Issuu on Google+

Εισαγωγή ολλοί άνθρωποι δεν αντιλαμβάνονται ότι, όταν έχουν στα χέρια τους ένα μικρό Pentium "chip" και το επεξεργάζονται, δε βλέπουν στην πραγματικότητα το chip του επεξεργαστή. Βλέπουν μια εξωτερική συσκευασία, που χρησιμοποιείται για να αποθηκευτεί το chip και του επιτρέπει να αλληλεπιδρά με τα υπόλοιπα μέρη του υπολογιστή. Το κανονικό chip είναι πάρα πολύ μικρότερο και πολύ εύθραστο. Πρόκειται για ένα τερτάγωνο ή ορθογώνιο, χημικά μεταλλαγμένο πυρίτιο, με επιφάνεια μικρότερη από το ένα τρίτο μιας τερταγωνικής ίντζας. Παρακάτω περιγράφονται τα βήματα που ακολουθούνται για το φυσικό σχεδιασμό και την κατασκευή ενός chip. Πολλές από αυτές τις περιγραφές είναι κατάλληλες και για τα πιο πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα, όχι μόνο για επεξεργαστές. Στην πραγματικότητα, σε ένα σύγχρονο υπολογιστή όλα τα chips που υπάρχουν σε μία μητρική πλακέτα ή σε κάρτες επέκτασης, είναι κατασκευασμένα χρησιμοποιώντας αρχές και τεχνικές παρόμοιες με αυτές που περιγράφονται εδώ. Οι επεξεργαστές, ωστόσο είναι η κορυφή, καθώς πρόκειται για τα μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα κυκλώματα.Οι περιγραφές εδώ φυσικά είναι απλουστευμένες. Η κατασκευή ημιαγωγών είναι ένα πολύ σύνθετο τεχνικά θέμα που δε θα μπορούσε να περιγραφεί μέσα σε λίγες παραγράφους.

Υλικά ημιαγωγών και κατασκευή πλακέτας πυριτίου Οι επεξεργαστές είναι κατασκευασμένοι από ημιαγώγιμο υλικό. Ημιαγωγοί είναι υλικά που επιτρέπουν την έλευση του ηλετρισμού μόνο κάτω από ορισμένες συνθήκες και έτσι είναι ιδανικοί για τη δημιουργία πολύ μικρών, υψηλής ταχύτητας transistors που υλοποιούν τους σύγχρονους επεξεργαστές. Μόνο ορισμένα υλικά είναι κατάλληλα για χρήση σε ημιαγωγούς. Το πιο συνηθισμένο και ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό για δημιουργία ημιαγωγών είναι το πυρίτιο. Χρησιμοποιείται για επεξεργαστές, μνήμες και για τα περισσότερα chips. Ένα άλλο συνηθισμένο υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ημιαγωγών είναι το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), το οποίο δε χρησιμοποιείται ευρέως, αλλά σε ειδικές εφαρμογές. Το πυρίτιο έχει κάποια πλεονεκτήματα που το καθιστούν ιδανικό στη χρήση της κατασκευής ημιαγωγών. Προφανώς, είναι ημιαγώγιμο υλικό. Επίσης έχει διάφορα κατασκευαστικά πλεονεκτήματα που το κάνουν ιδανικό: υπάρχει άφθονο και έτσι είναι φτηνό στην ακατέργαστη μορφή του. Το πιο σημαντικό όμως είναι ότι μπορεί να αναπτυχθεί σε ένα ενιαίο κρύσταλλο. Το πρώτο βήμα για την κατασκευή ενός chip είναι η ανάπτυξη ενός τέτοιου μεγάλου κρυστάλλου πυριτίου. Αυτή η αρχή είναι περίπου παρόμοια με τη δημιουργία κρυστάλλων ζάχαρης μέσα σε μια κούπα νερό, ωστόσο χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές.


