Из чего состоит большинство компьютерных чипов
Обновлено: 05.07.2024
Приветствую читающих!
Сегодня я вам вкратце расскажу что такое процессор, из чего он состоит и какие процессы происходят внутри него. От вас я жду поддержки в виде пальца вверх и можете поделиться этой статьёй с друзьями, думаю им будет интересно узнать что то новое.
Как мы знаем процессор - это мозг компьютера. В нём происходят все вычислительные процессы, запуск, расчёты и т.д.
1) Его основной частью является Керамическая подложка , функции которой быть крепкой и не особо чувствительной к температуре. На ней закреплён Микрочип , в котором находится множество транзисторов.
2) Сверху находится Алюминиевая крышка , её задача защищать этот самый чип и поглощать выделяемое им тепло.
3) Ну и ножки процессора , которые связывают его с материнской платой. Те кто хоть раз собирал компьютер знают, что к ним надо относиться очень бережно.
Но самое сложное не в то, из чего состоит процессор, а в его работе. Все программы и приложения, операционная система, игры, всё это выполняет ваш процессор. Что бы понять как всё это работает нужно вернуться к тем самым транзисторам, из которых состоит чип. Это примитивные устройства которые выполняют одну функцию быть включенными или выключенными.
Раньше вместо них использовали электронные лампы. Что было не очень удобно, ведь они были в высоту 50 см, а современные транзисторы всего лишь 20 нанометров !
Транзисторы
Работа транзисторов чем то напоминает кран. Вода либо идёт, либо нет. Если вода есть, это 1, если её нет то это 0. Транзисторы используются, что бы реализовать логические операции с 0 или 1, каждый из которых использует цифру 2 в какой либо степени.
Сравнивая с краном это бы выглядело как множество труб разного диаметра, выдающие за один и тот же отрезок времени разное количество воды.
1 кран: Выдаёт за одну секунду 1л воды
2 кран: Выдаёт за одну секунду 2л воды
3 кран: Выдаёт за одну секунду 4л воды
У нас есть банка на 2л, её нам нужно заполнить за одну секунду. Значит мы включаем второй кран и вот, через секунду наша банка полна воды. Эта команда в двоичном коде выглядит как 0 1 0 . Где 0 - не включили 3 кран , 1 - включили 2 кран и 0 - не включили 1 кран .
Таким образом можно налить любое количество воды, открывая конкретный и не открывая ненужный кран.
Именно как кран транзистор и работает, только вместо воды, напряжение и таких кранов миллиард. Получается любая операция в компьютере комбинация включенных или выключенных транзисторов, пропущенных через логические элементы.
Что бы увидеть транзистор нужна увеличить фотографию процессора в 200 раз , что бы один транзистор поместился хотя бы в один пиксель!
Это то, где хранятся инструкции, которые выполняет ваш процессор. Так вот этих инструкций он выполняет за одну секунду, больше миллиарда. Инструкции это и есть программы, которые вы запускайте на своём ПК.
Но не все инструкции хранятся в "кеше". Именно для этого и используется шина. Она забирает нужную в данный момент информацию из оперативной памяти.
Регистры
Это так скажем память процессора, не очень большая, но очень быстрая. Они нужны для того, что бы не ждать пока шина доставит информацию, а уже работать с ней.
Вот и всё! Если кратко, то именно так и работает самая главная часть компьютера. Надеюсь понятно объяснил, если есть вопросы, вы всегда можете их задать в комментариях, я попробую ответить. Подписывайтесь на канал и не забывайте ставить палец вверх! А так же поделись этой статьёй с друзьями, думаю каждый узнает для себя что то новое!
Мы не знали бы ни персональных компьютеров, ни мобильных телефонов размером со спичечный коробок, ни игровых приставок, да и множества других электронных устройств, широко применяемых в быту, науке и промышленности.
Именно из кремния делаются так называемые микрочипы (или, говоря по-научному, интегральные микросхемы ), которые позволяют в доли секунды проводить сложнейшие вычисления и обрабатывать огромные объемы информации, записанной в виде цифрового кода.
Что такое компьютерный чип?
Вакуумные электронные лампы
На заре компьютерной эры в качестве таких переключателей использовались реле (управляемые электричеством выключатели) и вакуумные электронные лампы . Нетрудно себе представить, сколько ламп или реле нужно было соединить в одну систему, чтобы получить даже не очень быстрый или производительный по нынешним временам компьютер. ЭВМ прежних времен занимали огромные залы высотой в несколько этажей , а считали и обрабатывали данные медленней, чем самый захудалый настольный компьютер наших дней.
