Исторический выбор..

в разделе "Процессор и .." на сайте

www.electrosad.ru

Так было или то чего нет в хрониках

В середине 70х годов решалась проблема, по какой технологии делать ЧИП’ы процессоров? Она обсуждалась в кругу специалистов и даже в прессе. В то время выпускались процессоры выполненные по разным технологиям, стоял вопрос какая технология может послужить основой для массового выпуска дешевого процессора.

 

 

Рассматривались известные на тот момент технологии, они приведены в таблице:

 
ХарактеристикаПлощадь на 1 вентиль (10-3мм2)Задержка на
 1 вентиль (нс.)
Статическая мощность рассеяния (мВт/вентиль)Показатель
Мощность х Быстродействие (пДж)
Кол-во процессов легирования и диффузииКол-во этапов маскирования
n-МОП3,7-540-1000,2-0,510-5036
КМОП6,25-18,715-30<0,001347
И2Л2,5-3,7>5<0,2<13-45-7
p-МОП5-7,5>1002-320025
ТТЛ 12,5-37,5 3-10 1-3 10 4 7
ЭСTЛ 12,5-31 0,5-2 5-15 10 4-5 8-9

Таблица 1.

 

Применению ЭСТЛ и ТТЛ мешала повышенная рассеиваемая мощность и сложная технологию. Технология p-МОП при  почти полном соответствии n-МОП имело те же характеристики, но быстродействие много ниже, по причине в 3 раза меньшей подвижности носителей тока типа "p" - «дырок». И2Л на тот момент требовала второго источника питания и обязательного применения схем преобразования уровня сигналов.

Основная борьба шла между КМОП и n-МОП технологиями.

На тот момент существовали процессоры, выпускаемые по этим технологии:

p-МОП - Intel8008,

n-МОП - Intel8080 и Motorola 6800,

КМОП - COSMAC фирмы RCA,

КМОП - 1802 фирма RCA,

П2 МОП - NSC800 фирмы NSC.

При обсуждении говорилось, что КМОП сложны в технологии (см. табл.1 на 1 этап маскирования и 1 этап диффузии и легирования больше чем n-МОП), имеют большие размеры вентиля и предпочтительнее в применении там, где на первый план выходят требования пониженного потребления питания. А таковыми в то время были только микрокалькуляторы.

А n-МОП структуры при малых размерах вентиля, приемлемой задержке на вентиль, имеет более простой и отработанный технологический процесс.  Тогда, Intel остановила свой выбор на n-МОП техпроцессе, о чем было громогласно объявлено.

Тогда никто не предполагал:

  • что число транзисторов в процессоре может превысить сотню миллионов,
  • что появятся переносные компьютеры с производительностью деск топов,
  • какова станет скорость вычислений обычного компьютера,
  • что остро встанет проблема потребления энергии.

Рассмотрим эти две технологии, их положительные и отрицательные стороны с современных позиций и попытаемся понять, насколько верный выбор был сделан Intel. Тем более, что сейчас подходит момент  когда результат этого выбора становится всё более наглядным. Нагляднее всего рассматривать эти технологии на примере инверторов, как составной части всех логических схем.

 

Различия в структуре n-МОП и КМОП ячеек

Инверторы выполняют логические функции НЕ, усиления сигнала при распределении его, согласования уровня сигнала. В том или ином виде он присутствует в большинстве логических узлов.

Инверторы в современных ЧИП’ах выполняются по схеме с так называемой динамической нагрузкой. При том отличии, что в КМОП технологии в качестве динамической нагрузки работает управляемый транзистор с противоположным типом канала (Рис.1 это Т0 с каналом p-типа ).

В p или n МОП технологии (Рис.2)в качестве нагрузки применяеся стабилизатор тока, где транзистор имеет индуцированный канал, что представляет собой аналог резистора с несколько меньшим током и большим динамическим сопротивлением. В настоящее время применяется транзистор того же типа имеющий нормально открытый (встроенный) канал, имеющий ток IT0. Через канал Т0 ячейки в состоянии 0 течет ток(см. график nМОП). Этот ток и определял статическую мощность рассеяния 0,2 - 0,5 мВт/вентиль (в то время). См выше****.
 

КМОП схема

Рис.1

КМОП ток

n-МОП схема

Рис.2

n-МОП


 

Теперь сравним технические характеристики, они помогут понять существенные отличия технологий.
 

