Design procesoru - Processor design

Návrh procesoru je podpole počítačového inženýrství a elektronického inženýrství (výroba), které se zabývá vytvořením procesoru , klíčové součásti počítačového hardwaru .

Proces návrhu zahrnuje výběr sady instrukcí a určitého paradigmatu provádění (např. VLIW nebo RISC ) a vede k mikroarchitektuře , kterou lze popsat např. Ve VHDL nebo Verilog . Pro konstrukci mikroprocesoru je tento popis poté vyroben s využitím některých různých způsobů výroby polovodičových součástek , což vede k matrici, která je připojena k nosiči třísek . Tento čip nosič je poté připájena na, nebo vložena do zásuvky na, A s plošnými spoji (PCB).

Režimem činnosti libovolného procesoru je provádění seznamů pokynů. Pokyny obvykle zahrnují pokyny pro výpočet nebo manipulaci s datovými hodnotami pomocí registrů , změnu nebo načítání hodnot v paměti pro čtení / zápis, provádění relačních testů mezi datovými hodnotami a řízení toku programu.

Návrhy procesorů jsou často testovány a ověřovány na FPGA před odesláním návrhu procesoru do slévárny pro výrobu polovodičů .

Detaily

Základy

Návrh CPU se dělí na design následujících komponent:

  1. datové cesty (například ALU a potrubí )
  2. control unit : logic which control the datapaths
  3. Paměťové komponenty, jako jsou soubory registrů , mezipaměti
  4. Obvody hodin, jako jsou budiče hodin, PLL , distribuční sítě hodin
  5. Obvody přijímače a přijímače
  6. Knihovna buněk logické brány, která se používá k implementaci logiky

CPU určené pro trhy s vysokým výkonem mohou vyžadovat vlastní (optimalizované nebo specifické pro aplikaci (viz níže)) návrhy pro každou z těchto položek k dosažení cílů frekvence, rozptylu energie a čipové oblasti, zatímco CPU navržené pro trhy s nižším výkonem mohou snížit implementaci břemeno získáním některých z těchto položek jejich zakoupením jako duševního vlastnictví . K implementaci datových cest, registraci souborů a hodin lze použít techniky implementace řídicí logiky ( syntéza logiky pomocí nástrojů CAD). Mezi běžné logické styly používané při návrhu CPU patří nestrukturovaná náhodná logika, stroje s konečným stavem , mikroprogramování (běžné od roku 1965 do roku 1985) a programovatelná logická pole (běžné v 80. letech, již běžné).

Logika implementace

Typy zařízení používané k implementaci logiky zahrnují:

Projekt návrhu CPU má obecně tyto hlavní úkoly:

Přepracování jádra CPU na menší oblast matrice pomáhá zmenšit vše („ zmenšení fotomasky “), což má za následek stejný počet tranzistorů na menší matrici. Zlepšuje výkon (menší tranzistory se přepínají rychleji), snižuje výkon (menší vodiče mají menší parazitní kapacitu ) a snižuje náklady (více procesorů se vejde na stejnou křemíkovou destičku). Uvolnění CPU na stejné velikosti matrice, ale s menším jádrem CPU, udržuje náklady přibližně stejné, ale umožňuje vyšší úrovně integrace v rámci jednoho velmi rozsáhlého integračního čipu (další mezipaměť, více CPU nebo jiných komponent), což zvyšuje výkon a snížení celkových nákladů na systém.

Stejně jako u nejsložitějších elektronických návrhů nyní v plánu projektu CPU dominuje snaha o logické ověření (dokazující, že design nemá chyby).

Mezi klíčové architektonické inovace CPU patří rejstřík rejstříku , mezipaměť , virtuální paměť , pipelining instrukcí , superskalární , CISC , RISC , virtuální stroj , emulátory , mikroprogram a zásobník .

Mikroarchitektonické koncepty

Hlavní článek: Mikroarchitektura

Témata výzkumu

Hlavní článek: Historie univerzálních CPU § 1990 až dodnes: těšíme se

Byla navržena celá řada nových návrhových návrhů CPU , včetně rekonfigurovatelné logiky , beztaktních CPU , výpočetní paměti RAM a optických výpočtů .