Вакуумные электронные лампы.
Транзистор
Путь к совмещению производительности и компактности был открыт еще в 1947 году , когда в США был создан первый в истории транзистор . Этот миниатюрный по сравнению с лампами и реле прибор мог тоже выполнять функцию электронного переключателя. По управляющему сигналу он то пропускал, то не пропускал электрический ток.
Что из себя представляет транзистор? Это соединение трех кусочков материалов с особенными свойствами электропроводимости. Такие материалы называются полупроводниками.
Транзисторы совершили настоящую революцию в электронике. Телевизоры и радиоприемники выпускались теперь не на громоздких и потребляющих много энергии лампах, а на транзисторах – компактных и экономичных. Но развитие компьютерной техники даже небольшие по размеру транзисторы не устраивали. Для достижения все более высокой производительности в конструкцию компьютера необходимо встроить не пару десятков транзисторов, как в каком-нибудь радиоприемнике, а десятки и сотни тысяч, миллионы. Чем больше этих транзисторов и чем меньше они по размеру, тем быстрее считает ЭВМ .
Интегральные микросхемы
И следующей революцией в электронике стало появление интегральных микросхем. Интегральная микросхема, или чип – это собранная в одном миниатюрном электронном приборе схема, составленная из огромного множества транзисторов и диодов, каждый из которых имеет микроскопические размеры. Например, центральный процессор современного персонального компьютера содержит в себе от 731 млн. до 2.27 миллиардов транзисторов, в зависимости от модели .
Технология создания микрочипов зародилась в 50-е годы 20 века, но промышленное производство микросхем началось в 70-е годы. С тех пор чипы становились все совершеннее и сегодня уже невозможно представить себе электронику без маленьких тоненьких кремниевых пластинок с огромными возможностями.
Как производят кремниевые чипы?
Производство чистого кремния.
Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.
О чипах – микросхемах хранения информации
Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.
Набор электронных компонентов на плате современного электронного устройства. Где-то среди этой массы радиодеталей приютился компонент, способный запоминать информацию
Программным термином для чипов, что используется чаще других, является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.
Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:
- Цифровых (от 0 до 9).
- Символьных (от А до F).
Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.
Организация микросхем (чипов) памяти
Организация структуры запоминающего устройства. На первый взгляд сложный и непонятный алгоритм. Но при желании разобраться, понимание приходит быстро
Одна из модификаций запоминающих устройств, особенность исполнения которой заключается в наличии специального окна. Благодаря этому окну, ультрафиолетом стирается информация
Структура чипов серии 27… 27C… поддерживает стирание информации методом воздействия на ячейки хранения интенсивным ультрафиолетовым излучением (длина волны 254 нм). Обозначение аббревиатуры «программируемый» (Programmable) указывает на возможность программирования, когда любая цифровая информация может быть заложена в чип.
Для программирования чипов требуется программатор. К примеру, 27 серия успешно прошивается устройствами «Batronix Eprommer» или «Galep-4».
Тип памяти серии 27… 27C… сохраняет записанные программатором данные до следующего программирования с функцией стирания или без таковой. Допускается многократное программирование без стирания, при условии изменения битов только от состояния единицы до состояния нуля или имеющих состояние нуль.
Если же требуется запрограммировать чип памяти с изменением бита от состояния нуля до состояния единицы, прежде необходимо применить функцию стирания. Такая функция предусмотрена в конструкциях микросхем.
Запоминающее программируемое устройство из группы однократно программируемых EPROM (One Time Programmable). В настоящее время редко применяемые
На устройствах с окном после стирания ультрафиолетом и последующего программирования, кварцевое окно закрывают наклейкой. Так защищают данные от возможного повреждения светом.
Солнечные лучи содержат ультрафиолет, а это значит – свет солнца способен стирать информацию, записанную в микросхеме. Правда, чтобы полностью стереть данные солнечным светом, потребуется несколько сотен часов прямого воздействия солнечных лучей.
Кроме того, серия 27C требует меньшего напряжения питания (12,5В). Между тем обе конфигурации исполнения совместимы. Поэтому, к примеру, микросхема 2764 вполне заменима на чип 27C64.
Здесь первое отличие заметно в аббревиатуре типа памяти – EEPROM, что означает электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
Построение этой серии практически идентично 27 чипам. Однако 28 серия позволяет стирать отдельные байты или всё пространство памяти электрическим способом, без применения ультрафиолета.
