Овременные технологии производства микропроцессорных плат

         

        Санкт-Петербургский  государственный университет экономики  и финансов.

                                                 Факультет менеджмент.

                                                Кафедра экономики и управления.

       

 

                          

    

 

 

                                                          

                                                                           Реферат на тему:

Современные технологии производства                 микропроцессорных плат.

 

 

 

 

Выполнила студентка 1 курса

Группа : М-108

Ковалевская А.А.

Проверил:

Доцент, к.т.н.А.Е.Щадилов.

 

                    

                                                            Санкт – Петербург 2012.                            

Оглавление.

1. Понятие микропроцессора.
2. Использование микропроцессоров.
3. Их характеристики.
4. История и создание микропроцессоров.
5. Макросы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современные технологии производства микропроцессорных плат.

 

Микропроцессорными платами обычно называют платы в устройствах  автоматики каких-либо механизмов.

Микропроцессор - это можно сказать сердце любого компьютера, он выполняет алгоритмическую обработку информации, и управляет другими узлами компьютера, это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Внешний вид микропроцессора  это - сверхбольшая интегральная система, возможности которой определяются размером кристалла кремния и количеством реализованных в нем транзисторов. Микропроцессор это одно из самых сложных электронных устройств, которое состоит из сотен технологических операций. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту, которая измеряется в мегагерцах. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора.

 

История развития микропроцессоров.

 

Первый микропроцессор появился в 1971 году, компанией "Intel". Эта технология производства микропроцессоров позволила усовершенствовать компьютеры, производительность которых была ограничена только количеством чипов, которые можно было совместить. Благодаря этим достижениям, была решена задача сосредоточения всей компьютерной мощности на одном чипе.

Первым микропроцессором, объявленным как «компьютер-на-чипе», был 4-битный Intel 4004 (ноябрь 1971). Компания Intel хотела подчеркнуть, что в одном микропроцессоре реализуются все возможности компьютеров того времени. Это было не совсем верно, поскольку фактически он был реализован на четырех микросхемах. Процессор был изготовлен Intel по заказу японской компании Busicom и использовался для управления настольными калькуляторами этой фирмы. Он был однопрограммным и не универсальным, мог начать исполнение следующей программы только после завершения предыдущей, и был предназначен исключительно для вычислительных работ, то есть не мог применяться, например, для обработки текстов.

Развитием микропроцессоров стало появление универсальных  многопрограммных 8-битных Intel 8080 (апрель 1974) и MOS Technology 6502 (сентябрь 1975). Они оба использовались в производстве настольных компьютеров и игровых консолей: первый — Altair 8800, второй — Nintendo NES, Atari 2600, Apple I, Apple II, Commodore 64, Агат и др. В отличие от 4004, эти микропроцессоры использовали раздельные шины адреса и данных, а инструкции и данные хранились в одних и тех же областях памяти. Таким образом, это были первые CPU, работающие на основе архитектуры фон Неймана и выполняющие функции арифметико-логического устройства и устройства управления.

Следующим этапом в эволюции центральных процессоров стал выпуск 16-битных Intel 8086/88 (июнь 1978), которые положили начало архитектуре x86 и массовому распространению персональных компьютеров. В 1980 был представлен первый процессор с RISC-архитектурой — IBM 801. По сравнению с CISC-процессорами того времени он имел меньшие размеры и число инструкций, был проще и дешевле в изготовлении. В 1984 начали изготовляться первые процессоры VLIW-архитектуры, однако они не получили большого распространения. 
Дальнейшее развитие процессоров привело к переходу на 32-разрядные модели, позволявшие эффективнее работать с большими числами и адресовать ранее недоступные объемы памяти. В октябре 1985 вышел первый 32-битный x86-процессор, Intel 80386, а в 1986 появились три новые 32-битные RISC-архитектуры — MIPS, SPARC и PA-RISC, представленные компаниями MIPS Technologies, Sun и HP соответственно. Следующим шагом было появление 64-битных процессоров MIPS R4000 (февраль 1991) и DEC Alpha 21064 (ноябрь 1992). Alpha был также первым CPU, поддерживающим суперскалярность, то есть возможность исполнять более одной инструкции за такт. Первыми суперскалярными процессорами других архитектур стали Intel Pentium (март 1993), MIPS R8000 (июнь 1994), PA-RISC 7100 (июнь 1994) и 64-битный UltraSPARC (сентябрь 1994).

Следующей вехой в истории  центральных процессоров стало  динамическое исполнение команд. Заключалась  оно в том, что процессор исполнял команды не в том порядке, в  котором он их считывал из памяти, а  в том, который был более эффективен по времени выполнения, и при этом, конечно же, не нарушал семантики  программы. Эта технология была реализована  во всех процессорах соответствующих  архитектур, начиная с MIPS R10000 (октябрь 1994), PA-RISC 8000 (март 1995), Intel Pentium Pro (ноябрь 1995), Alpha 21264 (декабрь 1998).

После этого появились  первые популярные и коммерчески  успешные процессоры с архитектурой VLIW — Intel Itanium (октябрь 1999) и Transmeta Crusoe (январь 2000). Затем, с некоторым опозданием от других платформ вышли 64-битные расширения для x86, реализованные в процессорах AMD Opteron (технология AMD64, апрель 2003) и Pentium 4 (EM64T, август 2004).

В начале нового тысячелетия  развитие центральных процессоров  пошло в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном корпусе. Практически одновременно вышли  двухъядерные CPU всех популярных архитектур: PA-RISC 8800 (февраль 2004), UltraSPARC-IV (февраль 2004), IBM PowerPC G4 (август 2004), MIPS BCM1255 (октябрь 2004), AMD Athlon X2 (апрель 2005), Pentium D (май 2005), Itanium 2 (октябрь 2005), Intel Core 2 Duo (июль 2006). В ноябре 2005 вышел первый трехъядерный процессор Xenon/Waternoose для игровой консоли X-Box 360, а в ноябре 2006 ожидается появление семиядерного Cell в составе Sony PlayStation 3.

 

 

 

 

 

Современная технология изготовления

 

В современных компьютерах  процессоры выполнены в виде компактного  модуля (размерами около 5Ч5Ч0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных  процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего  времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими  подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и  микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой  проверяются электрические и  временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных  ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости (например, при практически  рядовой тактовой частоте в 10 ГГц  отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны).

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и иногда требует компромиссов со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Следует отметить, что ряд производителей заказных микросхем (foundry) предлагает разработчикам (дизайн-центру или fabless) компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков (Standard cell). Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

Следующим этапом является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод  литографии. При этом, на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния, либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, не выгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется  его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная  с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно  с разработкой универсальных  микропроцессоров, разрабатываются  наборы периферийных схем ЭВМ, которые  будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются  материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (chipset) представляет задачу, не менее сложную, чем создание микросхемы микропроцессора.

В последние несколько  лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора. См. подробнее Система на кристалле.

В начале 1970-х годов благодаря  прорыву в технологии создания БИС  и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц (в документе говорится, что цикл инструкции длится 10,8 микросекунд, а в рекламных материалах Intel — 108 кГц) и стоил 300 долл.

За годы существования  технологии микропроцессоров было разработано  множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и  усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, реализованные в процессорах компании Intel.