Analýza výkonu a benchmarking

Hlavní článek: Výkon počítače

Benchmarking je způsob testování rychlosti CPU. Jako příklady lze uvést SPECint a SPECfp vyvinuté společností Standard Performance Evaluation Corporation a ConsumerMark vyvinuté společností Embedded Microprocessor Benchmark Consortium EEMBC .

Mezi běžně používané metriky patří:

  • Pokyny za sekundu - Většina spotřebitelů si vybere architekturu počítače (obvykle architekturu Intel IA32 ), aby mohla provozovat velkou základnu již existujícího předkompilovaného softwaru. Někteří z nich jsou relativně neinformovaní o počítačových testech a vybírají konkrétní CPU na základě provozní frekvence (viz Mýtus Megahertz ).
  • FLOPS - Počet operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu je často důležitý při výběru počítačů pro vědecké výpočty.
  • Výkon na watt - Návrháři systémů, kteří staví paralelní počítače , jako je Google , vybírají CPU na základě jejich rychlosti na watt výkonu, protože náklady na napájení CPU převažují nad náklady samotného CPU.
  • Někteří návrháři systémů budující paralelní počítače vybírají CPU na základě rychlosti za dolar.
  • Návrháři systémů, kteří staví výpočetní systémy v reálném čase, chtějí zaručit nejhorší odezvu. To je snazší udělat, když má CPU nízkou latenci přerušení a když má deterministickou odezvu. ( DSP )
  • Počítačoví programátoři, kteří programují přímo v montážním jazyce, chtějí, aby CPU podporovalo plnohodnotnou sadu instrukcí .
  • Nízký výkon - Pro systémy s omezenými zdroji energie (např. Solární energie, baterie, lidská energie).
  • Malá velikost nebo nízká hmotnost - pro přenosné vestavěné systémy, systémy pro kosmické lodě.
  • Dopad na životní prostředí - Minimalizace dopadu počítačů na životní prostředí během výroby a recyklace i během používání. Snižování odpadu, snižování nebezpečných materiálů. (viz Zelený výpočet ).

Při optimalizaci některých z těchto metrik může dojít k kompromisům. Zejména mnoho konstrukčních technik, díky nimž CPU běží rychleji, výrazně zhoršuje „výkon na watt“, „výkon na dolar“ a „deterministickou odezvu“ a naopak.

Trhy

Existuje několik různých trhů, na kterých se CPU používají. Protože se každý z těchto trhů liší ve svých požadavcích na CPU, zařízení určená pro jeden trh jsou ve většině případů nevhodná pro ostatní trhy.

Obecné použití výpočetní techniky

Převážná většina výnosů z prodeje CPU je pro běžné použití na počítači, tj. Stolní, přenosné a serverové počítače běžně používané v podnicích a domácnostech. Na tomto trhu dominuje na trhu architektura Intel IA-32 a 64bitová verze x86-64 , přičemž její konkurenti PowerPC a SPARC udržují mnohem menší zákaznické základny. Tento trh ročně využívá stovky milionů procesorů architektury IA-32. Rostoucí procento těchto procesorů je určeno pro mobilní implementace, jako jsou netbooky a notebooky.

Vzhledem k tomu, že se tato zařízení používají ke spuštění bezpočet různých typů programů, tyto návrhy CPU nejsou konkrétně zaměřeny na jeden typ aplikace nebo jednu funkci. Požadavky na schopnost efektivně spouštět širokou škálu programů učinily tyto návrhy CPU technicky vyspělejšími, spolu s některými nevýhodami, že jsou relativně nákladné a mají vysokou spotřebu energie.

Špičková ekonomika procesoru

V roce 1984 vývoj většiny vysoce výkonných procesorů vyžadoval čtyři až pět let.

Vědecké výpočty

Hlavní článek: Superpočítač

Vědecká výpočetní technika je mnohem menší specializovaný trh (v příjmech a dodaných jednotkách). Používá se ve vládních výzkumných laboratořích a na univerzitách. Před rokem 1990 se pro tento trh často navrhoval procesor, ale CPU na velkém trhu organizované do velkých klastrů se ukázaly být dostupnější. Hlavní zbývající oblastí aktivního návrhu hardwaru a výzkumu pro vědecké výpočty jsou systémy vysokorychlostního přenosu dat pro připojení CPU na velkém trhu.

