Что вообще такое микропроцессор и при чем тут транзисторы

Понятным языком можно сказать так: процессор представляет собой чип внутри устройства, который производит практически все вычисления. А эти вычисления основываются на применении транзисторов. Если упростить, то чем больше транзисторов на одной плате, тем лучше (то есть производительнее) весь CPU.

Для сравнения: первым микропроцессором считается Intel 4004 (1971 года выпуска). В нем установлено 2300 транзисторов. В этом году Apple представила систему на чипе A15 Bionic — на нем основывается последнее поколение iPhone. В A15 транзисторов уже 15 млрд.

При этом еще 50 лет назад (до появления процессора Intel 4004) транзисторы были в разы массивнее. Их продавали в специализированных радиотехнических лавках, а их «ножки» предлагалось спаивать самостоятельно. Но сейчас транзисторы уменьшились настолько, что их величина составляет всего несколько нанометров (это мера длины, равная одной миллиардной части метра). Их как бы «печатают» на кремниевых пластинах. Благодаря этому миллиарды транзисторов получается помещать на платах размером в несколько сантиметров.

В сети любят приводить такое описание работы транзисторов (оно также упрощенное, но показательное): транзисторы чем-то похожи на систему кранов и труб, которые выполняют только две базовые операции — либо пропускают через себя электрический ток, либо не пропускают. Если такие «краны и трубы» соединить (есть несколько способов), то устройство получится научить производить вычисления, то есть закодировать их на чтение и преобразование операций с нулями (нет тока) и единицами (есть ток).

По сути, таким образом процессор заставляют производить суммирование, умножение, сравнивание и другие, более сложные операции. И чем сложнее комбинации подобных операций, тем сложнее получается и результат — числами можно закодировать (если хотите, зашифровать) хоть текст, хоть нейронные сети.

Какие именно операции нужно производить в данный момент времени, процессор понимает, исходя из заложенных в него инструкций (то есть команд). Таких инструкций существует много. По мере развития микропроцессоров одни инструкции сменялись другими, но сегодня остались две основные архитектуры, применяемые, как правило, в персональных компьютерах и мобильных чипах: RISC и CISC. Про это подробнее поговорим ниже (во многом мнение насчет лидирующего положения Apple связано с переходом от одного набора инструкций к другому).

Почему так важен «чистый» кремний, как на него наносят транзисторы и при чем тут закон Мура

Процессоры создаются на кремниевой основе — все благодаря подходящей для подобных целей внутренней атомной структуре. Правда, процесс «добычи» кремния и уж тем более нанесения транзисторов и других компонентов еще более дорогой и сложный. По сути, поэтому сегодня «воспроизведением» микропроцессоров в основном занимаются всего несколько производств по всему миру. Среди них — Intel, Samsung, TSMC.

Источником кремния служит песок. Его долго обрабатывают химическим способом, чтобы получить так называемый «чистый» кремний (таким он считается при чистоте 99,9%) — на его основе производятся специальные кристаллы. Чтобы сделать подобное, кремний плавят и помещают внутрь маленький кристалл, формирующий вокруг себя еще один слой кристаллической решетки.

Так повторяется несколько раз, и в итоге добывается один большой монокристалл цилиндрической формы весом под сотню килограмм. Его нарезают алмазной пилой на диски диаметром порядка 30 сантиметров — такие вы наверняка видели на фотографиях, которыми иллюстрируют производство микроэлектроники, — и уже на них после тщательной шлифовки «печатают» транзисторы.

Мы уже рассказывали про тонкости этой процедуры в отдельном материале. Если вкратце, на эти диски воздействуют светом, чтобы создать мельчайшие детали будущих интегральных схем. Процесс называется фотолитографией: изначально с помощью системы линз и зеркал на поверхности светочувствительной кремниевой пластины фокусировали лучи света, которые проходили через заранее подготовленный шаблон и запечатлевали его схему на пластине.

Со временем процесс совершенствовался. Сперва источником света для литографии выступала ртутная лампа. Потом длину волны уменьшали, переходя от ртутных ламп к лазерам со смесями различных газов. Следующим поколением лазерных технологий стали устройства, излучающие свет с длиной волны 193 нанометра.

В конце концов пришли к технологии EUV — сверхжесткого ультрафиолетового излучения на длине волны 13,5 нанометра. Эта технология настолько сложная и уникальная, что сегодня в мире ей на достаточно высоком уровне занимается только одна компания — ASML. Она поставляет другим производителям электроники станки, которые и «печатают» компоненты системы на кремниевых дисках с требуемой точностью.

Уменьшение длины волны позволяет наносить на кремний больше транзисторов уменьшенных размеров, то есть увеличивать производительность чипа при сохранении его изначальных габаритов. Вы могли слышать про закон Мура, согласно которому каждые два года количество транзисторов, размещенных на одном и том же кристалле, удваивается.

Сейчас выяснилось, что это является скорее наблюдением одного из инженеров Intel, а не непреложным правилом. Однако оно дало «маркировку» понятию техпроцесса, которым сегодня производители электроники (что самих процессоров, что базирующихся на них смартфонов, компьютеров и прочей техники) любят щеголять во время презентаций.

