Дизайн процессора

Проектирование процессоров — это раздел информатики и компьютерной инженерии (производства), занимающийся созданием процессора , ключевого компонента компьютерного оборудования .

Процесс проектирования включает в себя выбор набора команд и определенной парадигмы выполнения (например, VLIW или RISC ) и приводит к созданию микроархитектуры , которая может быть описана, например, в VHDL или Verilog . Что касается конструкции микропроцессора , это описание затем изготавливается с использованием некоторых из различных процессов изготовления полупроводниковых устройств , в результате чего получается кристалл , который прикрепляется к подложке кристалла . Этот носитель микросхем затем припаивается или вставляется в гнездо на печатной плате (PCB).

Режим работы любого процессора — выполнение списков инструкций. Инструкции обычно включают в себя инструкции по вычислению или манипулированию значениями данных с использованием регистров , изменению или извлечению значений в памяти чтения/записи, выполнению реляционных тестов между значениями данных и управлению потоком программы.

Проекты процессоров часто тестируются и проверяются на одной или нескольких FPGA перед отправкой конструкции процессора на литейный завод для изготовления полупроводников . ^[1]

Подробности

Основы

Конструкция процессора разделена на несколько компонентов. Информация передается через пути данных (такие как ALU и конвейеры ). Эти каналы данных управляются логическими блоками управления . памяти Компоненты включают файлы регистров и кэши для хранения информации или определенных действий. Схема тактирования поддерживает внутренние ритмы и синхронизацию через драйверы тактовых импульсов, системы ФАПЧ и сети распределения тактовых импульсов . Схема приемопередатчика Pad позволяет принимать и отправлять сигналы, а также логических элементов , библиотеку которая используется для реализации логики.

ЦП, предназначенные для рынков с высокой производительностью, могут потребовать специальной (оптимизированной или специфичной для конкретного приложения (см. ниже)) конструкции для каждого из этих элементов для достижения целей по частоте, рассеиваемой мощности и площади кристалла, тогда как ЦП, разработанные для рынков с более низкой производительностью, могут уменьшить необходимость реализации. бремя, приобретая некоторые из этих предметов, приобретая их как интеллектуальную собственность . Методы реализации логики управления ( синтез логики с использованием инструментов САПР) могут использоваться для реализации путей данных, файлов регистров и часов. Общие стили логики, используемые при проектировании ЦП, включают неструктурированную случайную логику, конечные автоматы , микропрограммирование (распространено с 1965 по 1985 год) и программируемые логические массивы (распространено в 1980-х годах, больше не распространено).

Логика реализации

Типы устройств, используемые для реализации логики, включают:

Отдельные электронные лампы , отдельные транзисторы и полупроводниковые диоды , а также транзисторно-транзисторной логики логические микросхемы мелкомасштабной интеграции — больше не используются для ЦП.
Логика программируемых массивов и программируемые логические устройства – больше не используются для ЦП.
с эмиттерной связью (ECL) Логические матрицы – больше не распространены
CMOS Массивы вентилей – больше не используются для ЦП.
КМОП -ИС массового производства – подавляющее большинство ЦП по объему
CMOS ASIC - только для меньшинства специальных приложений из-за затрат.
Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) – обычно используются в программных микропроцессорах и более или менее необходимы для реконфигурируемых вычислений.

Проект проектирования ЦП обычно решает следующие основные задачи:

, видимая программисту Архитектура набора команд , которая может быть реализована с помощью различных микроархитектур.
Архитектурное исследование и моделирование производительности в ANSI C / C++ или SystemC ^{[ нужны разъяснения ]}
Реализация высокоуровневого синтеза (HLS) или уровня передачи регистров (RTL, например логика)
RTL- проверка
Схемотехника компонентов, критичных к скорости (кэши, регистры, АЛУ)
Логический синтез или проектирование на уровне логических элементов
Временной анализ для подтверждения того, что вся логика и схемы будут работать на указанной рабочей частоте.
Физический проект, включая планировку , место и маршрут логических вентилей.
Проверка эквивалентности представлений RTL, уровня вентиля, транзистора и физического уровня.
Проверяет целостность сигнала , технологичность чипа