Κρύσταλλοι πυριτίου

Οι κρύσταλλοι αυτοί είναι πολύ μεγάλοι, το συνηθισμένο τους μέγεθος είναι 8 ίντσες σε διάμετρο και είναι πολύ πιθανό να αυξηθεί σε 12 ίντσες πολύ σύντομα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο κρύσταλλος, τόσο περισσότερα chips μπορούν να δημιουργηθούν από αυτόν και υπάρχει λιγότερο χαμένο υλικό, με αποτέλεσμα την εξοικονόμιση χρημάτων. Σε αντίθεση με το ακατέργαστο πυρίτιο, οι κρύσταλλοι αυτοί είναι ακριβοί εξαιτίας της ακριβής τεχνολογίας που χρησιμοποιείται για την κατασκευή τους και την πολύ υψηλή ποιότητα των προτύπων που απαιτούνται για να γίνει ένας κρύσταλλος κατάλληλος για χρήση στην κατασκευή ενός chip. Ένας απλός, υψηλής ποιότητας κρύσταλλος χρησιμοποιείται για την κατασκευή πολλών εκατοντάδων επεξεργαστών. Αυτοί οι μεγάλοι κρύσταλλοι κόβονται σε πολύ λεπτούς δίσκους από υψηλής ακρίβειας κόπτες. Αυτές οι λεπτές φέτες από ημιαγώγιμο υλικό μετά υφίστανται μια διαδικασία που τις μετατρέπει σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Κάθε κρύσταλλος κόβεται σε εκατοντάδες λεπτές φέτες, πιο λεπτές από 1mm και διάμετρο 8 ίντσες. Όσο πιο λεπτές είναι οι φέτες, τόσες περισσότερες μπορούν να δημιουργηθούν από ένα απλό κρύσταλλο, αλλά τόσο πιο εύθραυστες είναι και πολύ πιο δύσκολο να επεξεργαστούν. Οι φέτες υφίστανται μεγάλη επεξεργασία πριν να γίνουν έτοιμες για χρήση.

Λογικός Σχεδιασμός Ο πραγματικός σχεδιασμός του μικροεπεξεργαστή γίνεται πρώτα σε λογικό επίπεδο. Ο επεξεργαστής ορίζεται όσον αφορά την επιθυμητή λειτουργία του, με τι εντολές που θα είναι καθορισμένος να λειτουργεί και πως τα δεδομένα θα μετακινούνται μεταξύ των λογικών μερών του. Αυτή η υψηλού επιπέδου σχεδίαση ξεκινάει από ένα θεμελιώδες επίπεδο και προχωράει σε πιο λεπτομερή, όπου τα διάφορα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά του chip καθορίζονται με μεγάλη λεπτομέρεια, όπως το πως οι εντολές θα αποκωδικοποιούνται και πως οι μονάδες ελέγχου θα λειτουργούν. Πρόκειται για μια πολύ συντομή περιγραφή της διαδικασίας σχεδιασμού, που απαιτεί εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες μηχανικούς και παίρνει μήνες ή και χρόνια,


κάτι το οποίο εξαρτάται από το πόσο εξελιγμένη είναι η σχεδίαση του νέου επεξεργαστή, καθώς και πόσα από τα χαρακτηριστικά είναι δανεισμένα από τις προηγούμενες σχεδιάσεις. Καθώς ο επεξεργαστής έχει πλήρως καθοριστεί με αυτό τον τρόπο, σχεδιάζεται φυσικώς. Τα πραγματικά απαραίτητα transistors για την υλοποίηση του σχεδιασμού καθορίζονται και ένα φυσικός χάρτης δημιουργείται, ο οποίος δείχνει πως το chip πρέπει να κατασκευαστεί. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει μόνο μια σχεδίαση, που σχεδιάζεται κατά αυτό τον τρόπο μια φορά. Πρόκειται για μια επαναληπτική διαδικασία με αλλαγές που γίνονται συνεχώς στο σχεδιασμό, εξαιτίας των λαθών, των βελτιώσεων, των θεμάτων αγοράς ή των αρχών της κατασκευής.

Φωτολιθογραφία: η δημιουργία του chip Αφού ο σχεδιασμός του επεξεργαστή έχει ολοκληρωθεί και οι χαμηλού επιπέδου χάρτες του transistor έχουν καθοριστεί, πρέπει να δημιουργηθούν τα chips. Τα chips κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φωτολιθογραφία. Απλοϊκά, μπορούμε να πούμε ότι τα transistors και τα εσωτερικά καλώδια φτιάχνονται από τους ημιαγωγούς, προσθέτοντας διαφορετικά επίπεδα από διάφορα υλικά σε συγκεκριμένα μέρη, το ένα μετά το άλλο. Όταν δύο επίπεδα επικαλύπτονται ένα transistor σχηματίζεται. Ένας σύγχρονος επεξεργαστής κατασκευάζεται από δώδεκα ή και περισσότερα τέτοια επίπεδα.