Тип / Год Технология Напряж.
питания
В.
Кол-во тр-ров/техпроц. шт/мкмПотребляемая
мощность (Макс)
Вт.
Время
выполнения
команды
мкс.
Помехо
устойчивость
В.
Intel 8008/ 1972 p-МОП +5,-93500/10112,5(0,2-0,3) Еп
Intel 8080/ 1974 n-МОП +12,+5,-54500/61,241,92,1,26(0,2-0,3) Еп
Zilog Z80/ 1976 n-МОП +585000,751,6/1,0(0,2-0,3) Еп
RCA1802/ 1977 КМОП 4-6,5 (3-12) 0,015/2,5<0,5 Еп
NSC800/197(9-?) П2-КМОП 3-12~9000/50,051,6/1,0<0,5 Еп

Таблица 2.


И если в середине 70 х годов размеры вентиля в КМОП технологии превышали n-МОП вентили в 2-3 раза, то к концу они стали равными (NSC800) при равных или лучших остальных параметрах.

И ничего не мешало на новом поколении процессоров (286) применить КМОП технологию - кроме нежелания менять накатанный технологический процесс.

 

..и его результат!

Так есть

В документации по процессорам просматривается тенденция:

  1. Технология процессоров до 8086 описывается как nМОП,
  2. Процессор 8086 -  3 micron N-channel, silicon gate technology (NMOS),
  3. Процессор 80186 - NMOS,
  4. Начиная с процессора 80286 всякие упоминания о технологии пропадают.

Есть простой признак!

При снижении загрузки процессора и в режиме ожидания чипы СМОП структуры снижают потребляемую мощность вплоть до нуля.

Чипы выполненные по n-МОП технологии при остановке потребляют от 20 до 40% максимальной мощности, это сейчас и имеет место быть. Да и не может быть иначе, инвертор n-МОП структуры в состоянии "0" потреблял 0,2-0,5 мВт/вентиль, сейчас в связи с изменениями размеров, эта цифра снизилась до примерно 3 10-4 мВт/вентиль. Это практически значения КМОП из таблицы 1, но одновременно произошло уменьшение размеров почти в 100 раз, а площади в более 5000 раз.

 Смотрите материал "Обзор процессоров Intel Pentium D 920 и Pentium D 930" http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/processors/16956 потребляемая мощность процессоров В 920 в покое/номинальная равна 39,6/100,2 Вт.

Сейчас Intel не вдается в подробности образования проводимости в канале МОП транзистора.. Иногда они рассуждают о технологии КМОП структур без конкретной информации. Похоже что ими для производства процессоров может применяется модифицированный NMOS техпроцесс достаточно близкий к КМОП, являющийся технологическим секретом фирмы. А при рассмотрении переходных процессов разница несущественна. Она существует только в мощности потребления. Ниже приведены типичные рисунки публикумые при обсуждениях.
 

 

Современные уровни тепловыделения процессоров (130 Вт) требуют применения сложных систем охлаждения процессоров (в том числе жидкостных). Они же определили высокое потребление компьютером стандартной конфигурации, мощности (за год более 120 кВт/час, при 8 часовом рабочем дне) и соответствующие суммы в рублях и долларах, тоже результат выбора.

Кроме того, этот выбор определил проблемы с которыми активно борются теперь производители носимых компьютеров – это энергопотребление. Для этого применяют специальные технологии (Micro-Ops Fusion и Dedicated Stack Management призванные обеспечить снижение энергопотребление, через более рациональное использование ресурсов) и продолжают развивать традиционные для мобильных процессоров Intel технологии энергосбережения Enhanced SpeedStep, Deeper Sleep Alert State.

P.S.

Здесь рассказано о моем взгляде на отрезк пути пройденном Intel. Весь он, это пример громогласных акций и компаний по маркетингу своей продукции. Это "Выбор технологии", а что стоит один "закон" Мура до сих пор возбуждающий интерес к продукции компании. Но одновременно есть тихие принятия ранее критикуемых решений. Эти зигзаги выразились в тихом переходе на КМОП технологии, которые вполне имеют место быть.

Ведь покой процессора весьма относителен. Особенно в современном мире мультимедиа. И потребляемая им мощность в покое как раз и может говорить о том, что "покой нам только снится". Тогда для экономии энергии в носимых компьютерах, действительно надо больше работать над оптимизацией алгоритмов работы процессоров совместно с чипсетами, памятью и видеокартами.

Может быть после прочтения у Вас осталось больше вопросов чем ответов, но по крайней мере теперь Вы представляете разницу в КМОП и nМОП технологиях!

 

Здесь нет рассказанного выше, но есть история развития компьютерной техники в датах http://www.mgul.ac.ru/~iwan/pc_history.html 

Материал подготовил А.Сорокин

  Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

 Copyright © Sorokin A.D.

AS

2002-2012