Microprocesor

Intel 80286 , un microprocesor monolitic dezvoltat în anii optzeci ai secolului al XX-lea .

Microprocesorul (în acronim µP sau uP, cu o referință specială la cipul hardware ) este un anumit tip de circuit electronic care se caracterizează prin faptul că este în întregime alcătuit din unul sau mai multe circuite integrate ^[1] și, prin urmare, de dimensiuni foarte mici.

Tehnologia microprocesorului este în prezent cea mai utilizată pentru realizarea procesorului și a GPU - ului (montată direct pe o placă de bază ) și este utilizată de aproape toate computerele moderne, cu caracteristica de a utiliza, pentru toată procesarea sa, un set de instrucțiuni de bază de bază ( set de instrucțiuni ).

Istorie

Construcția microprocesoarelor a fost posibilă prin apariția tehnologiei LSI , bazată pe noua „Silicon Gate Technology” dezvoltată de italianul Federico Faggin la Fairchild în 1968: integrarea unui CPU complet într-un singur cip permis reducerea semnificativă a costurilor calculatoarelor . Începând cu anii 1980 , microprocesoarele sunt practic singura implementare a procesorelor.

De la introducerea lor până astăzi, evoluția microprocesorului a urmat legea lui Moore cu o bună aproximare, o lege exponențială care prevede dublarea numărului de tranzistoare care pot fi integrate pe același cip (și, prin urmare, în viziunea lui Moore, a performanței ) la fiecare 18 luni. Cu toate acestea, creșterea performanței de la sfârșitul anilor 1980 se datorează în principal îmbunătățirii arhitecturii computerului, prin adoptarea tehnologiilor RISC , cum ar fi utilizarea conductelor și a ierarhiilor de memorie cache .

Intel 4004 cu capacul scos (stânga) și cum a fost vândut (dreapta)

La fel ca alte inovații tehnologice, microprocesorul monolitic a apărut imediat ce tehnologia a permis acest lucru, deoarece ideea integrării componentelor unui CPU într-un singur circuit integrat a fost o soluție logică și până la sfârșitul anilor '60 arhitecturile microprocesorului au fost articulate. Aproape simultan, de fapt, au început dezvoltarea Intel 4004 , Texas Instruments TMS1000 și Garrett AiResearch Central Air Data Computer . În 1968 Garrett a început să dezvolte un sistem electronic pentru a concura cu sistemele electromecanice utilizate în luptătorii militari. Scopul proiectului a fost echiparea noului F-14 Tomcat care era în curs de dezvoltare. Proiectarea a fost finalizată în 1970 și a folosit MOS integrat pentru nucleul procesorului. Proiectul a fost simplu și inovator și a câștigat competitorii electromecanici prin utilizarea sa de la primele Tomcats.

Marina SUA, însă, a considerat proiectul atât de inovator încât a împiedicat publicarea articolelor despre sistem până în 1997, astfel încât acest microprocesor a rămas aproape necunoscut. Cu toate acestea, a fost o implementare a procesorului în mai mult de un cip și, prin urmare, nu a fost un adevărat microprocesor (care este, prin definiție, un procesor într-un singur cip). Texas Instruments (TI) a dezvoltat sistemul TMS 1000 pe 4 biți pentru aplicații încorporate pre-programate și, prin urmare, nu poate fi utilizat pentru alte aplicații. La 17 septembrie 1971, el a anunțat modelul TMS 1802NC programabil care ar putea fi folosit pentru a implementa un computer. Procesorul Intel 4004, pe 4 biți, aflat deja în producție pentru compania Busicom în iunie 1971, a fost prezentat pentru uz general la 15 noiembrie 1971 și a fost dezvoltat de Federico Faggin (care a conceput designul și a lucrat la proiect din 1970 până în debut pe piață în 1971) și Marcian Hoff (care și-a formulat arhitectura în 1969). Primul microprocesor comercial a fost Intel 4004 care a creat și a făcut pe piața microprocesorului înțeleasă cu posibilitatea unor noi aplicații care nu erau posibile înainte de apariția sa.

