VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
История, настоящее и будущее процессора с точки зрения физики
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Процессор — это главный компонент компьютера. Процессором называется устройство, который обрабатывает код программы и определяет основные назначения компьютера по обработке информации, в том числе, с помощью команд, которые даёт ему пользователь. Технически процессоры могут быть как в виде одной большого чипа, так и в виде нескольких чипов.
Актуальность: современный мир активно использует технологии, которые базируются на электронных вычислениях. Развитие технологий, по которым производился и будет производится процессор, однозначно скажется и на темпах научно-технического прогресса и на экономике. Поэтому выявление проблем, которые встают перед новым поколением процессора, представляется первостепенным.
Цель работы: проследить этапы развития процессора и показать физические и технические проблемы развития процессоров на текущий момент.
Методы исследования - анализ теоретических данных в научной литературе и Интернете.
Основная часть.
История возникновения центрального процессора.
Начало истории развития производства процессоров полностью пересекается с продвижением других электронных технических компонентов.
Первый этап:
Первые процессоры представляли собой огромные шкафы с электромеханическим реле внутри, которые дополняли ферритовыми сердечниками и вакуумными лампами. Все эти компоненты устанавливались в различного вида разъемы, которые находились в стойках. Чтобы объединить несколько стоек и обеспечить бесперебойную подачу сигнала, их скрепляли с помощью проводников (то есть, проводов) и после ряда других технических манипуляций, получался процессор
Разберём принцип работы процессора, основными элементами которого были электромеханические реле и вакуумные лампы:
Электромеханических реле – это электронное устройство, представляющий свой функционал для замыкания и размыкания электронных контактов на разных участках цепей.
Принцип работы электромеханических реле следующий: на обмотку реле подается электрический ток, который оказывает влияние на возникновение магнитного поля. Затем, после ряда технологических процессов, все эти действия замыкают или размыкают контакты, как и механические кнопки, только реле делает это без прямого участия человека.
Вакуумная лампа представляет собой обычную лампу, в которой, под действием тока, появляются свободные электроны. Но в этой лампе есть вакуум, который в свою очередь позволяет лучше переходить с катода на анод (минус на плюс). Если бы в лампе находился газ, то при сближении катода и анода образовывалась вспышка что в случае компьютера тех лет было бы не безопасно.
Второй этап:
Прогресс не стоял на месте и вместо вакуумных ламп Оскар Хейл изобрел транзистор. Это привело к тому что на одной стойке можно было разместить куда больше транзисторов из-за их маленького размера и меньшего потребления ресурсов. Благодаря транзисторам компьютеры стали мощнее и гораздо дешевле.
Транзистор это радиодеталь, состоящая из полупроводника обычно с тремя контактами для подключения. Основная функция транзистора - благодаря небольшому сигналу управлять выходной цепью, чтобы в дальнейшем преобразовывать данные в электрический сигнал.
Третий этап:
В 1970 году было предложено разместить все элементы процессора на один маленький кристалл, который был припаян к микросхеме. Благодаря размещению всех компонентов процессора в одном кристалле, процессор обрёл компактный форм-фактор, что повело за собой снижение цен и выход ЭВМ на обычный, «бытовой» рынок.
Первый микропроцессор появился 1971 году благодаря компании Intel и назывался «Intel c4004». Он мог обрабатывать только операции сложения и вычитания из четырёхбитной архитектуры.
Следом за «Intel c4004» в 1974 году вышел 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Эти модели совершили революцию в мире процессоростроения и на долгие годы закрепил 16 битную архитектуру в процессорах (16 битная архитектура просуществовала до 1985 года).
За многие поколения процессоров сменилась не одна архитектура. На сегодняшней день используется архитектура x86, изначально применяемая в компьютерах компании ibm. Можно констатировать, что на смену ей приходит более совершенная, которая носит название x86-64.
Главная особенность современной архитектуры:
Поддержка 64 битных регистров.
Улучшенная поддержка логических и арифметических целых чисел.
Поддержка большего количества виртуальных адресов.
Однако, после знакомства с этапами развития процессоров, перейдём к описанию совремнной технологии производства и проблем, которые стоят перед индустрией.
Техпроцесс - это масштабная технология, которая уменьшает полупроводник (транзистор) чтобы в дальнейшем на кристалле процессора разместить большее количество элементов. Любая электронная техника, в том числе и процессор, производится на основе минерала кремния. Причем применяется он в данных целях с первого процессора «Intel c4004» выпушенного в 1971года. Кристаллы обрабатываются посредством литографии для возможности создания отдельных транзисторов. Последние являются основополагающими элементами чипа. Основной задачей транзисторов заключается в блокировке или пропуске тока. Таким образом, логические схемы работают по двоичной системе, то есть в двух положениях - включения и выключения. Это значит, что они либо пропускают энергию (логическая единица), либо выступают в роли изоляторов. При переключении транзисторов в процессоре формируются вычисления.
При изготовлении процессоров чаще всего применяется метод фотолитографии: кристалл покрыт диэлектрической пленкой, и из него вытравливаются транзисторы с помощью света. Для этого используется оптическое оборудование, разрешающая способность которого, по сути, и является важнейшим параметром. От ее значения — от точности и чувствительности аппарата — зависит тонкость транзисторов на кристалле.
Техпроцесс в числах: Измеряется технологический процесс в нанометрах (нм). Много это или мало, если сравнивать с метром? Один нанометр является миллиардной его частью. В среднем, современные процессоры производятся по техпроцессу 14 нм.
На данном этапе развития, технологии позволяют достичь только 7 нм: 7 нанометров достигли две компании: это Apple с их процессором A12 и кампания Huawei с их процессором Kirin 980.
Сейчас перспективным остаётся размер в 2 нм, но добиться таких размеров слишком сложно. Основные проблемы такого техпроцессе — перегрев и квантовый эффект.
Квантовый эффект - это сложный парадокс квантовой механики, заключающийся в том, что в предельном случае нестабильная частица, которая является, условно, частью процессора, в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться.
К тому же, уменьшение размеров процессора ведёт к значительному удорожанию производства: сложно изготавливать шаблон для литографии, появляются более строгие требования к чистоте в помещении.
Сложности с перегревом обусловлены малым размером транзисторов. конечно, они греются не так сильно, как более крупные, но из-за микроскопических масштабов, механизмы теплоотвода требуется разрабатывать заново.
Заключение
Процессор стал самым великим научным открытием, с помощью него мы можем совершать много действия наслаждаться интерфейсом устройства, работать в интернете, писать программы для пользователей и многое другое. но с каждым годом их сложнее производить - инженеры сталкиваются с проблемами не только техническими, но и физическими, которые обсуловлены применениями разных физических законов квантовой физики.
Список использованной литературы
Карасёв А.А., Данилов Е.А. ОБЗОР ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ НА ПРИМЕРЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ INTEL // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 3-2.; URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18259 (дата обращения: 12.10.2018).
Астапов В.Н. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ (УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ) // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 12-1. – С. 87-89; URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=8724 (дата обращения: 12.10.2018).
Эволюция процессоров. // Ferra.ru, «Ферра.Ру» URL: https://www.ferra.ru/ru/system/review/processor-evolution-part-1/ (дата обращения: 12.10.18).
О микросхемах и процессорах // Технополис завтра URL: http://kramtp.info/novosti/interesnoe/full/52239 (дата обращения: 12.10.18).