Δημιουργία επιπέδων

Ένα ειδικό σύστημα υπολογιστή παίρνει το σχεδιασμό του transistor και τον χωρίζει σε αυτά τα διαφορετικά επίπεδα, κάθε ένα από τα οποία αποκαλείται μάσκα. Το όνομα αυτό προέρχεται από τον τρόπο με τον οποίο το chip πραγματικά γίνεται. Μια πλάκα πυριτίου επικαλύπτεται από μια φωτοευαίσθητη ουσία και μετά το φως εκπέμπει ακτινοβολία, μέσω της μάσκας πρώτου επιπέδου, στη φέτα. Στα μέρη που επιτρέπει η μάσκα το φως να περάσει στην πλάκα, εκεί χημικά μεταβάλλεται, δημιουργώντας το πρώτο επίπεδο στο chip. Μετά, ένα άλλο χημικό χρησιμοποιείται για να επικαλύψει το πρώτο και η διαδικασία συνεχίζεται με την επόμενη μάσκα. Με αυτό τον τρόπο, τα χαρακτηριστικά του chip ενσσωματώνονται στο πυρίτιο, ανά


επίπεδο.

Δημιουργία μάσκας

Για να επιτύχουν την σμίκρυνση, που δίνει στον επεξεργαστή τη μεγάλη του δύναμη σε μικρό μέγεθος, τα χαρακτηριστικά (transistors και εσωτερικά καλώδια) του επεξεργαστή συρρικνώνονται σε μικροσκοπικό μέγεθος, μικρότερο από ένα εκατομμυριοστό του μέτρου. Κάθε μάσκα πρέπει να δημιουργηθεί σχεδιάζοντας τα χαρακτηριστικά της σε αυτό το μέγεθος και επίσης, η συσκευή που κάνει τη φωτολιθογραφία πρέπει να είναι ικανή να εστιάσει το φως με τέτοια ακρίβεια. Προφανώς οι συσκευές αυτές είναι πάρα πολύ ακριβείς και αφάνταστα ακριβές.

Χαρακτηριστικά επεξεργαστών Η ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων ενός προσωπικού υπολογιστή εξαρτάται κατά πολύ από τα χαρακτηριστικά του επεξεργαστή του. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε τα κυριότερα χαρακτηριστικά των επεξεργαστών που χρησιμοποιούνται στους προσωπικούς υπολογιστές καθώς και το πώς επηρεάζουν τη συνολική ταχύτητα του υπολογιστή. Συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή Όπως έχουμε δει, οι επεξεργαστές για να λειτουργήσουν χρειάζονται ένα ρολόι. Σε κάθε κύκλο (χτύπο) του ρολογιού ο επεξεργαστής κάνει ένα βήμα στην εκτέλεση του προγράμματος. Συνεπώς, κάθε λειτουργία που εκτελεί ο επεξεργαστής χρειάζεται τουλάχιστον έναν κύκλο ρολογιού. Συνήθως οι επεξεργαστές, ειδικά αυτοί παλιότερης τεχνολογίας, χρειάζονται αρκετούς κύκλους ρολογιού για την εκτέλεση κάθε λειτουργίας. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή είναι η συχνότητα του ρολογιού του, ορίζεται ως το πλήθος των κύκλων του ρολογιού αυτού ανά δευτερόλεπτο και μετριέται σε Hertz ή σε συντομία Hz (1 Ηζ = ένας κύκλος ρολογιού ανά δευτερόλεπτο). Επειδή στους σύγχρονους επεξεργαστές το ρολόι έχει συχνότητα μερικά εκατομμύρια κύκλους ανά δευτερόλεπτο, η συχνότητα λειτουργίας τους μετριέται σε MHz (1 MHz = 1 εκατομμύριο Hz). Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή τόσο