Поскольку отдельные байты можно стереть, не удаляя всю хранимую информацию, эти отдельные байты могут быть перезаписаны. Однако процесс записи EEPROM занимает больше времени, чем программирование EPROM. Разница до нескольких миллисекунд на байт.
Чтобы компенсировать этот недостаток, чипы подобные AT28C256, оснащаются функцией блочного программирования. При таком подходе к программированию, одновременно (блоком) загружаются 64, 128 или 256 байт. Блочный способ сокращает время программирования.
Между тем Flash-память не всегда применимо использовать в качестве замены обычного чипа. Причины, как правило, заключаются в разной конфигурации корпусного исполнения.
Простой пример, когда Flash-память доступна только в корпусах на 32 контакта или более. Поэтому, допустим, чип 28F256 на 32 вывода не совместим с чипом 27C256, имеющим 28 контактных выводов. При этом микросхемы имеют одинаковый объём памяти и другие параметры, подходящие для замены.
Микросхемы памяти с последовательным интерфейсом отличаются тем, что вывод данных и наименование имен в них происходят частями (последовательно).
Последовательный процесс позволяет получить доступ только к одному биту за раз, и доступный адрес также передаётся по битам. Но последовательное программирование имеет явное преимущество в плане конфигурации корпусов.
Всего восемь контактных ножек достаточно запоминающему устройству серии 24C и подобным для полноценной работы на запись и хранение данных
Их отличительные черты – скоростная запись без необходимости предварительного стирания. Здесь видится некоторое преимущество относительно других изделий. Но есть и недостаток – чипы ОЗУ отмеченной и других серий утрачивают все записанные и сохранённые данные при отключении питания.
Однако имеется альтернатива – память NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – энергонезависимая память серий 48, DS, XS и подобная, с произвольным доступом. Этот вид чипов выделяется среди основных преимуществ микросхем RAM высокой скоростью перезаписи и простым программированием. Потеря питания не оказывает влияние на сохранённую информацию.
Устройства записи и хранения информации, которые не боятся отключения питания. Их структура предусматривает эффективную защиту данных
Как же способом достигается энергетическая независимость NVRAM? Оказывается, производителями используются две методики:
- Встраиваемый в корпус мини аккумулятор.
- Совмещение в одном корпусе NVRAM и EEPROM.
Для первого варианта: при отключении питания происходит автоматический переход на внутренний источник энергии. По словам производителей чипов с АКБ, энергии встроенного уникального аккумулятора вполне достаточно на 10 лет работы.
Для второго варианта: технология предусматривает копирование данных пространства памяти NVRAM на встроенное пространство EEPROM. Если утрачивается питание, копия информации остаётся нетронутой и после восстановления энергии, автоматически копируется на NVRAM.
Маркировка и взаимозаменяемость компонентов
Выведенная на корпусе маркировка чипа памяти традиционно содержит:
- аббревиатуру производителя,
- технологию производства,
- размер (объём) памяти,
- максимально разрешенную скорость доступа,
- диапазон температур,
- тип формы корпуса.
Также на корпусах нередко отмечаются сведения о производителе. Независимо от производителя, многие микросхемы памяти совместимы.
Для быстрой, точной интерпретации памяти, конечно же, необходима практика. Но при желании изучить все тонкости не так сложно, как это видится изначально. Если дело касается взаимной замены, в первую очередь должна поддерживаться технология (EPROM, EEPROM , FLASH и т.д.),
Также микросхемы памяти должны иметь одинаковый размер (объём) и равноценное или меньшее время доступа. Желательно выбирать корпус, подходящий по температурному диапазону. Следует отметить: размер памяти задается в битах, не в байтах. За цифрой объёма обычно следует обозначение версии (например, «F»).
Пример расшифровки маркировки микросхемы памяти M27C1001-10F1:
Из практики программирования запоминающих устройств
При помощи информации: Batronix
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Во время пандемии начал расти спрос на смартфоны, ноутбуки, настольные компьютеры, «умные» телевизоры, автомобили и устройства, подключенные к интернету. Каждый такой гаджет работает на чипе, который является его «мозгом». Проблема в том, что производители не могут удовлетворить этот повышенный спрос. На производство микросхем негативно влияют и другие факторы. РБК Тренды разобрались, что стало причиной дефицита полупроводников и чего ждать дальше.
Во всем виноват чип: почему цены на электронику продолжают расти?Ситуация на рынке
На данный момент ведущими производителями полупроводников являются тайваньская Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и южнокорейская Samsung. Первая занимает 54% рынка, вторая — 17%.
