Микропроцессоры: шаг за шагом

ОБЗОР

По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности SIA (Semiconductor Industry Association) производство микросхем растет сегодня небывалыми темпами. Так, в мае объемы продаж кремниевых чипов достигли 15,8 млрд. долл., что на 39,8% больше, чем в прошлом году; по сравнению с апрелем рост составил 3,9%. Ожидаемая емкость рынка в 2000 г. прогнозируется на уровне 174 млрд. долл. Немалую лепту в общую сумму поступлений от продаж вносят программируемые логические матрицы и сигнальные процессоры, динамическая и флэш-память и, разумеется, микропроцессоры для ПК.

По мнению большинства экспертов, эта тенденция в ближайшем будущем не только сохранится, но и получит дальнейшее развитие. Дело в том, что ведущие фирмы - производители подобных микросхем вкладывают хорошие деньги в расширение и модернизацию своих производственных площадей.

Заводы и фабрики

С первых чисел июня идет отгрузка заказчикам процессоров AMD Athlon, изготовленных по 0,18-микронной технологии, с высокопроизводительным кэшем и медными проводниками с новейшего завода корпорации - Fab30, находящегося в Дрездене (Германия). К возведению этого предприятия, размещенного на территории в 75 акров, приступили весной 1998 г. Пилотные прогоны оборудования, на котором изготовлялись процессоры семейства AMD K6, начались в январе 1999 г., а первые устройства, созданные с применением технологии медных проводников, были получены в июле того же года.

Микропроцессор Duron

Стоимость Fab30, полностью оснащенного оборудованием, оценивается в 1,9 млрд. долл. Как полагает председатель правления и исполнительный директор AMD (www.amd.com) Джерри Сандерс (Jerry Sanders), именно это предприятие поможет корпорации сыграть решающую роль в захвате к концу 2001 г. до 30% всего рынка микропроцессоров для ПК. У AMD работает еще один завод - Fab25 в Остине (Техас), где производят микропроцессоры с той же проектной нормой (0,18 мкм), но с алюминиевыми проводниками.

Лидер по производству микропроцессоров для ПК корпорация Intel (www.intel.com) за последние полгода вложила значительные средства в увеличение своих производственных мощностей. В январе она объявила о начале строительства в г. Чандлере (шт. Аризона) Fab22, новой фабрики по крупномасштабному производству 300-миллиметровых кремниевых пластин, возведение и оснащение которой оборудованием потребует инвестиций в размере 2 млрд. долл. Фабрика разместится рядом с уже работающим заводом Fab12 на территории принадлежащего Intel промышленного центра “Окотилло” площадью примерно 285 га. Производственные площади нового предприятия займут около 33,5 тыс. кв. м, из которых примерно 12,5 тыс. кв. м приходится на стерильные помещения.

По сравнению с традиционными 200-миллиметровыми (или 8-дюймовыми) подложками, применяемыми сегодня в большинстве случаев при изготовлении полупроводниковых устройств, их 300-миллиметровые (или 12-дюймовые) аналоги позволяют более чем на 225% увеличить поверхность кремниевой пластины. При этом площадь печатного монтажа, т. е. компьютерной микросхемы как таковой, возрастает примерно на 240%. Увеличение размеров пластин приведет также более чем к 30%-ному снижению себестоимости каждой подложки. Изготовление 200-миллиметровых подложек по разработанной Intel 0,13-микронной технологии с применением медной металлизации начнется уже в 2001 г., с последующим переходом на производство 300-миллиметровых пластин.

В мае корпорация объявила о намерении вложить еще 2 млрд. долл. в расширение своего производства в Рио-Ранчо (шт. Нью-Мексико). Intel планирует увеличить производственные площади более чем на 90 тыс. кв. м, включая свыше 12 тыс. кв. м, отведенных под “чистую комнату” для производства микропроцессорных компонентов. Расширение связано с переходом на новую 0,13-микронную технологию изготовления микропроцессоров на 300-миллиметровых подложках.

Микропроцессор VIA Cyrix III

Ожидается, что реализация этого проекта приведет к созданию 500-1000 новых рабочих мест в ближайшие три-пять лет, в том числе для технических специалистов и обслуживающего персонала. Сейчас на заводе Intel в Рио-Ранчо занято около 5200 человек. Интересно, что в штате первого завода в этом городе, введенного в действие в 1980 г., было всего 25 человек.

О вложении очередных 2 млрд. долл. корпорация Intel объявила в июне. Эти деньги пойдут на расширение производственных мощностей за счет строительства новой фабрики по выпуску подложек в ее европейском производственном отделении в г. Лейкслипе (Ирландия). Новое предприятие, которое получило обозначение Fab24, будет оснащено “чистой комнатой” размером более 12,5 тыс. кв. м, а его общая площадь превысит 93 тыс. кв. м. Выпуск первой продукции планируется начать уже во второй половине 2001 г.

Отметим, что основные производственные мощности корпорации расположены в следующих городах:

- США: Санта-Клара и Фолсом (шт. Калифорния), Хиллсборо и Алоха (шт. Орегон), Дюпон (шт. Вашингтон), Чандлер (шт. Аризона), Рио-Ранчо (шт. Нью-Мексико), Америкэн-Форк (шт. Юта).

- Европа: Мюнхен (Германия), Суиндон (Англия), Лейкслип (Ирландия).

- Азиатско-Тихоокеанский регион: Сидней (Австралия), Гонконг, Манила (Филиппины), Цукуба (Япония), Пенанг (Малайзия), Бангалор (Индия), Сингапур и Шанхай (Китай).

- Ближний Восток и Африка: Хайфа и Иерусалим (Израиль), Йоханнесбург (ЮАР).

- Карибский бассейн: Лас-Пьедрас (Пуэрто-Рико).

Ведется строительство новых производственных мощностей в Шанхае (Китай), Кулиме (Малайзия), Кирьят-Гате (Израиль) и Сан-Хосе (Коста-Рика).

Грядет Pentium 4

В конце июня Intel объявила о том, что следующее поколение микропроцессоров, известных сегодня под кодовым наименованием Willamette, появится на рынке под товарным знаком Intel Pentium 4. Выпуск новой микросхемы намечен на вторую половину 2000 г. Pentium 4 должен стать первой за долгие годы серьезной переделкой архитектуры P6. За последние пять лет, с момента выхода Pentium Pro в октябре 1995 г., в области архитектуры микропроцессоров Intel не происходило ничего более значительного. Напомним, что за это время были выпущены кристаллы Pentium II, Celeron, Xeon и Pentium III.

Микропроцессоры Pentium III были анонсированы корпорацией Intel в I квартале 1999 г. и обладали повышенной тактовой частотой и производительностью. В них используются средства идентификации серийного номера процессора (Processor Serial Number, PSN), расширения SSE (Streaming SIMD Extensions), поддерживается более быстрая внешняя шина. Первоначально Pentium III носили кодовое наименование Katmai и изготовлялись с соблюдением технологических норм 0,25 мкм. В IV квартале 1999 г. Intel перешла на 0,18-микронные производственные процессы и представила чип с кодовым наименованием Coppermine.

Технология 0,18 мкм позволяет получить структуры, толщина которых составляет всего 1/500 человеческого волоса. Это меньше, чем размеры бактерий и видимая человеческому глазу длина световых волн. Переход на эту технологию позволил повысить тактовую частоту процессора и снизить его энергопотребление, обеспечить более высокий выход годной продукции.

Процессоры Coppermine имеют подложку меньшего размера, чем Katmai, что позволило интегрировать с процессором кэш второго уровня (L2). Благодаря этой интеграции сверхоперативная память может функционировать с полной скоростью ядра, что значительно повышает производительность Coppermine по сравнению с процессорами Pentium III предыдущего поколения.

Еще одно преимущество новейших процессоров Pentium III заключается в их способности поддерживать системную шину с тактовой частотой 133 МГц (FSB, front side bus). Проблема в том, что эта особенность еще не вполне четко увязывается с возможностями процессоров Katmai или Coppermine. Основной источник путаницы в том, что с тактовой частотой 600 МГц или ниже выпускаются следующие версии процессоров: с поддержкой 100 МГц системной шины, с поддержкой 133 МГц системной шины, но производимые по 0,25-микронной технологии, со 133 МГц FSB, интегрированным кэшем второго уровня объемом 256 Кб и с поддержкой 0,18-микронной технологии. Суффикс B в маркировке обозначает поддержку 133 МГц FSB, либо скорость шины указывается явно вместе с тактовой частотой процессора. При скорости процессора выше 600 МГц технологии не перекрываются. Все эти процессоры носят наименование Coppermine и поддерживают внешнюю шину (FSB) с тактовой частотой 100 или 133 МГц. Добавленный в маркировке к обозначению процессора суффикс E указывает на процессор Coppermine (при наличии процессора Katmai с той же тактовой частотой).

Микропроцессор Celeron

Судя по опубликованной информации, Pentium 4 будут характеризовать следующие особенности: асимметричное ядро с блоками, работающими на различных скоростях; значительно улучшенная версия суперскалярного механизма исполнения инструкций; новый кэш, отслеживающий порядок выполнения инструкций; переработанные блоки операций с мультимедиа-данными и числами с плавающей запятой; огромный набор разнообразных инструкций; совершенно новая 100 МГц шина, передающая по четыре пакета данных за такт, что дает результирующую частоту 400 МГц; 20-ступенчатый конвейер выполнения команд. Тактовая частота должна составить 1,4-1,5 ГГц, а емкость кэша L2 - 1024 Кб. Кристаллы будут производиться с соблюдением проектных норм 0,13 мкм.