В настоящее время «нанометровым техпроцессом» описывается условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение их количества относительно предыдущего техпроцесса.

Если объяснять еще проще, то чем меньше цифра перед словом «нанометровый», тем лучше. Процессоры, изготовленные по 5-нанометровому техпроцессу (на момент публикации материала считается передовым решением), ощутимо мощнее и в сравнении с теми, что базируются на 7-нанометровом. Через год-два производители планируют перейти на 3-нанометровый техпроцесс. Кроме того, у перехода на меньший техпроцесс есть еще одно преимущество: каждый транзистор начинает потреблять меньше электроэнергии, тем самым улучшая энергоэффективность всего устройства.

Что такое «система на чипе»

После того как на печатную плату наносят необходимые элементы, к ядру процессора добавляют контакты, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, а сверху все это прикрывают крышкой. Последняя выполняет несколько функций: во-первых, защищает дорогостоящий кристалл с миллиардами транзисторов, а во-вторых, служит средством для отвода тепла во время работы CPU— воздушные кулеры или водяное охлаждение устанавливают на крышку не просто так.

В какой-то момент стало понятно, что чипы уже стали настолько миниатюрными, что под одной такой защитной крышкой вполне может уместиться не только сам CPU, но и другие компоненты — например, графический чип (GPU), отвечающий за вывод картинки на экран, а еще модули беспроводной связи и модемы. Решение, когда все критически важные для работы компьютера компоненты находятся вместе на одной интегральной схеме совсем рядом друг с другом, называется «система на чипе», или «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).

По сути, такие «системы на кристалле» используются практически во всей современной мобильной технике: смартфонах, планшетах, смарт-часах. В первую очередь — за счет относительно небольших габаритов и меньшего энергопотребления и тепловыделения, благодаря чему технику получается сделать мобильной. Правда, производительность подобных SoC долго оставалась существенно ниже в сравнении со «взрослыми» центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами, причем не только в ПК, но и ноутбуках.

Еще несколько лет назад дело обстояло так: существуют мощные процессоры (что графические, что центральные) для настольных компьютеров, которые производят гиганты вроде AMD и Intel, а есть относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе ARM-архитектуры для мобильных переносных девайсов — и эти два мира долго практически никак не пересекались.

Но к концу 2020 года ситуация с подачи компании Apple изменилась. Выяснилось, что подобные «системы на чипе» могут быть не просто соизмеримы по мощности со «взрослыми» аналогами, но и превосходить их, при этом сохраняя преимущество в виде намного меньшего потребления энергии. По сути, Apple пошла на рискованный шаг: начала переводить ноутбуки и настольные компьютеры на процессоры, изначально использовавшиеся только в мобильных устройствах. Компания оказалась не первой, кто пришел к такому решению, но как минимум одной из первых, кому удалось сделать это удачно.

Будущее — за ARM? И при чем тут Apple

Несколько десятилетий назад еще не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня» вроде Python, так что все команды приходилось писать машинным кодом, и каждая подобная команда обозначала какую-либо инструкцию для процессора. В общем, процесс трудоемкий, а главное, громоздкий — каждая программа получалась очень большой и трудночитаемой.

Такой подход назвали RISC (Reduced Instruction Set Computing), то есть компьютер с ограниченным набором команд. С совершенствованием технологий RISC начали развивать двумя способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первая рассчитана на «взрослые» и производительные компьютеры с процессорами от тех же Intel или AMD, которые умеют исполнять инструкции на базе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть вычислительная машина со сложным набором команд), вторая — на относительно небольшие мобильные устройства с низким потреблением энергии, исполняющие усовершенствованные и более простые инструкции RISC.

Если еще немного упростить: говорим CISC — имеем в виду «классические» процессоры от компаний Intel или AMD, говорим RISC — подразумеваем варианты мобильных «систем на чипе», как у Apple или Samsung. Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, производителю необходимо самому придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и сделать свой процессор с этой архитектурой, изменив компоновку и добавив другие модули.

Сложность в том, что программы, созданные для CISC (то есть x86, больших настольных процессоров), не способны прочитаться RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени просто так запустить на компьютере программу, созданную для смартфона, не получалось.

Решение Apple перейти в компьютерах на ARM-чипы, схожие с применяющимися в iPhone и понимающие инструкции для RISC-процессоров, называют революционным благодаря тому, что компания отыскала программный способ заставить их читать софт, созданный для старых процессоров Intel под архитектуру x86. То есть компьютеры Apple последнего поколения с фирменными чипами M1 на ARM-архитектуре универсальны и берут лучшее от двух миров: производительность, энергоэффективность и возможность чтения программ, созданных для устройств обоих типов.

Пойдут ли по такому пути другие гиганты вроде Intel и AMD? Пока однозначно утверждать это нельзя. Все же их «классические» CPU показывают не меньшую, а то и бо́льшую пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте, как правило, предназначены для компьютеров под управлением операционной системы Windows, а схожую работу по оптимизации ОС таким образом, чтобы она могла читать программы для обеих архитектур, в Microsoft еще не провели.

Читайте также:

• Эта компания делает машины, которые делают процессоры. Без нее невозможно будущее
• Учи матчасть. Выбираем смартфон по процессору

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by