Перепроектирование ядра ЦП с уменьшением площади кристалла помогает все уменьшить (« уменьшение фотомаски »), в результате чего на кристалле меньшего размера получается такое же количество транзисторов. Это повышает производительность (транзисторы меньшего размера переключаются быстрее), снижает мощность (провода меньшего размера имеют меньшую паразитную емкость ) и снижает стоимость (на одной кремниевой пластине помещается больше процессоров). Выпуск ЦП на кристалле того же размера, но с меньшим ядром ЦП, сохраняет стоимость примерно той же, но обеспечивает более высокий уровень интеграции в рамках одного очень крупномасштабного интеграционного чипа (дополнительный кэш, несколько ЦП или другие компоненты), улучшая производительность. и снижение общей стоимости системы.

Как и в случае с большинством сложных электронных проектов, усилия по проверке логики (доказывающие, что в проекте нет ошибок) теперь доминируют в графике проекта ЦП.

Ключевые архитектурные инновации ЦП включают индексный регистр , кэш , виртуальную память , конвейерную обработку инструкций , суперскаляр , CISC , RISC , виртуальную машину , эмуляторы , микропрограммы и стек .

Микроархитектурные концепции

Темы исследований

множество новых идей дизайна ЦП Было предложено .включая реконфигурируемую логику , безтактовые процессоры , вычислительную оперативную память и оптические вычисления .

Анализ производительности и бенчмаркинг

Бенчмаркинг — это способ тестирования скорости процессора. Примеры включают SPECint и SPECfp , разработанные Standard Performance Evaluation Corporation , и ConsumerMark, разработанные Консорциумом по тестированию встроенных микропроцессоров EEMBC .

Некоторые из часто используемых показателей включают в себя:

Число инструкций в секунду . Большинство потребителей выбирают архитектуру компьютера (обычно архитектуру Intel IA32 ), чтобы иметь возможность запускать большую базу уже существующего предварительно скомпилированного программного обеспечения. Будучи относительно неосведомленными о компьютерных тестах, некоторые из них выбирают конкретный процессор на основе рабочей частоты (см. Миф о мегагерцах ).
ФЛОПС . Число операций с плавающей запятой в секунду часто имеет важное значение при выборе компьютеров для научных вычислений.
Производительность на ватт . Разработчики систем, создающие параллельные компьютеры , такие как Google , выбирают процессоры в зависимости от их скорости на ватт мощности, поскольку стоимость питания ЦП превышает стоимость самого ЦП. ^[2]^[3]
Некоторые системные проектировщики, создающие параллельные компьютеры, выбирают процессоры по скорости за доллар.
Разработчики систем, создающие вычислительные системы реального времени, хотят гарантировать реакцию в худшем случае. Это легче сделать, когда ЦП имеет низкую задержку прерываний и имеет детерминированный отклик. ( ЦСП )
Программисты, которые программируют непосредственно на языке ассемблера, хотят, чтобы ЦП поддерживал полнофункциональный набор команд .
Низкая мощность — для систем с ограниченными источниками энергии (например, солнечной энергией, батареями, энергией человека).
Малые размеры или небольшой вес - для портативных встраиваемых систем, систем для космических аппаратов.
Воздействие на окружающую среду. Минимизация воздействия компьютеров на окружающую среду во время производства и переработки, а также во время использования. Сокращение отходов, сокращение количества опасных материалов. (см. «Зеленые вычисления» ).

При оптимизации некоторых из этих показателей могут возникнуть компромиссы. В частности, многие методы проектирования, которые заставляют процессор работать быстрее, значительно ухудшают «производительность на ватт», «производительность на доллар» и «детерминированный отклик», и наоборот.

Рынки

Существует несколько различных рынков, на которых используются процессоры. Поскольку требования к процессорам на каждом из этих рынков различаются, устройства, предназначенные для одного рынка, в большинстве случаев не подходят для других рынков.

