1Аппаратные средства ЭВМ. 4 (стр. 4 из 43)
К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представлял собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL. В набор i386SL впервые было введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое использовалось для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающей размер игральной карты.
1.3.3 Процессоры с умножением частоты
В марте 1992 года фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486. Эти микропроцессоры, названные i486DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков микропроцессора в два раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50(66) МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцевой системой. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память на 8 Кбайт. Компьютеры, построенные на базе микропроцессоров i486DX2, работали приблизительно на 70% производительнее тех, что основаны на микропроцессорах i486DX первого поколения. Несколько позже появились процессоры i486SX2, в которых, как следует из названия, отсутствует встроенный сопроцессор.
Технология умножения частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) находила и находит широкое применение практически во всех современных процессорах. Так, после DX2, фирма Intel выпускала серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4 (кодовое название Р24С). Процессоры этого семейства - 486DX4-75 и 486DX4-100 имели кэш-память 16 Кбайт и были предназначены для установки в системные платы, работающие на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляло 3,3 В, количество транзисторов на кристалле — 1,6 миллиона.
В марте 1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60-Мегагерцевых версий процессора Pentium, известного ранее как 586 или Р5. Название нового микропроцессора является зарегистрированной торговой маркой корпорации Intel. Таким образом, в системах Intel Inside микропроцессор 586 фигурировать перестал. Системы, построенные на базе Pentium, были полностью совместимы со 100 миллионами персональных компьютеров, использовавших микропроцессоры 18088, i80286, i80386, i486. Новая микросхема содержала около 3,1 миллиона транзисторов, имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шины данных, что обеспечивало обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с. В отличие от процессоров семейства 486-х, для производства которых использовалась CMOS-технология, для Pentium фирма Intel применяла 0,8-микронную BiCMOS-технологию. Pentium с тактовой частотой 66 МГц имел производительность около 112 MIPS (миллионов инструкций в секунду). Суперскалярная архитектура содержала два пятиступенчатых блока исполнения, работавших независимо и обрабатывавших две инструкции за один такт синхронизации. Pentium имел два раздельных 8-Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Одним из наиболее интересных новшеств, использованных в Pentium, являлась небольшая кэш-память, называемая Branch Target Buffer — ВТВ (буфер меток переходов), которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости выполнения операций с плавающей точкой Pentium оставлял далеко позади всех своих "собратьев по классу" — 1486DX-33 (почти в 10 раз), 1486DX2-66 (2,5 раза). Это достигалось, в частности, благодаря реализации оптимизированных алгоритмов, а также специализированным аппаратным блокам сложения, умножения и деления с восьмиступенчатой конвейеризацией, что позволяло выполнять операции с плавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486 специального конвейера для устройств с плавающей точкой предусмотрено не было. В дальнейшем, выпускались версии процессоров второго поколения Pentium (P54C) с внутренним умножением частоты в 1,5 и 2 раза (кодовое название Р54С) на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60 и 166/66 МГц. Объявление первых моделей этих процессоров произошло в марте 1994 года. Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания для Р54С было снижено до 3,3 Вольт. Три режима энергопотребления были рассчитаны на максимальный ток 1 А, 50 мА и 100 мкА. Количество выводов возросло до 296 (рисунок 2). Размеры и тип корпуса также были изменены. Для производства кристалла была использована 0,6-микронная BiCMOS-технология. Количество транзисторов увеличено для 3,3 миллиона.
 |
Рис. 2 Процессор INTEL PENTIUM 133 МГц
Больша´я часть рынка процессоров принадлежит фирме AMD, которая начинала с производства процессоров по технологии Intel, хотя и вносила в их конструкцию значительные усовершенствования. К примеру, производство 386-х процессоров-клонов AMD практически все время сопровождалось судебными исками со стороны Intel.