Аналитики TrendForce выяснили, что мировой спрос на микросхемы оказался на 10–30% выше текущего предложения. По данным Susquehanna Financial Group, за первые четыре месяца 2021 года производители полупроводников резко начали отставать по исполнению заказов. Крупным компаниям приходится ждать микросхемы до 17 недель, а небольшим — до одного года или вообще отказываться от проектов. Одновременно растут цены на потребительскую электронику.
При этом со второго квартала 2021 года более 30 производителей полупроводников повысили цены на свою продукцию от 10% до 30%. В число этих компаний вошли UMC, SMIC и Power Semiconductor Manufacturing. Цены на отдельные продукты взлетели в десятки раз.
TSMC уже изменила приоритеты по выпуску своей продукции. В третьем квартале 2021 года компания собирается производить в первую очередь процессоры для Apple и чипы для автопроизводителей. Микросхемы для других клиентов, в том числе для Intel, Qualcomm, Google и Xilinx, будут отгружаться по мере их изготовления.
Apple в конце 2020 года закупила 80% мощностей TSMC для массового производства своих собственных чипов М1. Таким образом, только она в этом году сможет успешно выполнить план по производству новых iPhone, которые должны представить в сентябре или октябре. Остальные производители смартфонов оказались застигнуты врасплох глобальным дефицитом чипов. Так, Samsung уже предупредила, что может пропустить выпуск новой линейки смартфонов Galaxy Note в 2021 году.
Нехватка чипов повлияла даже на производство автомобилей. Крупнейшие мировые автоконцерны еще в начале 2021 года заявили, что им придется снижать планы по выпуску машин. Проблемы возникли у Nissan, Honda, Ford, Fiat Chrysler, Volkswagen, Suzuki, Subaru и других. Даже «АвтоВАЗ» начал выпускать автомобили Lada моделей Vesta, Xray и Largus без магнитолы. Автопроизводители потеряют в 2021 году более $110 млрд.
Диганта Дас, исследователь контрафактной электроники в Центре инженерии продвинутого цикла жизни (CALCE), предупредил, что в связи с дефицитом будут расти поставки контрафактных полупроводников. Проблема не коснется технологических гигантов, которые закупают комплектующие непосредственно у производителей, но затронет мелких производителей с более сложными цепочками поставок. Опасность этого заключается в том, что многие небольшие производители электроники заняты в таких отраслях, как здравоохранение, оборона и образование.
Горизонт дефицита
Самый оптимистичный прогноз дает глава Cisco Чак Роббинс. В конце апреля он заверил, что нехватка микросхем будет ощущаться остро лишь до осени 2021 года. По его словам, предприятия уже наращивают свои мощности, и ситуация будет улучшаться в течение следующих 12–18 месяцев.
В TSMC считают, что нехватка полупроводников сохранится и в 2022 году. Производителям придется поднять расходы, запустить новые заводы и скорректировать планы по росту.
По прогнозам компании, дефицит полупроводников для автомобильной промышленности будет снижаться начиная с третьего квартала 2021 года, однако глобальный дефицит сохранится еще минимум год.
Похожей оценки придерживаются в Nvidia. Финдиректор корпорации Колетт Кресс рассказала, что нехватка микросхем будет ощущаться до конца года.
Однако в Intel считают, что дефицит микросхем сохранится и после 2022 года. Там видят выход из сложившегося положения в строительстве новых заводов. Директор Intel Пэт Гелсинджер уверен, что существующий дефицит чипов продолжит усугубляться, а его пик придется на вторую половину 2021 года. «Я не думаю, что индустрия микросхем вернется к здоровому балансу спроса и предложения до 2023 года», — заявил он.
Неочевидные причины
Одним из главных факторов роста дефицита полупроводников называют пандемию коронавируса. Она спровоцировала лавинообразный спрос на ноутбуки, приставки, технику для дома и удаленной работы. Одновременно из-за локдаунов осложнилась и подорожала логистика. Согласно отчету платформы Resilinc, в 2020 году перебои в мировых цепочках поставок выросли на 67%.
На позиции игроков отрасли также серьезно повлияла торговая война США и Китая. В 2020 году в разгар пандемии Соединенные Штаты запретили TSMC поставки чипов Huawei, в связи с чем китайские производители начали запасаться микросхемами. Позднее под санкции попал ведущий китайский чипмейкер Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Инвесторам из США запретили торговать акциями компании. Весной 2021 года несколько конгрессменов потребовали запрета продажи КНР любого ПО для разработки современных полупроводников. Таким образом, даже при желании развивать собственное полупроводниковое производство, Китай может остаться без нужных технологий.