γρηγορότερος είναι ο επεξεργαστής αυτός. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή, όμως, δεν μπορεί να αποτελέσει κριτήριο σύγκρισης μεταξύ επεξεργαστών διαφορετικής τεχνολογίας. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε επεξεργαστής, ανάλογα με την τεχνολογία του, μπορεί να χρειάζεται διαφορετικό αριθμό κύκλων ρολογιού για την εκτέλεση της ίδιας λειτουργίας. Έτσι, για παράδειγμα, ο επεξεργαστής 8088, που είναι ο πρώτος επεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε σε προσωπικό υπολογιστή, χρειάζεται κατά μέσο όρο 12 κύκλους ρολογιού για την εκτέλεση μιας απλής εντολής. Αντίθετα, επεξεργαστές νεό��ερης τεχνολογίας χρειάζονται έναν ή δύο κύκλους για την εκτέλεση της ίδιας εντολής, ενώ άλλοι επεξεργαστές μπορούν να εκτελούν ακόμη και αρκετές εντολές σε κάθε κύκλο ρολογιού. Είναι πιθανό λοιπόν επεξεργαστές που λειτουργούν σε μια συγκεκριμένη συχνότητα λειτουργίας να είναι γρηγορότεροι από άλλους που λειτουργούν στην ίδια ή ακόμα και μεγαλύτερη συχνότητα λειτουργίας. Εύρος διαδρόμου δεδομένων Ο διάδρομος δεδομένων του επεξεργαστή είναι αυτός που επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του επεξεργαστή, της μνήμης και των περιφερειακών μονάδων. Το εύρος του διαδρόμου δεδομένων καθορίζει πόσες γραμμές έχει ο διάδρομος αυτός, πόσα, δηλαδή, bits μπορεί να μεταφέρει ταυτόχρονα. Όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος του διαδρόμου δεδομένων τόσο περισσότερα δεδομένα μπορεί να μεταφέρει και, επομένως, τόσο γρηγορότερος είναι ο επεξεργαστής. Έτσι, για παράδειγμα, αν ένας επεξεργαστής με εύρος διαδρόμου δεδομένων 32 bits θέλει να γράψει στη μνήμη 4 bytes (4X8 bits ανά byte = 32 bits), μπορεί να το κάνει σε ένα βήμα, αφού μπορεί να μεταφέρει μέσω του διαδρόμου δεδομένων και τα 32 bits ταυτόχρονα. Αντίθετα, ένας επεξεργαστής με εύρος διαδρόμου δεδομένων 8 bits, για να γράψει τα ίδια 4 bytes στη μνήμη, πρέπει να κάνει τέσσερις διαδοχικές εγγραφές σε αυτή, δεδομένου ότι μπορεί να μεταφέρει μέσω του διαδρόμου δεδομένων μόνο 1 byte (8 bits) τη φορά. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές είναι δυνατό να έχουν πολλούς εσωτερικούς διαδρόμους δεδομένων, καθένας από τους οποίους μπορεί ενδεχομένως να έχει διαφορετικό εύρος. Όταν όμως αναφερόμαστε στο εύρος του διαδρόμου δεδομένων ως ένα από τα χαρακτηριστικά του επεξεργαστή, τότε μιλάμε για το εύρος του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων, αυτού, δηλαδή, που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του επεξεργαστή με τη μνήμη και τις περιφερειακές μονάδες. Εύρος διαδρόμου διευθύνσεων Ο διάδρομος διευθύνσεων του επεξεργαστή μεταφέρει την πληροφορία της διεύθυνσης της μνήμης την οποία πρόκειται να προσπελάσει ο επεξεργαστής. Στην ουσία, στο διάδρομο διευθύνσεων εμφανίζεται σε δυαδική μορφή η διεύθυνση της θέσης μνήμης, στην οποία θα γραφούν τα δεδομένα που υπάρχουν στο διάδρομο δεδομένων ή από την οποία θα διαβαστούν τα δεδομένα που περιέχει η θέση αυτή. Το εύρος του διαδρόμου διευθύνσεων καθορίζει το πλήθος των bits που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της διεύθυνσης της θέσης μνήμης. Έτσι, για παράδειγμα, στην απλούστατη περίπτωση όπου ο διάδρομος διευθύνσεων έχει εύρος 3 bits όλες οι δυνατές διευθύνσεις θέσεων μνήμης είναι οι ΟΟΘ, 001, 010, 011, 100, 101, 110 και 111. Επομένως, ο επεξεργαστής μπορεί να προσπελάσει το πολύ 23=8 θέσεις μνήμης. Όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος του διαδρόμου διευθύνσεων τόσο περισσότερες θέσεις μνήμης μπορεί να προσπελάσει ο επεξεργαστής. Οι