Несмотря на то, что основной упор сегодня фирмы AMD и Cyrix делают на процессоры с умножением частоты, в спектре их продукции по-прежнему присутствуют и "обычные" микросхемы. Указанные фирмы всегда старались наладить выпуск процессоров, отсутствующих в производственной программе Intel, и это им хорошо удавалось. Заслуженной популярностью пользовались, например, процессоры DX и SX, рассчитанные на внешнюю тактовую частоту 40 МГц. Эти изделия по производительности превосходили I486DX-33 и I486SX-33 и предлагались по более низким ценам. То же самое можно сказать о процессорах с умножением частоты, например Am486DX2-80. Кроме того, цены на микроэлектронные изделия AMD и Cyrix обычно были, да и сейчас ниже, чем на аналогичную продукцию Intel. Стоит отметить, что с уходом Intel с рынка 486-х процессоров наряду с изделиями фирм AMD и Cyrix на нем более активно начали предлагаться электронные компоненты, например, от компаний Texas Instruments, SGS-Thomson, UMC.
Вторым после Intel производителем микропроцессоров по праву считается компания AMD. Как уже отмечалось, хотя между изделиями Texas Instruments и AMD довольно много общего, они унаследовали различную технологическую базу. Что касается фирмы AMD, то, став в свое время безусловным лидером на рынке 386-х процессоров, она после ухода Intel практически добилась того же успеха и на рынке 486-х. Так, микропроцессоры Аm486 потребляли меньшую мощность и имели некоторые усовершенствования в архитектуре, касающиеся управления памятью и организации использования ее в мультипроцессорных системах. Am486DX2/DX4 изготавливались с соблюдением технологических норм 0,5 мкм и имели напряжение питания 3,3—3,6 В. Благодаря этому до тактовой частоты 100 МГц на корпусе микросхемы было достаточно только охлаждающего радиатора, работа с более высокими частотами (включая и 100 МГц) требовала уже микровентилятора. Вообще говоря, микросхемы DX2 и DX4 представляли собой один и тот же процессор с переменным коэффициентом внутреннего умножения частоты. Как правило, значение коэффициента выбиралось соответствующей установкой перемычки на системной плате компьютера. Хотя данный кристалл в отличие от Intel DX4 имел лишь 8-Кбайтный кэш, как показывает практика, по производительности они примерно равны. Производительность Am486DX4-120 находилась на уровне Pentium 75/90. Выпускались также кристаллы, рассчитанные на тактовые частоты 133 и 160 МГц. В конце 1995 года было объявлено о появлении еще одного нового микропроцессора от AMD — Am5x86. Тактовая частота этой микросхемы составляла 133 МГц, а размер встроенной кэш-памяти с обратной записью достигал 16 Кбайт. Кристаллы производились с соблюдением технологических норм 0,35 мкм.
Проблема теплообмена стала особенно актуальной с повышением рабочей тактовой частоты процессоров и ужесточением технологических норм при производстве самих кристаллов. Заметим, что микросхема, рассеивающая более 4 Вт мощности, уже требует охлаждения. Имеются данные, показывающие, что снижение рабочей температуры процессора на 10 градусов ведет к удвоению времени его безотказной работы, при этом скорость движения электронов в полупроводниках также повышается почти вдвое.
Стандартным решением для охлаждения микропроцессоров является малогабаритный вентилятор, установленный на радиаторе (Cool-CPU). Двигатель вентилятора запитывается от блока питания компьютера через переходной разъем. Сам радиатор может снизить температуру микросхемы примерно на 20 градусов, а вентилятор позволяет довести эту цифру до 40. Например, за 1994 год было произведено около 40 миллионов подобных устройств.
Кроме обычных малогабаритных вентиляторов для охлаждения процессоров ряд фирм предлагают несколько оригинальных решений, например охлаждающие устройства, использующие термоэлектрический эффект Пелтье (Peltier). Данный эффект заключается в том, что прохождение слабого электрического тока через контакт двух специально подобранных материалов сопровождается поглощением тепла. Подобные термоэлектрические устройства способны снизить температуру на 50—70 градусов. Известны также миниатюрные вентиляторы, которые, используя вихревой, или турбулентный, эффект, могут понижать температуру до 50—55 градусов.