Вычисления общего назначения

По состоянию на 2010 год ^[update]На рынке компьютеров общего назначения, то есть настольных компьютеров, ноутбуков и серверных компьютеров, обычно используемых в бизнесе и дома, Intel IA-32 и 64-битная версия архитектуры x86-64 на рынке доминируют процессоры , а их конкуренты — PowerPC и SPARC поддерживает гораздо меньшую клиентскую базу. Ежегодно на этом рынке используются сотни миллионов процессоров архитектуры IA-32. Растущий процент этих процессоров предназначен для мобильных устройств, таких как нетбуки и ноутбуки. ^[4]

Поскольку эти устройства используются для запуска бесчисленного количества различных типов программ, эти конструкции ЦП не предназначены специально для одного типа приложений или одной функции. Требования к возможности эффективного запуска широкого спектра программ сделали эти конструкции ЦП одними из наиболее продвинутых с технической точки зрения, наряду с некоторыми недостатками, такими как относительно высокая стоимость и высокое энергопотребление.

Экономика высокопроизводительного процессора

В 1984 году на разработку большинства высокопроизводительных процессоров уходило от четырех до пяти лет. ^[5]

Научные вычисления

Научные вычисления представляют собой гораздо меньшую нишу рынка (по доходам и поставляемым единицам). Он используется в государственных исследовательских лабораториях и университетах. До 1990 года проектирование ЦП часто разрабатывалось для этого рынка, но ЦП для массового рынка, организованные в большие кластеры, оказались более доступными. Основная оставшаяся область активного проектирования и исследования аппаратного обеспечения для научных вычислений — это высокоскоростные системы передачи данных для подключения процессоров массового рынка.

Встроенный дизайн

Если судить по поставляемым единицам, большинство процессоров встроено в другое оборудование, такое как телефоны, часы, бытовая техника, транспортные средства и инфраструктура. Встраиваемые процессоры продаются в количестве многих миллиардов единиц в год, однако, в основном по гораздо более низким ценам, чем процессоры общего назначения.

Эти однофункциональные устройства отличаются от более привычных процессоров общего назначения по нескольким причинам:

Низкая стоимость имеет большое значение.
Важно поддерживать низкую рассеиваемую мощность, поскольку встроенные устройства часто имеют ограниченный срок службы батареи, и часто нецелесообразно включать охлаждающие вентиляторы.
Чтобы снизить стоимость системы, периферийные устройства интегрированы с процессором на одном кремниевом чипе.
Хранение периферийных устройств на кристалле также снижает энергопотребление, поскольку внешние порты GPIO обычно требуют буферизации, чтобы они могли подавать или поглощать относительно высокие токовые нагрузки, необходимые для поддержания сильного сигнала вне чипа.
- Многие встроенные приложения имеют ограниченный объем физического пространства для схем; хранение периферийных устройств на кристалле уменьшит пространство, необходимое для печатной платы.
- Память программ и данных часто объединены в одном чипе. Когда единственной разрешенной памятью программы является ПЗУ , устройство называется микроконтроллером .
Для многих встроенных приложений задержка прерывания будет более критичной, чем в некоторых процессорах общего назначения.

Экономика встроенного процессора

Семейство встраиваемых процессоров с наибольшим количеством проданных единиц — это 8051 , в среднем около миллиарда единиц в год. ^[6] Модель 8051 широко используется, поскольку она очень недорогая. Время разработки сейчас примерно равно нулю, поскольку оно широко доступно как коммерческая интеллектуальная собственность. Сейчас он часто встроен в микросхему как небольшая часть более крупной системы. Стоимость кремния 8051 теперь составляет всего 0,001 доллара США, поскольку в некоторых реализациях используется всего 2200 логических элементов и требуется 0,4730 квадратных миллиметров кремния. ^[7]^[8]

производится больше процессоров, По состоянию на 2009 год с использованием наборов инструкций семейства архитектуры ARM чем с любым другим 32-битным набором команд. ^[9]^[10]Архитектура ARM и первый чип ARM были разработаны примерно за полтора года и 5 человеческих лет рабочего времени. ^[11]

32-битная архитектура микроконтроллера Parallax Propeller и первый чип были разработаны двумя людьми примерно за 10 человеческих лет рабочего времени. ^[12]

8-битная архитектура AVR и первый микроконтроллер AVR были задуманы и разработаны двумя студентами Норвежского технологического института.