σύγχρονοι επεξεργαστές διαθέτουν διάδρομο δεδομένων με εύρος 32 ή και 36 bits, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να προσπελάσουν 232 (περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια) και 236 (περίπου 68 δισεκατομμύρια) θέσεις μνήμης αντίστοιχα. Εύρος καταχωρητών Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό του επεξεργαστή είναι το εύρος των καταχωρητών του. Το εύρος αυτό ορίζει το μέγιστο μήκος σε bits των δεδομένων που μπορεί να διαχειριστεί ο επεξεργαστής με μία εντολή. Έτσι, για παράδειγμα, ένας επεξεργαστής με εύρος καταχωρητών 32 bits μπορεί με μια εντολή να προσθέσει δύο αριθμούς των 32 bits, που είναι αποθηκευμένοι σε δύο καταχωρητές του και να αποθηκεύσει το αποτέλεσμα σε έναν τρίτο καταχωρητή. Το εύρος των καταχωρητών ενός επεξεργαστή έχει άμεσο αντίκτυπο στην ταχύτητα με την οποία επεξεργάζεται δεδομένα. Για την ίδια πρόσθεση (που αναφέρθηκε παραπάνω ότι γίνεται με μια εντολή) ένας επεξεργαστής με εύρος καταχωρητών 16bits, για να προσθέσει τους δύο αριθμούς των 32 bits, πρέπει να εκτελέσει δύο εντολές πρόσθεσης των 16 bits. Για την εκτέλεση της ίδιας λειτουργίας ένας επεξεργαστής με εύρος καταχωρητών 16 bits χρειάζεται τουλάχιστον το διπλάσιο χρόνο από έναν επεξεργαστή με εύρος καταχωρητών 32 bits. Επιπλέον, ο πρώτος πρέπει να χρησιμοποιήσει διπλάσιο αριθμό καταχωρητών εύρους 16 bits για την αποθήκευση των παραπάνω αριθμών. Το εύρος των καταχωρητών ενός επεξεργαστή είναι στην ουσία το εύρος του εσωτερικού διαδρόμου δεδομένων. Το εύρος αυτό όμως δεν είναι κατ' ανάγκη ίδιο με το εύρος του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων. Υπάρχουν επεξεργαστές με εύρος εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων μικρότερο από το εύρος των καταχωρητών τους. Τέτοιος είναι ο επεξεργαστής 8088 της Intel. Ο επεξεργαστής αυτός έχει εύρος καταχωρητών 16 bits, ενώ το εύρος του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων είναι μόλις 8 bits. Συνηθισμένη είναι επίσης και η αντίθετη σχεδίαση, όπου το εύρος των καταχωρητών είναι μικρότερο από το εύρος του διαδρόμου δεδομένων. Ένας επεξεργαστής που ακολουθεί αυτή τη σχεδίαση είναι ο επεξεργαστής Pentium της Intel. Ο επεξεργαστής αυτός έχει εύρος καταχωρητών 32 bits, ενώ το εύρος του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων είναι 64 bits. Στους επεξεργαστές αυτούς υπάρχουν συνήθως δύο ή περισσότερα παράλληλα κυκλώματα, που λειτουργούν ταυτόχρονα και μπορούν να χρησιμοποιούν τη μνήμη ή τις περιφερειακές μονάδες συγχρόνως, χρησιμοποιώντας το καθένα ένα μέρος του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων. Έτσι, για παράδειγμα, ο επεξεργαστής Pentium μπορεί μεταφέρει μέσω του εξωτερικού διαδρόμου δεδομένων 64 bits δεδομένων από τη μνήμη ταυτόχρονα σε δύο καταχωρητές του των 32 bits. Τάση λειτουργίας Η τάση λειτουργίας ενός επεξεργαστή έχει άμεση σχέση με την ισχύ που καταναλώνει. Όπως είναι γνωστό, όσο μεγαλύτερη είναι η τάση λειτουργίας ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς που καταναλώνει. Η κατανάλωση ισχύος του επεξεργαστή είναι ένας σημαντικός παράγοντας λειτουργίας του προσωπικού υπολογιστή. Ο παράγοντας αυτός έχει ιδιαίτερη σημασία στους φορητούς υπολογιστές, δεδομένου ότι όσο μικρότερη είναι η κατανάλωση ισχύος του επεξεργαστή τόσο περισσότερο χρόνο μπορεί να λειτουργήσει ο φορητός υπολογιστής με τις μπαταρίες του. Η κατανάλωση ισχύος του επεξεργαστή έχει άμεση σχέση με τη θερμότητα που παράγεται από αυτόν. Όσο περισσότερη ισχύ καταναλώνει τόσο


περισσότερη θερμότητα παράγει, πράγμα που έχει ως συνέπεια την αύξηση της θερμοκρασίας του επεξεργαστή. Όταν ο επεξεργαστής λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες, μειώνεται η διάρκεια ζωής του και είναι πιθανόν να παρουσιαστούν σφάλματα στη λειτουργία του. Η πιθανότητα παρουσίασης τέτοιων σφαλμάτων μεγαλώνει όσο αυξάνεται η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή. Η απαγωγή της θερμότητας που παράγει ο επεξεργαστής, για να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα η θερμοκρασία του, μπορεί να αποτελέσει πρόβλημα. Ειδικά στους φορητούς υπολογιστές, στους οποίους τα διάφορα εξαρτήματα είναι τοποθετημένα πολύ κοντά το ένα στο άλλο για να είναι όσο το δυνατό μικρότερο το μέγεθος του υπολογιστή, η απαγωγή της θερμότητας είναι πολύ δύσκολη. Για τους παραπάνω λόγους, επιδιώκεται να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη η τάση λειτουργίας του επεξεργαστή. Η ελάχιστη τιμή της τάσης αυτής καθορίζεται από την τεχνολογία κατασκευής του επεξεργαστή. Στις πρώτες γενιές επεξεργαστών η χρησιμοποιούμενη τεχνολογία δεν επέτρεπε τάσεις λειτουργίας μικρότερες από 5V. Στους σύγχρονους επεξεργαστές η τάση αυτή μπορεί να είναι ως και 1,8V.

Έλεγχος, Πακετάρισμα και Εκτίμηση της ταχύτητας Εξαιτίας της υπερβολικής ακρίβειας που απαιτείται για να δημιουργηθούν τα chips των ημιαγωγών, πάντα υπάρχουν περιπτώσεις που το αποτέλεσμα στο chip που δημιουργήθηκε δεν είναι καλό. Συνεπώς, πρέπει να ελεγχθούν ξεχωριστά, για να βεβαιωθούμε ότι εκτελούν όλες τις αναγκαίες λειτουργίες. Οι πρώτοι έλεγχοι γίνονται κατά τη διάρκεια κατασκευής. Γίνονται για να ελέγξουν βασικές λειτουργίες, καθώς κάποια chips δε λειτουργούν καθόλου, εξαιτίας κάποιων κατασκευαστικών ή υλικών ελλατωμάτων. Το πακετάρισμα αναφέρεται στην τοποθέτηση του μικροσκοπικού chip σε μια μεγαλύτερη συσκευασία, έτσι ώστε να μπορεί να τοποθετηθεί σε μια πλακέτα κυκλώματος. Πρόκειται για ένα τετράγωνο με πολλούς ακροδέκτες, που βλέπουμε όταν κοιτάμε ένα επεξεργαστή. Το πακετάρισμα είναι μια πολύ σύνθετη διαδικασία, εξαιτίας της ακρίβειας που απαιτείται για να γίνουν οι συνδέσεις πάνω στο chip καθώς και του μεγάλου αριθμού ακροδεκτών (εκατοντάδες).


Πακετάρισμα του chip

Ο τελικός έλεγχος γίνεται στο chip για να καθοριστεί η σωστή του χρήση και να εκτιμηθεί η ταχύτητά του. Εξαιτίας των ίδιων παραγόντων (μεταβολών) που καθιστούν ένα chip άχρηστο, κάποια είναι ικανά να περάσουν τον έλεγχο με μεγαλύτερη ένταση ρεύματος και αυτό τα κάνει πιο γρήγορα από τα άλλα. Παρόμοιοι επεξεργαστές, όπως ο Pentium 133 MHz και ο Pentium 150 MHz, είναι ουσιαστικά κατασκευασμένοι στις ίδιες γραμμές και με τις ίδιες πλάκες πυριτίου. Κάποια chips από αυτά δεν μπορούν να περάσουν τον έλεγχο ή πιθανόν να παράγουν μεγαλύτερη θέρμανση από τα επιτρεπτά όρια, συνεπώς εκτιμάται ότι πρέπει να μειωθεί η ταχύτητά τους. Σε μερικές περιπτώσεις, ειδικές γραμμές παραγωγής δημιουργούνται για να παράγουν κομμάτια συγκεκριμένης ταχύτητας, αλλά περιστασιακά κάποια chips μπορεί να σημειωθούν με διαφορετική ταχύτητα από αυτή που προσπάθησαν να κατασκευαστούν, για να ικανοποιηθούν οι ανάγκες της αγοράς.

Απόδοση παραγωγής Η απόδοση της διαδικασίας παραγωγής του chip α��αφέρεται στο πόσοι, προς πώληση επεξεργαστές, μπορούν να παραχθούν. Αυτό μπορεί να είναι ένα απόλυτο νούμερο (chips ανά μέρα, για παράδειγμα) ή ένας συντελεστής που αναφέρεται στο ποσοστό των συνολικών chips που κατασκευάζονται και περνούν τους ελέγχους και συνεπώς μπορούν να πωληθούν. Φυσικά, όσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση, τόσο περισσότερα chips μπορούν να παραχθούν στο ίδιο κόστος, πράγμα που επιτρέπει τη μείωση του κόστους και συνεπώς και των τιμών. Οι κατασκευαστές chip είναι ικανοί να μειώσουν το κόστος με τον καιρό, καθώς αποκτούν μεγαλύτερη γνώση στη κατασκευή του αντικειμένου με μια συγκεκριμένη τεχνολογία και έτσι μπορούν να αυξήσουν την απόδοσή τους πάρα πολύ. Στην γλώσσα των κατασκευαστών αυτό αναφέρεται ως "πτώση της καμπύλης μάθησης". Κάθε φορά που παρουσιάζεται ένας νέος επεξεργαστής, δημιουργείται μια νέα καμπύλη μάθησης, που συμβάλλει στο αρχικό υψηλό κόστος της νέας τεχνολογίας.

Τεχνολογική πρόοδος Υπάρουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι επεξεργαστών, οι οποίοι διαφέρουν όσον αφορά τον τρόπο που σχηματίζουν τα transistors στο πυρίτιο. Οι διαφορές μεταξύ τους είναι τεχνικές και για αυτό το λόγο δεν θα μπούμε σε τέτοιες λεπτομέρειες. Η διαδικασία που χρησιμοποιείται για να κατασκευαστούν τα chips έχει σημασία για τα εξής θέματα: • Ελάχιστο μέγεθος κυκλώματος και χαρακτηριστικών, που αναφέρεται στο πως μπορεί να γίνει πολύ μικρός ο επεξεργαστής και


στο πόσα transistors μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα δεδομένο χώρο. • Μέγιστη ταχύτητα λειτουργίας του chip. • Ανάγκες ηλεκτρικής τάσης. • Δημιουργία θερμότητας και κατανάλωση ενέργειας, που στην ουσία αποτελούν επέκταση των προηγούμενων τριών. Οι περισσότεροι επεξεργαστές σήμερα, είναι δημιουργημένοι χρησιμοποιώντας τη CMOS τεχνολογία. Το "CMOS" προκύπτει από το "ComplementaryMetal Oxide Semiconductor" και αναφέρεται σε μια ειδική μέθοδο δημιουργίας transistors στο πυρίτιο. Παλαιότεροι υπολογιστές χρησιμοποιούσαν διαφορετική τεχνολογία. Ο πρώτος 8088 για παράδειγμα, χρησιμοποιούσε ΝMOS. Ο Pentium επεξεργαστής χρησιμοποιεί BiCMOS, από το "bipolar CMOS" (διπολικό CMOS) και έχει κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σχέση με το CMOS. Η Intel έχει επιστρέψει στο CMOS ως πρότυπο, σήμερα, καθώς επιτρέπει μεγαλύτερες ταχύτητες επεξεργασίας και χαμηλή τάση, ώστε να κρατήσει τη χρήση ενέργειας σε εύχρηστα επίπεδα.

Η εξέλιξη της τεχνολογίας στην κατασκευή του chip

Μέγεθος κυκλώματος Το μέγεθος κυκλώματος ή μέγεθος χαρακτηριστικών, αναφέρεται στο επίπεδο σμίκρυνσης του επεξεργαστή. Για να δημιουργηθούν πιο ισχυροί επεξεργαστές, χρειάζονται περισσότερα transistors. Για να τοποθετηθούν περισσότερα transistors στον ίδιο χώρο, πρέπει συνεχώς να γίνονται όλο και μικρότερα. Καθώς ο επεξεργαστής γίνεται γρηγορότερος και πιο πυκνός, η κατανάλωση ενέργειας και η παραγωγή θερμότητας γίνονται βασικά θέματα. Το μέγεθος του κυκλώματος είναι ένας περιοριστικός παράγοντας στην ταχύτητα του επεξεργαστή, κυρίως λόγω της παραγωγής θερμότητας. Επίσης έχει καθοριστική σημασία και για το μέγεθος του "καλουπιού" (η μικρή περιοχή πάνω στο chip, πάνω στην οποία τοποθετούνται όλα τα transistors). Η τεχνολογική πρόοδος συνεχίζει να επιτρέπει τη συρρίκνωση των κυκλωμάτων. Κάποτε θεωρούταν αδύνατο να συρρικνωθεί το μέγεθος ενός καλουπιού σε λιγότερο από ένα ένα εκατομμυριοστό του μέτρου (micron). Οι περισσότεροι επεξεργαστες σήμερα χρησιμοποιούν τεχνολογία της τάξεως του 0.25 εκατομμυριοστού.


Μέγεθος "καλουπιού" (die size) Το μέγεθος "καλουπιού" του επεξεργαστή αναφέρεται στο μέγεθος της φυσικής επιφάνειας πάνω στην πλακέτα πυριτίου. Τυπικά, υπολογίζεται σε τετραγωνικά χιλιοστά (mm2). Στην πραγματικότητα, ένα "καλούπι" είναι ένα κανονικό chip, αλλά αναφερόμαστε σε αυτό μόνο όταν συζητάμε τις φυσικές παραμέτρους του chip και κατασκευασικά θέματα.

Το "καλούπι" του επεξεργαστή Η σημασία του μεγέθους του "καλουπιού" είναι φανερή. Όσο μικρότερο το chip, τόσα περισσότερα μπορούν να κατασκευαστούν από μια απλή φέτα πυριτίου. Μεγαλύτερο μέγεθος "καλουπιού" σημαίνει λιγότερα chips από την ίδια φέτα και έτσι μεγαλύτερο συνολικό κόστος. Ένα μεγαλύτερο "καλούπι" επίσης, οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας. Οι τρεις βασικοί παράγοντες που καθορίζουν το μέγεθος του "καλουπιού" είναι το μέγεθος των κυκλωμάτων, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται και φυσικά, η σχεδίαση του ίδιου του επεξεργαστή.