Однако есть и менее очевидные причины. Пэт Гелсинджер из Intel заявил, что на предложение влияет фактор доминирования азиатских компаний. По его словам, 80% микросхем в мире производится в Азии, где базируются главные игроки рынка TSMC и Samsung. Большинство других компаний, которые поставляют чипы на рынок, не производят их сами, а владеют лишь технологией. Это Broadcom, Qualcomm, Nvidia и другие. Запустить с нуля свое производство микрочипов они сейчас не могут, так как это требует времени и ресурсов.
На объемы производства влияет и климат. Ситуацию с производством чипов усугубил экологический кризис на Тайване, где фабрики оставались без воды. В настоящее время остров страдает от самой сильной засухи за 56 лет из-за того, что количество осадков в 2020 году было рекордно низким. В итоге в мае резервуары воды фабрик TSMC оказались заполнены всего на 11-23%. А в Техасе в феврале прошли сильные снегопады, что привело к веерным отключениям электричества, в том числе и на предприятиях.
На цикл производства полупроводников повлиял также ряд техногенных аварий. В марте 2021 года случился пожар на одном из предприятий по производству кремниевых пластин Renesas в японской префектуре Ибараки. Это одно из шести японских предприятий и третий по величине производитель автоэлектроники. Компания выпускает кремниевые пластины для производства микросхем. Полноценную работу предприятия удалось восстановить лишь спустя три месяца.
Уже в июне в китайском Шихэцзы загорелась промзона компании Xinjiang West Hesheng Silicon Industry Co., Ltd. Ее кремний активно используется для поверхностей солнечных батарей, а после повторной переработки — при производстве кремниевых пластин для микроэлектроники.
Наконец, на полупроводниковую отрасль повлиял глобальный дефицит кремния. Микросхемы создаются путем печати на пластинах, изготовленных из поликристаллического кремния — материала, который состоит из мелких кристаллов. Согласно отчету Calibre Research Global High Purity Silicon Market Size: Top Players Study and Regional Forecasts 2021-2027, рост цен на кремний продлится до 2027 года.
Поиск выхода
Власти США договорились с руководством TSMC о строительстве новых линий производства чипов в Аризоне. Фабрика будет производить 20 тыс. современных 5-нанометровых чипов в месяц для нужд автомобилестроения и других отраслей. Всего компания выделила $100 млрд на расширение производства и НИОКР, основная часть суммы пойдет на постройку шести заводов в США, работы по возведению первого комплекса уже начались.
Кроме того, сенат США одобрил законопроект субсидирования национальной полупроводниковой промышленности на сумму $52 млрд сроком на пять лет для местных производителей.
В Японии TSMC и Sony Group выделят около $9,2 млрд для строительства первого в стране завода по производству 20-нанометровых микросхем, чтобы постепенно двигаться к более современным техпроцессам. Строительство завода завершат уже в этом году, а в 2022 году партнеры планируют начать исследования и соответствующие разработки.
Китай в рамках программы Made in China к 2025 году инвестирует $1,4 трлн в разработки Alibaba Group, Huawei Technologies Co. Ltd, SenseTime Group Ltd. и другие высокотехнологичные компании, чтобы снизить зависимость электронной отрасли от других стран. Китай также старается переманивать инженеров из TSMC на более высокую заработную плату. Весной 2021 года тайваньской компании пришлось запретить поставщикам оборудования делиться с китайскими партнерами технологическими решениями, а правительство страны приказало удалять списки вакансий китайских компаний.
В Южной Корее правительство заявило о намерении выделить $450 млрд в течение десяти лет на развитие полупроводниковой отрасли. Государство планирует развивать полный цикл производства собственных чипов, а также помогать разработчикам, производителям и поставщикам чипов снижать себестоимость продукции за счет уменьшения налогов и предоставления ряда налоговых льгот. При этом Samsung уже расширила свои инвестиции до $151 млрд и надеется догнать спрос к 2030 году.
Американская Intel ведет переговоры о производстве чипов для автомобильной промышленности с компаниями, которые разрабатывают подобные микросхемы. Им предложат перенести производство на заводскую сеть Intel в течение шести-девяти месяцев. Его могут запустить на заводах в Орегоне, Аризоне, Нью-Мексико, Израиле или Ирландии.
Также Intel заявила, что откроет свои фабрики для внешних клиентов и построит заводы в Соединенных Штатах и Европе. Новое производственное подразделение Intel Foundry Services сможет выполнять заказы других компаний на изготовление чипов, в том числе микросхем чужой архитектуры и дизайна: Apple, Nvidia и других.
Читайте также: