Procesor - CPU

CPU (z angl. Central Processing Unit)
Procesor je v podstatě polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou s několika příměsemi. Až doposud se používal hlavně hliník (Al), ale v současnosti se již objevují procesory (firmy IBM, AMD v továrně v Drážďanech) s mědí jako příměsí (měď je totiž mnohem lepší vodič el. proudu než hliník). Ale abychom pochopily, co to vlastně procesor je, měli bychom se podívat zpět do historie.

Historie počítačů a tedy i procesorů začala takhle: před 7000 lety vznikl Abakus dřevěná, nebo hliněná destička, do nichž se vkládaly kamínky "calculli" - v podstatě předchůdce dnešních kalkulaček, používal se ve starém Řecku a Římě. Poté následoval objev císaře Fou-Hi vyjádření údajů ve dvojkové soustavě, která se jednoho dne stane základním kamenem pro všechny digitální technologie. Postupem času byl objeven: algoritmus, děrné štíty, které budou představovat základ pro funkci elektromechanických počítačů po dlouhou dobu. Jejich výrobou se zabývá společnost Tabulating Machine, z níž jednou vznikne IBM.

To jsme se dostali do období 40.let 20.století, kdy se objevují první počítače: prvním byl německý relový počítač Zuse Z4 (byl to malý počítač s malou pamětí a asi proto v něm armáda nenašla využití, takže byl zapomenut a při spojeneckém náletu zničen). Také Amerika měla svůj relový počítač nazvaný Mark I, který byl použit k výpočtům na stavbu atomové bomby. Takže až roce 1944 byl na univerzite v Pensylvánii uveden do provozu první elektronkový počítac ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Eniac byl obrovské monstrum, jeho rozměry byl asi takovéto: měl 18000 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 7 000 odporu, 1 300 relé, byl chlazen dvěma leteckými motory, zabíral plochu asi 150 m2 a vážil okolo 40 tun a byl neskutečně pomalý. Ale už o rok později, v roce 1945, sestavil a uvedl do provozu John von Neumann počítač MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Iintegrator And Computer). Tento počítač byl mimo jiné použit k vývoji vodíkové bomby. První sériovým počítačem byl v roce 1951 elektronkový Univac firmy Remington. Počátkem 70.let se začínají používat integrované obvody (10-100 tranzistoru na čip). V souvislosti s integrací došlo k podstatnému zmenšení počítačů, objevila se polovodičová paměť, začala v roce 1981 a trvá do dnešních dnu. Používá se 1018 tranzistoru na čip. Obsahují integrované obvody střední a velké integrace, malé rozměry, velké rychlost a velká kapacita. Odtud název "mikroprocesor". Ještě pár dat, která jsou důležitá rok 1975 Bill Gate a Poul Allen zakládají firmu Microsoft, rok 1982 Intel představuje šestnáctibitový procesor 80286, který muže adresovat až 16MB paměti. Jeho kmitočet je až 12MHz a až 2,66 MIPS a skládá se ze 134000 tranzistorů.