TI a depus prima cerere de brevet pentru microprocesor. Gary Boone a primit cesiunea brevetului (EN) US 3.757.306 , Biroul de brevete și mărci din Statele Unite, Statele Unite ale Americii. pentru o arhitectură cu microprocesor cu un singur cip la 4 septembrie 1973 . Nu s-a știut niciodată dacă compania avea efectiv microprocesorul funcționând în laboratoarele sale. Cu toate acestea, atât în 1971, cât și în 1976, Intel și TI au încheiat un acord prin care Intel a plătit redevențe TI pentru a-și folosi brevetul. Un rezumat al poveștii este conținut în dosarele Intel depuse în instanță atunci când Cyrix a fost trimisă în judecată pentru încălcarea brevetului și TI a intervenit în calitate de proprietar original al brevetului.

Interesant este faptul că Intel și TI au susținut recent că au brevete care ar putea acoperi brevetul „microprocesor”. Această pagină web raportează cazul singular al lui Gilbert Hyatt care a reușit să obțină brevetul pe microprocesor în 1990. Acest brevet a fost invalidat ulterior în 1996 datorită faptului că arhitectura lui Hyatt nu ar fi fost fezabilă cu tehnologia disponibilă în 1970. Încă despre acest subiect, în revista McMicrocomputer nr. 101 din 11/1990 ^[2] , a fost publicat un interviu atât cu Gylbert Hyatt, cât și cu Federico Faggin, în care au fost cercetate implicații neclare asupra comportamentului Intel. Cazul arată cât de mult, mai mult decât ideea și arhitectura, a fost critic și decisiv implementarea într-un cip care putea fi produs la un cost redus. TI și Intel au dat anterior brevetului prin descrierea unui microcontroler care ar putea acoperi brevetul microprocesorului, deoarece designul indicat este similar din punct de vedere conceptual: Gary Boone și Michael J. Cochran au depus brevetul la TI, ( EN ) US 4.074.351 , brevet american și Oficiul mărcilor comerciale , SUA. , care, deși este mai asemănător cu un microcontroler, ar putea acoperi și cel al microprocesorului.

Conform „A History of Modern Computing '”, (MIT Press), pp. 220–21, Intel a fost contactat de Computer Terminals Corporation (cunoscută ulterior sub numele de Datapoint ) din San Antonio TX pentru a cumpăra IC-ul pe care îl dezvoltă. Mai târziu, Datapoint a decis să nu folosească integratul și Intel l-a pus pe piață ca 8008 în aprilie 1972, bucurându-se de un anumit succes, creând prima piață reală pentru microprocesoare: a fost baza celebrului computer Mark-8 vândut în cutie editat de Radio -Electronică în 1973.

Microprocesoare pe 8 biți

Intel 8080A

4004 a fost urmat în 1972 de 8008 , primul microprocesor pe 8 biți din lume, care a evoluat ulterior în cel mai faimos Intel 8080 (1974).

Din proiectul 8080 a fost derivat Z80 produs în 1976 de ZiLOG , o companie fondată de Federico Faggin cu Ralph Ungerman în 1975. Compatibil la nivel binar cu programe scrise pentru 8080, Z80 a inclus multe îmbunătățiri care l-au făcut rapid să prefere 8080 de către utilizatori. Intel a reacționat producând în 1977 propria sa versiune îmbunătățită a modelului 8080, modelul 8085 , de asemenea binar compatibil cu programele scrise pentru modelul 8080, dar mult inferior Z80.

Motorola a introdus modelul 6800 în august 1974, primul procesor care a adoptat un registru index. Foarte versatil, a avut un succes moderat, parțial umbrit în anul următor de lansarea tehnologiei MOS 6502 : a fost inspirat de arhitectura modelului 6800, echipat cu unele îmbunătățiri tehnice și mai ales caracterizat printr-un cost drastic mai mic (25 USD contra 175 USD de 6800), ceea ce a făcut-o extrem de populară. 6502 a fost ales, de exemplu, de Steve Wozniak pentru Apple I în 1976 și ulterior Apple II în 1977.

Motorola a reacționat cu 6809 (1979), unul dintre cele mai puternice și ortogonale procesoare pe 8 biți dezvoltate vreodată: nu folosea niciun microcod , iar unitatea de control era logică complet cablată. Succesorii modelului 6809 s-au dovedit a fi prea complexi pentru a menține această abordare și au fost echipați cu o unitate logică tradițională de microcod. Proiectul 6809 este baza unei serii foarte populare de microcontrolere utilizate încă în sistemele încorporate .

Western Design Center, Inc. (WDC) a introdus WDC 65C02 cu tehnologia CMOS în 1982 și a licențiat proiectarea multor alte companii care au dezvoltat procesoarele din spatele computerelor Apple IIc și IIe . Procesorul a fost folosit și în stimulatoare cardiace, defibrilatoare, automobile, produse industriale și de larg consum. WDC a fost pionierul vânzării proprietății intelectuale și a fost urmat ani mai târziu de ARM Architecture și alte firme care își bazează câștigurile pe dezvoltarea și vânzarea proprietății intelectuale.

Un alt procesor de 8 biți care avea o reputație destul de mare a fost Signetics 2650, un procesor cu o arhitectură inovatoare și un set de instrucțiuni puternic.

Toate aceste procesoare au stat la baza „revoluției” computerelor casnice , întrucât datorită prețului lor scăzut au permis realizarea computerelor reale la un cost accesibil.

Primul microprocesor utilizat pentru aplicații spațiale a fost RCA 1802 (cunoscut și sub numele de CDP1802 sau RCA COSMAC) (prezentat în 1976) care a fost utilizat de NASA Voyager , Viking și sonda Galileo (lansat în 1989 și ajuns pe Jupiter în 1995). COSMAC RCA a fost prima implementare a tehnologiei CMOS. CDP1802 a fost utilizat întrucât avea un consum redus de energie și a fost fabricat cu o tehnologie ( siliciu pe safir ) care îl făcea mai puțin sensibil la razele cosmice și la sarcinile electrostatice . 1802 poate fi considerat primul microprocesor anti-radiații din istorie.

Microprocesoare pe 16 biți

TMS-9900 este primul microprocesor pe 16 biți cu un singur cip

Primul microprocesor pe 16 biți a fost National Semiconductor IMP-16 bazat pe mai multe circuite integrate. A fost introdus în 1973 și o versiune pe 8 biți numită IMP-8 a fost introdusă în 1974. În 1975 National a introdus primul microprocesor cu un singur chip pe 16 biți, PACE , care a fost urmat de versiunea NMOS numită INS8900 .

Alte sisteme multichip pe 16 biți au fost LSI-11 fabricat de Digital Equipment Corporation pentru minicomputerul PDP 11/03 și Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440 fabricat între 1975 și 1976.

Primul microprocesor monocip pe 16 biți a fost Texas Instruments TMS-9900, un procesor compatibil cu linia de minicomputere TI 990 . 990 a fost folosit de minicomputerele TI990 / 4, computerul de acasă TI-99 / 4A și computerele TM990 de la terți. Procesorul a fost găzduit într-un cip ceramic de tip DIP cu 64 de pini, în timp ce mulți alți microprocesori de 8 biți ai vremii foloseau un pachet de plastic cu 40 de pini mai ieftin. TMS 9980 ulterior a fost dezvoltat pentru a concura cu Intel 8080 și a fost ambalat într-un pachet de plastic cu 40 de pini. Procesorul era compatibil cu setul de instrucțiuni TI 990, dar pentru a utiliza doar 40 de pini, a mutat 8 biți de date pe ciclu de ceas și a reușit o adresare de 16 kB. Succesorul TMS 9995 avea o nouă arhitectură. Familia a fost extinsă cu 99105 și 99110.

Western Design Center, Inc. a introdus CMOS 65C816 , o versiune pe 16 biți a WDC CMOS 65C02, în 1984. 65C816 a fost inima Apple IIGS și a sistemului de divertisment Super Nintendo , unul dintre cele mai faimoase proiecte pe 16 biți ale vremii.

Spre deosebire de TI, Intel nu avea o linie de minicomputere de emulat și a decis să folosească 8085 ca bază pentru proiectul său pe 16 biți, creând astfel Intel 8086 , progenitorul a ceea ce va deveni ulterior familia X86 , ai cărei descendenți sunt răspândiți în computerele personale moderne. De asemenea, a realizat o versiune de magistrală externă pe 8 biți, 8088 , care a fost utilizată în primul model IBM PC 5150.

Dezvoltările ulterioare au fost Intel 80186 , 80286 și în 1985 Intel 80386 , prima versiune pe 32 de biți compatibilă cu X86. Prima unitate de gestionare a memoriei (MMU) integrată într-un microprocesor a fost dezvoltată de Childs și alții pentru Intel și a primit US Patent ( EN ) US 4442484 , Biroul de Brevete și Mărci al Statelor Unite, Statele Unite ale Americii. .