Vestavěný design

Hlavní článek: Vestavěný systém

Podle měření dodaných jednotek je většina procesorů zabudována do jiných strojů, jako jsou telefony, hodiny, zařízení, vozidla a infrastruktura. Vestavěné procesory se prodávají v objemu mnoha miliard jednotek ročně, většinou však za mnohem nižší cenové body než u procesorů pro všeobecné použití.

Tato jednoúčelová zařízení se liší od známějších univerzálních procesorů několika způsoby:

  • Nízká cena má velký význam.
  • Je důležité udržovat nízkou spotřebu energie, protože vestavěná zařízení mají často omezenou životnost baterie a je často nepraktické zahrnout chladicí ventilátory.
  • Aby byly nižší systémové náklady, jsou periferní zařízení integrována do procesoru na stejném křemíkovém čipu.
  • Ponechání periferií na čipu také snižuje spotřebu energie, protože externí porty GPIO obvykle vyžadují ukládání do vyrovnávací paměti, aby mohly napájet nebo potopit relativně vysoké proudové zátěže, které jsou nutné k udržení silného signálu mimo čip.
    • Mnoho vestavěných aplikací má omezené množství fyzického prostoru pro obvody; ponechání periferií na čipu sníží prostor potřebný pro desku plošných spojů.
    • Programové a datové paměti jsou často integrovány na stejném čipu. Pokud je jedinou povolenou programovou pamětí ROM , je zařízení známé jako mikrokontrolér .
  • U mnoha vestavěných aplikací bude latence přerušení důležitější než v některých procesorech pro všeobecné použití.

Ekonomika vestavěného procesoru

Rodina vestavěných procesorů s největším počtem dodaných jednotek je 8051 , což je v průměru téměř miliarda jednotek ročně. 8051 je široce používán, protože je velmi levný. Doba návrhu je nyní zhruba nulová, protože je široce dostupná jako komerční duševní vlastnictví. Nyní je často vložen jako malá část většího systému na čipu. Cena křemíku u 8051 je nyní tak nízká jako 0,001 USD, protože některé implementace používají jen 2 200 logických bran a odebírají 0,0127 čtverečních milimetrů křemíku.

Od roku 2009 se pomocí instrukční sady architektury ARM vyrábí více CPU než jakákoli jiná 32bitová instrukční sada. Architektura ARM a první čip ARM byly navrženy přibližně za jeden a půl roku a 5 lidských let pracovní doby.

32bitovou architekturu mikrokontroléru Parallax Propeller a první čip navrhli dva lidé za přibližně 10 lidských let pracovní doby.

8bitová architektura AVR a první mikrokontrolér AVR byly vytvořeny a navrženy dvěma studenty Norského technologického institutu.

8bitovou architekturu 6502 a první čip MOS Technology 6502 navrhla za 13 měsíců skupina asi 9 lidí.

Výzkumný a vzdělávací design CPU

32bitové procesory Berkeley RISC I a RISC II byly většinou navrženy řadou studentů jako součást sekvence absolventských kurzů se čtyřmi čtvrtinami. Tento design se stal základem komerčního designu procesoru SPARC .

Asi deset let byl každý student, který absolvoval třídu 6.004 na MIT, součástí týmu - každý tým měl jeden semestr, aby navrhl a postavil jednoduchý 8bitový CPU z integrovaných obvodů řady 7400 . Jeden tým 4 studentů během tohoto semestru navrhl a postavil jednoduchý 32bitový procesor.

Některé vysokoškolské kurzy vyžadují, aby tým 2 až 5 studentů navrhl, implementoval a otestoval jednoduchý CPU v FPGA v jediném 15týdenním semestru.

Procesor MultiTitan byl navržen s 2,5letým úsilím, což bylo v té době považováno za „relativně malé konstrukční úsilí“. 24 lidí přispělo na 3,5letý výzkumný projekt MultiTitan, který zahrnoval návrh a konstrukci prototypu CPU.

Měkká jádra mikroprocesoru

Hlavní článek: Měkký mikroprocesor

U vestavěných systémů nejsou nejvyšší úrovně výkonu často potřebné nebo žádoucí kvůli požadavkům na spotřebu energie. To umožňuje použití procesorů, které lze zcela implementovat technikami logické syntézy . Tyto syntetizované procesory lze implementovat za mnohem kratší dobu, což umožňuje rychlejší uvedení na trh .

Viz také

Reference

Obecné odkazy