Jak se vyrábí procesor
Procesor je polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou s několika příměsemi. Ale ještě předtím, než se vývojář vůbec dotkne křemíku, je vytvořen softwarový model procesoru označovaný jako RTL (Register Transfer Logic). Aby bylo testování co nejjednodušší, pracuje tento softwarový model mnohem pomaleji než skutečný procesor, zhruba na frekvenci 2 až 5 Hz. Souběžně s tím je testován další softwarový model, zvaný Arcsim, který na rozdíl od RTL pracuje v hladině špičkového tzv. high-end výkonu. Zvláštní testy jsou pak prováděny na velkém hardwarovém modelu. Takovýto model cipu je opravdu velký - často zabere celou místnost. Této fázi testování se říká emulace (emulation). Procesor je testován na skutečných sálových počítacích (mainframech), jejichž cena se pohybuje v rádu statisíců dolaru. Pokaždé, když je v procesoru objevena chyba, je celý model revidován, chyba je odstraněna a nakonec dostane opravený procesor nové označení v podobě kódu složeného ze dvou písmen. Jedná - li se o velký zásah do modelu, je modifikovaný procesor označen i zmenšeným písmenem (např. C4). Zásahy jsou prováděny speciálně vytvořeným iontovým paprskem, který umožňuje ve spojení s elektronovým mikroskopem měnit obvodové spoje, které jsou často velmi tenké. Proces testování dále pokračuje testováním kompatibility na spoustě hardwarových zařízení a tisících softwarových aplikací. Je totiž velice důležité, aby procesor uměl pracovat se stávajícím hardwarem na trhu a aby dokázal ovládat i současný software. V průběhu těchto testů je již hotový procesor montován do normálních počítačů a je testován zpravidla bez zásahu techniku. Procesory jsou samozřejmě podrobeny i různým výkonnostním testům benchmarkovými programy. Tím však testování nekončí. I po zahájení výroby jsou procesory podrobeny celé sérii testu trvajících 10 - 20 sekund. Přesto se však i v prvních sériích procesoru objevují chyby. Napr. v procesoru Pentium II bylo objeveno více než 50 chyb (2 % všech procesoru Pentia III se nevypíná). Tyto problémy se však týkaly okrajových oblastí, a tak se na běžném používání procesoru téměř neprojevily. Neznamená to, že by firmy investovaly málo peněz, úsilí a času do vývoje nového procesoru, ale spíše je to důkazem toho, že vyrobit kvalitní procesor je velice obtížná a náročná věc. Vezmeme - li např. procesor, který obsahuje 5 milionu tranzistoru. Pokud bychom chtěli prověřit všechny možné stavy procesoru, museli bychom vyzkoušet 25 milionu kombinací. Kromě toho musí procesor správně komunikovat se svým okolím, tzn. pamětí, základní deskou a periferiemi. Tolik tedy k jednotlivým fázím výroby procesoru. A jak je vlastně možné na plochu několika čtverečních centimetru umístit několik milionu tranzistoru. Bude řeč o mikronové technologii 0,25 µm a jí podobných.
Takže v čem to spočívá? Takže ještě v padesátých letech zabral počítač (výkonove srovnatelný s 286) celou místnost a jeho energetická spotřeba byla téměř neuvěřitelná. Většina spínacích obvodu tohoto počítače byla tvořena vakuovými elektronkami a drátěnými spoji. V šedesátých letech vyvinuli inženýři postup, díky němuž se podařilo tyto obvody integrovat na malé křemíkové destičky. Tím zmizely elektronky propojené dráty a vše se přesunulo do oblasti mikroskopických součástek. Polovodičová destička představuje jeden krystal křemíku, který se stává cílenými zásahy na některých místech vodivý a na některých nevodivý. Takto vzniklé "Mikro počítače" byly oproti svým předchůdcem nejenom astronomicky rychlé, ale nespotřebovávaly prakticky žádnou elektřinu. To byl okamžik zrození polovodičového průmyslu. U polovodičové techniky byl od počátku kladen obrovský důraz na miniaturizaci elektronických součástí. Zmenšování součástek tak ovlivnilo rozložení spínacích obvodu na křemíkové destičce. Tím se také velmi zkrátila dráha, kterou musí urazit letící elektron. Z toho také plyne, že se elektrony mohou pohybovat mnohem rychleji mezi jednotlivými funkčními prvky a to umožňuje vyrábět rychlejší procesory. Dalším efektem vyvolaným zmenšováním používaných struktur je to, že není třeba tak vysoké napájecí napětí k ovlivnění jednotlivých spínacích obvodu a tím pádem se muže snížit příkon (a z toho plynoucí tvorba tepla). Od objevení polovodičové technologie se celý průmysl snaží vyrobit co nejmenší součástky tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. Postup výroby procesoru je zpravidla nazýván podle nejmenšího prvku, který je možno vyrobit. To znamená, že pomocí stávající technologie 0,25 µm lze vyrobit prvky, které měří pouze 0,25 µm. Pro představu: lidský vlas má tloužku přibližně 80 µm. Procesor 386 byl vyroben technologií 1,5 µm. To znamená, že firma Intel během několika let zmenšila své procesory šestkrát!
Ještě pár slov na konec procesor Intel Pentium 4 se již dnes vyrábí s technologií 0,18µm a má 42 milionů tranzistorů a AMD ohlásila, že přejde z 0.18 mikronové výrobní technologie na menší 0.13 mikronovou v roce 2002. Ta povede k zvyšování frekvencí procesoru AMD takže se máme na co těšit!
Je však otázkou, kam až muže toto zmenšování dojít. Už dnes je jisté, že jednou vývojáři narazí na fyzikální hranice a co pak?Podle Moorova zákona se složitost integrovaných obvodů a tudíž i rychlost procesoru zvýší každý rok dvojnásobně takže kdo ví....