Microprocesoare pe 32 de biți

Motorola 68000, primul microprocesor pe 32 de biți utilizat pe scară largă

Proiectele pe 16 biți erau disponibile doar de câțiva ani când au început să apară pe piață arhitecturi pe 32 de biți.

Primul microprocesor pe 32 de biți a fost BELLMAC-32A produs de AT&T Bell Labs și primele exemple au fost produse în 1980, în timp ce producția de masă a început în 1982 ^[3] . În 1984, după destrămarea AT&T, microprocesorul a fost redenumit WE 32000 (WE de la Western Electric ) și au fost dezvoltați doi succesori, WE 321000 și WE 32200. Aceste microprocesoare au fost utilizate în minicomputerele AT&T 3B5 și 3B15. 3B2 a fost primul superminicomputer de birou. Procesoarele au fost utilizate și în Companion, primul laptop pe 32 de biți, și în Alexander, primul supermicrocomputer de dimensiunea unei cărți. De asemenea, sistemul a fost echipat cu cartușe ROM, similare cu cele utilizate de unele console actuale. Toate aceste mașini au rulat versiunea originală Unix dezvoltată de Bell Labs și au inclus primul manager grafic numit xt-layer.

Cu toate acestea, primul procesor pe 32 de biți care a ajuns pe piața computerelor personale a fost Motorola 68000 introdus în 1979. 68000 avea o arhitectură internă pe 32 de biți, dar o magistrală de date pe 16 biți pentru a reduce numărul de pini din pachet. Motorola se referea în mod normal la acesta ca un procesor pe 16 biți, deși arhitectura internă era în mod clar pe 32 de biți. Combinația dintre viteza mare, spațiul de adresă mare (16 MB) și costul redus l-au transformat într-un procesor foarte popular: a fost folosit de Apple Lisa și Macintosh și de multe alte sisteme precum Atari ST și Amiga , precum și de Olivetti el l-a folosit pe linia sa de minicomputere numite L1.

Având în vedere succesul, Motorola a dezvoltat o serie de succesori ai modelului 68000: al doilea din familie a fost MC 68010 care a adăugat suport de memorie virtuală. În 1984 a introdus Motorola 68020 , prima versiune cu magistrală de date pe 32 de biți și adresă. 68020 a fost foarte popular în superminicomputerele Unix și mai multe companii au produs mașini bazate pe acest microprocesor. Ultimul Motorola 68030 (1987) a introdus MMU în microprocesor; familia 68000 de la acea vreme era singura care lupta pentru palma procesorelor de computer personal față de familia x86, cu un avantaj considerabil în termeni de performanță și versatilitate. Ulterior Motorola 68040 (1991) a introdus coprocesorul matematic în microprocesor și și-a îmbunătățit foarte mult performanța prin adoptarea conductei . Cu toate acestea, Motorola, care operează și pe alte piețe în afară de microprocesoare, nu a reușit să țină pasul cu Intel și diferiții producători de procesoare compatibile x86 în ceea ce privește cercetarea și accelerarea tehnologică: următorii procesoare din serie, 68050 și 68060, au oferit o creștere modestă a performanței, rămânând detașat de performanța oferită de modelele x86 compatibile la un preț similar.

Unele companii au folosit 68020 pentru a construi soluții încorporate. A existat o perioadă în care numărul de 68020 utilizat în sistemele încorporate era egal cu cel al computerelor personale cu procesor Pentium [1] . În acest sens, Motorola a dezvoltat familia ColdFire derivată din 68020.

Între începutul și mijlocul anilor 1980 National Semiconductor a prezentat o versiune pe 32 de biți a procesorului anterior, procesorul numit NS 16032 avea un pinout compatibil cu versiunea pe 16 biți. Succesorul cu pinout capabil să transmită 32 de biți de date și adrese a fost NS 32032, care a fost utilizat într-o linie de computere industriale fabricate de OEM. În acel moment, Sequent a introdus primul sistem de server SMP bazat pe NS 32032. Aceste sisteme au fost abandonate la sfârșitul anilor 1980.

Alte arhitecturi, cum ar fi interesantul Zilog Z8000 (16 biți) și Zilog Z80000 (32 biți), au ajuns prea târziu pe piață și nu au avut nicio urmărire.