8-битная архитектура 6502 и первый чип MOS Technology 6502 были разработаны за 13 месяцев группой из примерно 9 человек. ^[13]

Исследовательский и образовательный дизайн процессоров

32-битные процессоры Berkeley RISC I и RISC II в основном были разработаны группой студентов в рамках четырехчетвертной программы последипломного обучения. ^[14]Эта конструкция легла в основу конструкции коммерческого процессора SPARC .

В течение примерно десяти лет каждый студент курса 6.004 в Массачусетском технологическом институте был частью команды — у каждой команды был один семестр на проектирование и создание простого 8-битного процессора на основе серии 7400 интегральных схем .В течение этого семестра одна команда из четырех студентов спроектировала и построила простой 32-битный процессор. ^[15]

Некоторые курсы бакалавриата требуют, чтобы команда из 2–5 студентов спроектировала, внедрила и протестировала простой ЦП в FPGA в течение одного 15-недельного семестра. ^[16]

Процессор MultiTitan был разработан с трудом в 2,5 человеко-года, что в то время считалось «относительно небольшим трудозатратами на проектирование». ^[17]24 человека приняли участие в 3,5-летнем исследовательском проекте MultiTitan, который включал проектирование и создание прототипа процессора. ^[18]

Мягкие ядра микропроцессора

Для встроенных систем высочайший уровень производительности часто не нужен или нежелателен из-за требований к энергопотреблению. Это позволяет использовать процессоры, которые могут быть полностью реализованы с помощью методов логического синтеза . Эти синтезированные процессоры могут быть внедрены в гораздо более короткие сроки, что сокращает время выхода на рынок .

См. также

Закон Амдала
Центральный процессор
Сравнение архитектур наборов команд
Компьютер со сложным набором команд
Автоматизация электронного проектирования
Синтез высокого уровня
История процессоров общего назначения
Разработка интегральных схем
Микроархитектура
Микропроцессор
Компьютер с минимальным набором команд
Закон Мура
Компьютер с сокращенным набором команд
Система на чипе
Сеть на чипе
Комплект технологического проектирования – набор документов, созданных или накопленных для процесса производства полупроводниковых приборов.

Ссылки

^ Катресс, Ян (27 августа 2019 г.). «Xilinx объявляет о выпуске крупнейшей в мире FPGA: Virtex Ultrascale+ VU19P с 9-метровыми ячейками» . АнандТех .
^ «EEMBC ConsumerMark» . Архивировано из оригинала 27 марта 2005 года.
^ Стивен Шенкленд (9 декабря 2005 г.). «Электроэнергия может стоить дороже, чем серверы, предупреждает Google» . ЗДНет .
^ Керр, Джастин. «AMD теряет долю рынка, поскольку продажи мобильных процессоров впервые превысили продажи настольных компьютеров». Максимум ПК. Опубликовано 26 октября 2010 г.
^ Статья «Новая система обрабатывает сотни транзакций в секунду»Роберт Хорст и Сандра Мец из Tandem Computers Inc.,Журнал «Электроника», 1984 год, 19 апреля:«Хотя для разработки большинства высокопроизводительных процессоров требуется четыре-пять лет,Процессору NonStop TXP потребовалось всего 2+1/2 года —шесть месяцев на разработку полной письменной спецификации,один год на создание рабочего прототипа,и еще год для достижения объемного производства».
^ Кертис А. Нельсон. «Обзор 8051» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 октября 2011 г. Проверено 10 июля 2011 г.
^ «T8051 Tiny 8051-совместимый микроконтроллер» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2011 г.
^ Чтобы подсчитать количество долларов за квадратный миллиметр, см. [1] и обратите внимание, что компонент SOC не требует затрат на контакты или упаковку.
^ «Ядра ARM поднимаются на территорию 3G» , Марк Хэчман, 2002.
^ «Двухпроцентное решение» Джима Терли, 2002.
^ "Путь ARM" 1998 г.
^ Грейси, Чип. «Почему работает пропеллер» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2009 г.
^ «Интервью с Уильямом Меншем» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 1 февраля 2009 г.
^ CH с блестками ; Д.А. Паттерсон . «Проектирование и реализация RISC I» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 5 марта 2006 г.
^ «ВХС» . Архивировано из оригинала 27 февраля 2010 г.
^ Ян Грей. «Преподавание компьютерного проектирования с использованием FPGA» .
^ Джуппи, Северная Каролина; Тан, JY-F. (октябрь 1989 г.). «32-битный CMOS-микропроцессор с производительностью 20 MIPS и высоким соотношением устойчивой и пиковой производительности». Журнал IEEE твердотельных схем . 24 (5): 1348–1359. Бибкод : 1989IJSSC..24.1348J . дои : 10.1109/JSSC.1989.572612 .
^ «MultiTitan: четыре документа по архитектуре» (PDF) . 1988. стр. 4–5. Архивировано (PDF) из оригинала 25 августа 2004 г.

Общие ссылки

[1] Катресс, Ян (27 августа 2019 г.). «Xilinx объявляет о выпуске крупнейшей в мире FPGA: Virtex Ultrascale+ VU19P с 9-метровыми ячейками» . АнандТех .

[2] «EEMBC ConsumerMark» . Архивировано из оригинала 27 марта 2005 года.

[3] Стивен Шенкленд (9 декабря 2005 г.). «Электроэнергия может стоить дороже, чем серверы, предупреждает Google» . ЗДНет .

[4] Керр, Джастин. «AMD теряет долю рынка, поскольку продажи мобильных процессоров впервые превысили продажи настольных компьютеров». Максимум ПК. Опубликовано 26 октября 2010 г.

[5] Статья «Новая система обрабатывает сотни транзакций в секунду»Роберт Хорст и Сандра Мец из Tandem Computers Inc.,Журнал «Электроника», 1984 год, 19 апреля:«Хотя для разработки большинства высокопроизводительных процессоров требуется четыре-пять лет,Процессору NonStop TXP потребовалось всего 2+1/2 года —шесть месяцев на разработку полной письменной спецификации,один год на создание рабочего прототипа,и еще год для достижения объемного производства».

[6] Кертис А. Нельсон. «Обзор 8051» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 октября 2011 г. Проверено 10 июля 2011 г.

[7] «T8051 Tiny 8051-совместимый микроконтроллер» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2011 г.

[8] Чтобы подсчитать количество долларов за квадратный миллиметр, см. [1] и обратите внимание, что компонент SOC не требует затрат на контакты или упаковку.

[9] «Ядра ARM поднимаются на территорию 3G» , Марк Хэчман, 2002.

[10] «Двухпроцентное решение» Джима Терли, 2002.

[11] "Путь ARM" 1998 г.

[12] Грейси, Чип. «Почему работает пропеллер» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2009 г.

[13] «Интервью с Уильямом Меншем» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 1 февраля 2009 г.

[14] CH с блестками ; Д.А. Паттерсон . «Проектирование и реализация RISC I» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 5 марта 2006 г.

[15] «ВХС» . Архивировано из оригинала 27 февраля 2010 г.

[16] Ян Грей. «Преподавание компьютерного проектирования с использованием FPGA» .

[17] Джуппи, Северная Каролина; Тан, JY-F. (октябрь 1989 г.). «32-битный CMOS-микропроцессор с производительностью 20 MIPS и высоким соотношением устойчивой и пиковой производительности». Журнал IEEE твердотельных схем . 24 (5): 1348–1359. Бибкод : 1989IJSSC..24.1348J . дои : 10.1109/JSSC.1989.572612 .

[18] «MultiTitan: четыре документа по архитектуре» (PDF) . 1988. стр. 4–5. Архивировано (PDF) из оригинала 25 августа 2004 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]