Η ταχύτητα του επεξεργαστή Η ταχύτητα που ένας επεξεργαστής μπορεί να τρέξει είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων. Κάποιοι από αυτούς σχετίζονται με τη σχεδίαση του επεξεργαστή, που υπαγορεύει τις ανάγκες εσωτερικού χρονισμού, οι οποίες περιορίζουν τη μέγιστη ταχύτητα του επεξεργαστή. Οι κατασκευαστικοί παράγοντες σχετίζονται με την τεχονολογία που χρησιμοποιείται, το μέγεθος του κυκλώματος, το μέγεθος του καλουπιού και την ποιότητα της μεθόδου. Γενικά, όσο μικρότερο είναι το chip, τόσο πιο γρήγορα τρέχει. Αυτό οφείλεται μερικώς στην μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και δημιουργία θερμότητας. Η θερμότητα δημιουργείται όταν το transistror μεταβάλλεται από μηδέν σε άσσο και το αντίστροφο και όσο πιο γρήγορα λειτουργεί το chip, τόσες περισσότερες εναλλαγές γίνονται στη μονάδα του χρόνου και τόση περισσότερη θερμότητα δημιουργείται. Οι σχεδιαστές μειώνουν τα μεγέθη των κυκλωμάτων για να μειώσουν τη θερμότητα, καθώς αυξάνει η ταχύτητα του επεξεργαστή.


Χαρακτηριστικά του chip για διαφόρους επεξεργαστές Μέγεθος Μέγεθος Οικογένεια Έκδοση κυκλώματος καλουπιού Transistors Τεχνολογία επεξεργαστή επεξεργαστή (εκατομμυριοστό (εκατομμύρια) (mm2) ) 8088

Όλοι

NMOS, CMOS

3.0

33

0.029

8086

Όλοι

NMOS, CMOS

3.0

33

0.029

80286

Όλοι

CMOS

1.5

47

0.134

80386DX

Όλοι

CMOS

1.5, μετά 1.0

?

0.275

80386SX

Όλοι

CMOS

1.5, μετά 1.0

?

0.275 (0.855 για 80386SL)

1.0

81

-25, -33 80486DX

CMOS -50

80486SX

0.8

81

1.0

67

1.185

0.8

76

1.2

0.5

?

?

Cyrix

0.65

?

?

Intel

0.6

?

1.6

0.5

?

?

0.65

?

?

0.35

?

?

Όλοι

CMOS

Intel 80486DX2

80486DX4

AMD

AMD

CMOS

CMOS

Cyrix AMD 5x86

1.2

--

CMOS


Cyrix 5x86

Όλοι

CMOS

0.65

144

2.0

0.8

295

3.1

0.6

147

3.2

Τελικοί 120s,133,150, 166, 200

0.35

90

3.3

63, 83

0.6

?

?

0.35

90

3.3

60, 66

Pentium

Pentium OverDrive

75, 90, 100,Αρχικοί 120s

120/133, 125,150, 166

Διπολικό CMOS

Διπολικό CMOS

Pentium with MMX

Όλοι

CMOS

0.35

141

4.5

Pentium with MMX OverDrive

Όλοι

CMOS

0.35

141

4.5

0.6

210

PR120+, PR133+, PR150+ 6x86

PR166+, PR200+

CMOS 0.5, μετά 0.44 169

6x86L K5

0.35

Όλοι

CMOS

150

Διπολικό CMOS

Pentium Pro

166

180

3.0

0.35 0.6 (επεξεργαστής και cache)

161

4.3

307 (+202 5.5 (+15.5 για για L2 L2 cache) cache)

0.35 196 (+242 5.5 (+31 για L2 (επεξεργαστής και για L2 cache) cache) cache) 0.35 (επεξεργαστής),

196 (+202 5.5 (+15.5 για για L2


200 (256 KB)

0.6 (cache)

200 (512 KB)

0.6 (επεξεργαστής και cache)

233, 266, 300

0.35

166, 200, 233

CMOS

266 6x86MX

196 (+242 5.5 (+31 για L2 για L2 cache) cache)

203

CMOS 333

K6

Όλοι

L2 cache)

0.35 196 (+? για 5.5 (+? για L2 (επεξεργαστής), ? L2 cache) cache) (cache)

200 (1MB)

Pentium II

cache)

CMOS

7.5 0.25

?

0.35

162

0.25

68

0.35

197

8.8

6.0


Xarakthristika epeksergastwn