Microprocesoare pe 64 de biți pentru calculatoare personale

Athlon 64, primul procesor pe 64 de biți compatibil cu arhitectura x86

Deși microprocesoarele pe 64 de biți erau disponibile pentru sistemele high-end (servere și stații de lucru) în filozofia RISC începând cu ALPHA MICRO-urile digitale din anii 1990, abia după începutul noului mileniu au început să fie văzute sistemele pe 64 de biți. piața computerelor.

AMD a introdus primul sistem pe 64 de biți în septembrie 2003 cu Athlon 64 . Acest microprocesor a implementat AMD64, o extindere pe 64 de biți a IA-32 dezvoltată de AMD. Procesoarele au acceptat instrucțiuni de compatibilitate pe 32 de biți, dar numai cu modul pe 64 de biți și-au putut arăta puterea maximă. Odată cu trecerea la 64 de biți, registrele gestionate de setul de instrucțiuni ale procesoarelor au fost dublate pentru a îmbunătăți performanța sistemelor.

Arhitecturi multicore

Același subiect în detaliu: Multi core .

O abordare pentru creșterea performanței unui computer este utilizarea mai multor procesoare, ca în arhitecturile SMP utilizate în servere și stații de lucru din anii '90. Cu toate acestea, urmărirea legii lui Moore a prezentat dificultăți tot mai mari, precum și în proiectarea unor jetoane individuale mai performante, pe măsură ce se apropiau limitele fizice ale tehnologiei.

În consecință, producătorii au căutat soluții alternative pentru a urmări actualizările constante de pe piață. Datorită, de asemenea, evoluției continue a tehnologiei de fabricare a cipurilor, a devenit posibilă crearea de procesoare multi-core , constând în integrarea mai multor microprocesoare (nuclee) pe un singur cip.

Procesoarele multi-core permit o multiplicare a performanței pe baza numărului de nuclee (presupunând că sistemul de operare este capabil să profite de el). Diferitele nuclee pot partaja unele componente între ele, cum ar fi magistrala de interfață sau memoria cache de al doilea nivel. Apropierea extremă a diferitelor nuclee permite schimbul de date mult mai rapid în comparație cu sistemele SMP discrete tradiționale, îmbunătățind performanța generală.

În 2005, a fost introdus primul procesor dual-core (cu două nuclee), iar până în 2007 procesoarele dual-core au fost utilizate pe scară largă în servere, stații de lucru și PC-uri. Începând cu 2008, există deja procesoare quad-core (cu patru nuclee) pentru aplicații high-end în mediul profesional, dar și intern.

Sun Microsystems are recent ^{[ cand? ] a} anunțat cipurile Niagara și Niagara 2, ambele cu arhitectură octa-core (opt-core), în timp ce procesoarele dual-core de la Intel și AMD, tri-core de la IBM (derivate de la PowerPC, utilizate în consola Xbox 360) sunt deja utilizat pe scară largă) și quad-core pentru aplicații high-end. Concurența de pe piață a dus la procesare din ce în ce mai performante, la CES 2020 AMD a doborât recordul pentru procesoarele multicore cu un threadyper ryzen cu 64 de nuclee 128 de fire, cu un proces de producție de 7 nm. În 2020, procesoarele dual core sunt acum învechite și nu este dificil să vezi sistemele hexa-core (șase nuclee) sau octa-core (opt nuclee).

Cercetările științifice au arătat că, cu tehnologia actuală, va fi posibil să se construiască procesoare cu un proces de producție (dimensiunea tranzistorului în interiorul DIE al procesorelor) de până la 1nm. ^{[ fără sursă ]}

Microprocesoare CISC, RISC, MIPS și SPARC

Același subiect în detaliu: CISC , RISC , MIPS Architecture și SPARC .

Un microprocesor RISC R4400

La mijlocul anilor 1980 și începutul anilor 1990, au apărut multe microprocesoare RISC performante, deși aceste microprocesoare au fost utilizate în principal în sisteme performante bazate pe variante ale sistemului de operare Unix și mașini încorporate. De atunci, sistemele RISC s-au răspândit peste tot și acum chiar și microprocesoarele Intel se integrează într-o arhitectură RISC care utilizează un strat de emulare pentru a executa codul x86 de tip CISC .

