela 4004, który powszechnie uznaje się za pierwszy na świecie mikroprocesor, niemniej z powodu tajemnicy wojskowej istnienie F-14 CADC zostało ujawnione dopiero w 1998. W porównaniu z układem Intela, który był prostym, 4-bitowym procesorem, F-14 CADC był niezwykle zaawansowanym, 20-bitowym układem z techniką potokową. The MOS-LSI chips were manufactured by American Microsystems, Inc of Santa Clara, California. http://www.microcomputerhistory.com/index.html

F14 “TomCat”