Conceptul RISC a apărut în supercomputere încă din anii 1960 ( CDC 6600 ), dar primele proiecte care au vizat dezvoltarea microprocesoarelor RISC explicite datează din anii 1980 cu proiectele Berkeley RISC și proiectul MIPS de la Universitatea Stanford . Primul microprocesor comercial RISC a fost R2000 , un sistem pe 32 de biți aparținând arhitecturii MIPS derivat din arhitectura dezvoltată la Stanford. Succesorul R3000 a îmbunătățit performanța, iar R4000 a fost primul sistem RISC pe 64 de biți. Proiectele concurente au fost IBM POWER și Sun SPARC . La scurt timp, și alți producători au început să comercializeze procesoare RISC, inclusiv AT&T CRISP , AMD 29000 , Intel i860 și Intel i960 , Motorola 88000 , DEC Alpha și PA-RISC .

Războiul cu microprocesor a eliminat aproape toate familiile, doar PowerPC și SPARC rezistă în sistemele de calcul pentru servere și supercomputere. MIPS până în 2006 au fost utilizate de Silicon Graphics pentru unele dintre sistemele lor, deși acum sunt utilizate în principal în aplicații încorporate. Unele companii precum ARM au urmat o cale diferită. Procesoarele ARM au fost inițial concepute pentru a fi utilizate în computerele personale, dar în câțiva ani compania a realizat cererea ridicată de procesoare cu consum redus de energie pentru aplicațiile încorporate și convertite prin invadarea pieței încorporate cu versiuni adecvate de procesoare ARM. În prezent, piața dispozitivelor încorporate este dominată de procesoarele MIPS, ARM și PowerPC.

În calculul pe 64 de biți, arhitecturile DEC Alpha, AMD64, MIPS, SPARC, Power și Itanium sunt printre cele mai populare.

Clasificare

Tipurile particulare de microprocesoare sunt următoarele:

microprocesor monolitic;
microprocesor de uz general;
microprocesor special.

Microprocesor monolitic

Un microprocesor monolitic este un microprocesor format dintr-un singur circuit integrat . ^[4] Această etapă importantă a fost atinsă la începutul anilor șaptezeci ai secolului trecut grație progreselor remarcabile și surprinzătoare realizate de microelectronică : doar cu două decenii mai devreme un procesor conținut în întregime într-o singură componentă electronică capabilă să ocupe spațiul nu era nici măcar imaginat câteva. centimetri cubi . Astăzi, însă, microprocesorul este de obicei implementat ca un microprocesor monolitic. În prezent, prin urmare, microprocesorul monolitic este un tip extrem de răspândit de microprocesor.

Microprocesor de uz general

Un microprocesor cu scop general este un microprocesor conceput pentru a fi utilizat în cea mai variată prelucrare a datelor . Prin urmare, este utilizat ca procesor în computerele de uz general , dar și în alte sarcini. De exemplu, perifericele care necesită o putere de calcul mare pot fi echipate cu propriul procesor pentru a nu încărca procesorul central . Și adesea se utilizează microprocesoare de uz general pentru astfel de periferice. Un exemplu de periferice în care sunt utilizate microprocesoare de uz general sunt imprimantele .

Microprocesor special

Un microprocesor cu scop special este un microprocesor conceput pentru a fi utilizat în special în prelucrarea datelor . Un exemplu de microprocesor cu scop special este microcontrolerul . Alte exemple de microprocesoare cu destinație specială sunt microprocesoarele care implementează procesoare digitale de semnal , unități de procesare grafică și unități de calcul în virgulă mobilă .

Multe microprocesoare cu scop special au capacități limitate de programare sau nu sunt complet programabile. De exemplu, primele GPU-uri dezvoltate în anii nouăzeci nu erau programabile sau suportau o programare limitată. Abia recent GPU-urile au câștigat o oarecare libertate de programare.

RCA 1802 a fost un microprocesor specializat nu pentru că era limitat în programare, ci pentru că a fost proiectat pentru aplicații spațiale și, prin urmare, avea caracteristici speciale. Sistemul a fost definit ca un design static, deoarece ar putea varia frecvența de funcționare într-un mod arbitrar până la 0 Hz pentru a intra în oprire totală. Sondele Voyager , Viking și Galileo pun procesorul în repaus pentru a utiliza cea mai mică putere electrică în timpul călătoriilor spațiale.

Realizare

Realizarea cipurilor (și deci și a microprocesoarelor) are loc în diferite faze. Materialul de pornire este o plachetă circulară de semiconductor (de obicei siliciu ) numită substrat : acest material, deja ușor dopat, este dopat în continuare prin implantarea de ioni pentru a crea zonele active ale diferitelor dispozitive; O serie de straturi subțiri de diferite materiale sunt apoi depuse pentru a crea napolitana:

Straturi semiconductoare policristaline;
Straturi izolante subțiri;
Straturi izolante de oxid mult mai groase decât cele precedente;
Straturi metalice pentru conexiuni electrice, realizate în general din aluminiu și mai rar din cupru

Rețea de atomi de „siliciu întins” într-un microprocesor modern

Geometria zonelor care trebuie să primească dopajul este dată de un proces de fotolitografie: de fiecare dată când circuitul integrat trebuie să primească un nou strat sau o nouă implantare de dopant, este acoperit de un film subțire fotosensibil, care este impresionat prin intermediul unei măști o definiție foarte înaltă. Zonele iluminate ale filmului devin solubile și sunt îndepărtate prin spălare, lăsând astfel cipul subiacent neacoperit. Odată ce creația cipurilor pe substrat este terminată, acestea sunt testate, substratul este tăiat și cipurile încapsulate în pachetele cu care vor fi montate pe circuitele imprimate. Într-un circuit integrat puteți introduce cu ușurință tranzistoare și diode: este posibil, de asemenea, să creați rezistențe mici și condensatoare pe semiconductor, dar, în general, ultimele componente ocupă mult spațiu pe cip și avem tendința de a evita utilizarea acestora, înlocuindu-le când este posibil cu rețele de tranzistor. Pe de altă parte, nu este posibil să se integreze inductoare, transformatoare, care, prin urmare, trebuie conectate extern la circuitul integrat: același lucru se aplică condensatoarelor de capacitate medie și mare.

In ultimii ani, cu toate acestea, Silicon a început să fie utilizat în combinație cu germaniu cu tehnica de siliciu alungit (luxat-siliciu). Această tehnică constă în depunerea, pe corpul plăcii de siliciu, a unui strat de 2 microni siliciu-germaniu cu o concentrație de germaniu egală cu 20%; concentrația de germaniu nu este uniformă pe întregul strat: există o concentrație mai mare în partea superioară a structurii. În acest moment, un strat foarte subțire de siliciu cu o grosime de aproximativ 20 nm este depus pe stratul de siliciu-germaniu. Questa tecnica allunga il reticolato cristallino del Silicio di circa l'1% sia in direzione laterale che verticale e ciò permette un enorme incremento sulla mobilità dei portatori di carica , che incontrano una resistenza inferiore al loro passaggio e fluiscono fino al 70% più velocemente, cosa che rende più veloci i chip del circa 30% senza bisogno di ulteriori miniaturizzazioni. Il principio che sta alla base di tutto questo è che gli atomi di silicio dello strato sovrastante tendono ad allinearsi con quelli dello strato di silicio-germanio che, essendo più spesso, obbliga gli atomi di silicio a spaziarsi di una distanza analoga a quella degli atomi di silicio-germanio.

Nota: nei wafer di silicio da 8", non si usa più da tempo né rame né alluminio per i collegamenti, bensì diversi strati di tungsteno (deposti a tot Angstrom, a seconda dello strato) che vanno a ricoprire le Vias che sono appunto i famosi piedini dove vengono fatti i collegamenti elettrici, con le micro-saldature. Il tungsteno è deposto su tutto il wafer (sarebbe estremamente difficile ricoprire migliaia e migliaia di Vias singolarmente) e viene rimosso per planarizzazione chimica-meccanica.

Mercato dei microprocessori

Nel 2003 il mercato dei microprocessori valeva 44 miliardi di dollari; la cifra include sia la produzione che la vendita ^[5] .

I microprocessori per personal computer assorbono la metà del fatturato totale pur rappresentando solo lo 0.2% del numero totale di pezzi prodotti.

Circa il 55% delle CPU erano microcontrollori a 8 bit; nel 1997 furono venduti più di due miliardi di microcontrollori a 8 bit ^[6] .

Meno del 10% delle CPU erano a 32 bit o 64 bit; di tutte le CPU a 32 bit, solo il 2% era utilizzato nei personal computer, mentre il 98% era utilizzato in applicazioni embedded come elettrodomestici, controllori industriali, periferiche per computer o altro.

Tenendo conto di tutti i microprocessori prodotti e del mercato totale, il prezzo medio di un microprocessore è di 6 dollari statunitensi ^[7] .

Tra tutte le case produttrici si distinguono, specie nel mercato dei personal computer e server , Intel e AMD .

Architetture e microprocessori comuni

AMD K5 , K6 , K6-2 , K6-III , Duron , Athlon , Athlon XP , Athlon MP , Athlon XP-M ( IA-32 32-bit Intel architettura x86 )
AMD Athlon 64 , Athlon 64 FX , Athlon 64 X2 , Opteron , Sempron , Turion 64 (architettura AMD64 )
architettura ARM , StrongARM , Intel PXA2xx
Altera Nios , Nios II
Architettura Atmel AVR (microcontrollori)
EISC
RCA 1802 (noto anche come RCA COSMAC, CDP1802)
Cyrix M1, M2 (IA-32 architettura x86)
DEC Alpha
Intel 4004 , 4040
Intel 8080 , 8085 , Zilog Z80
Architettura x86
- Intel 8086 , 8088 , 80186 , 80188 (architettura x86 a 16 bit reale)
- Intel 80286 (architettura x86 a 16 bit modalità reale e protetta)
- Intel 80386 , 80486 , Pentium , Pentium Pro , Celeron , Intel Core Duo , Intel Core 2 Duo, Pentium II , Pentium III , Xeon , Pentium 4 , Pentium M , Celeron M (IA-32 architettura Intel x86 a 32 bit)
Autimi Xeon , primi Pentium 4 , Pentium D , Celeron D , Intel Core 2 (architettura EM64T )
Intel Centrino (anche nella versione dual-core)
Intel Core SandyBridge I3, I5 e I7
Intel Core IvyBridge I3, I5 e I7
Intel Itanium (architettura IA-64 )
Intel i860
Intel i960
Architettura MIPS
Motorola 6800 , MOS Technology 6502 , Motorola 6809
Motorola 68000 , ColdFire
Motorola 88000
NexGen Nx586 (IA-32 architettura x86 a 32 bit)
IBM POWER
NSC 320xx
OpenCores architettura OpenRISC
PA-RISC
PowerPC , G3 , G4 , G5
National Semiconductor SC/MP ("scamp")
Signetics 2650
SPARC , UltraSPARC , UltraSPARC II–IV
SuperH family
Transmeta Crusoe , Efficeon ( VLIW architettura x86, IA-32 32-bit Intel x86 tramite emulazione)
INMOS Transputer
VIA C3,C7,Eden Series (IA-32 architettura x86 a 32 bit)
Western Design Center 65xx
XAP da Cambridge Consultants

Note

^ Microprocessore , in Treccani.it – Vocabolario Treccani on line , Istituto dell'Enciclopedia Italiana. «In informatica, dispositivo elettronico a semiconduttori realizzato, con la tecnologia dei circuiti integrati, in uno o più chip»
^ Un californiano ottiene il brevetto ( JPG ), in MCmicrocomputer , n. 101, Roma, Technimedia, novembre 1990, p. 141, ISSN 1123-2714 ( WC · ACNP ) .
^ (si veda qui per la bibliografia o qui per le caratteristiche )
^ Altre espressioni utilizzate più raramente (in quanto di maggiore lunghezza) per specificare che il microprocessore è costituito da un solo circuito integrato sono le seguenti: "microprocessore a singolo circuito integrato", "microprocessore a singolo integrato", "microprocessore a singolo microchip", "microprocessore a singolo chip".
^ https://web.archive.org/web/20041207091926/http://www.wsts.org/press.html
^ https://web.archive.org/web/20070927214629/http://www.circuitcellar.com/library/designforum/silicon_update/3/index.asp
^ https://web.archive.org/web/20070926222619/http://www.embedded.com/shared/printableArticle.jhtml?articleID=9900861

Bibliografia

Roland Dubois, Capire i microprocessori , Gruppo Editoriale Jackson, 1983, ISBN 88-7056-146-1 .
Marco Coppelli e Bruno Stortoni, Microprocessori – Teoria e progetto , La Sovrana Editrice, 1986.
Rodnay Zaks e Austin Lesea, Lessico dei microprocessori , Jackson Italiana Editrice, 1979.
Arpad Barna e Dan I. Porat, Microcomputer e microprocessori , Edizioni CELI, 1978.
Rodnay Zaks, Microprocessori - Dai chips ai sistemi , Gruppo Editoriale Jackson, 1980.