По мнению специалистов Intel, Pentium 4 станет основой для создания нового семейства микропроцессоров, использующих совершенно новую архитектуру, которая позволит повысить производительность Pentium III (Coppermine) в 1,5 раза. Наиболее очевидными преимущества данного процессора будут в следующих областях:

- создание хорошо персонализированных интеллектуальных приложений управления базами знаний;

- одновременное обслуживание большого числа активных каналов данных - обработка запросов, мониторинг, специализация и защита;

- повышение производительности распознавания речи, видео и 3D-графики;

- повышенная мощность обработки фоновых задач поддержки электронного ведения бизнеса в Windows 2000, таких, как шифрование с целью защиты информации.

Напомним, что в настоящее время микропроцессор Athlon (приблизительно 37 млн. транзисторов), выпускаемый на заводах корпорации AMD, имеет размещенную на кристалле сверхоперативную память (кэш L2 объемом 256 Кб и кэш L1 объемом 128 Кб) и тактовую частоту 1 ГГц. В настоящий момент в конкурентной борьбе AMD применяет против Intel два не раз хорошо проверенных средства. Первое - агрессивная ценовая политика, в результате чего процессоры Athlon оказываются немного дешевле своих соперников (Intel Pentium III), работающих на аналогичной частоте. И второе - благодаря новой системной архитектуре AMD удается быстро повышать частоту своих микропроцессоров.

Duron vs. Celeron

Наметившаяся в последние годы тенденция к резкому снижению стоимости ПК не только не принесла дивидендов компаниям, специализирующимся на недорогих чипах (таких, как IDT/Centaur, National Semiconductor и Rise Technologies), но и в немалой степени способствовала их уходу с рынка. Но это отнюдь не означало, что спрос на дешевые (но производительные) кристаллы внезапно исчез. Напротив, он, пожалуй, даже несколько вырос. На этот сегмент рынка обратили пристальное внимание “кремниевые” гиганты - Intel и AMD, которые тут же развернули ценовую войну.

Микропроцессоры Celeron - один из видов чипов семейства Intel, специально разработанных для недорогих ПК. Такие компьютеры отвечают основным требованиям, предъявляемым многими компаниями, обеспечивают базовый уровень функциональности для “массового пользователя” и при этом имеют весьма приемлемую цену. Celeron был впервые представлен во II квартале 1998 г. как недорогой процессор без кэша (у него отсутствовал кэш L2). Чтобы повысить производительность “бескэшевых” Celeron’ов, корпорация Intel в III квартале 1998 г. выпустила новый вариант этих чипов с кэшем 128 Кб. Нынешние версии Celeron выпускаются с основными тактовыми частотами процессоров семейства Pentium и обеспечивают хорошее соотношение цена/производительность для массовых ПК. Процессоры с тактовой частотой 566 МГц и выше используют потоковые расширения Streaming SIMD Extensions, стандартные во всех Pentium III.

У Celeron есть два главных отличия от Pentium III, влияющих на производительность. Первое и наиболее существенное - низкая частота системной шины FSB, в результате чего пропускная способность процессорной шины Celeron получается вдвое меньшей, чем у Pentium III. Второе отличие - вдвое меньший кэш L2, объем которого составляет 128 Кб, что приводит к более низкой вероятности попадания данных в него и более частому обращению микропроцессора к медленной системной памяти.

И вот в июне корпорация AMD представила новый микропроцессор Duron, который, так же, как и Celeron, предназначен для недорогих ПК стоимостью менее 1 тыс. долл. Чип, производимый с соблюдением проектных норм 0,18 мкм и использованием медных соединений, на площади 100 кв. мм содержит 25 млн. транзисторов.

Название семейства происходит от латинского слова “durare”, т. е. “достаточный, последний” и суффикса “-on”, означающего некое устройство. AMD выбрала такое название для того, чтобы лишний раз подчеркнуть, что возможностей нового микропроцессора хватит надолго и пользователи могут не задумываться о покупке более мощных микросхем. Duron сочетает в себе ядро микропроцессора AMD Athlon и размещенную на кристалле кэш-память второго уровня емкостью 192 Кб, работающую на основной частоте. Он поддерживает расширенную технологию 3DNow!.

В качестве соединителя для нового микропроцессора AMD решила использовать 462-контактный Socket A, который по размерам, да и по внешнему виду похож как на Socket 7, так и на Socket 370 (применяемый для Celeron). Это не только более выгодно из экономических соображений, но и более рационально для организации лучшего тепломассообмена. С точки зрения внутренней архитектуры Duron ничем не отличается от обычного Athlon, кроме встроенного в ядро 64-килобайтного кэша L2.

В настоящее время в продажу поступают версии Duron с тактовой частотой 600, 650 и 700 МГц. Верхний предел тактовой частоты у кристаллов Celeron такой же - 700 МГц. По данным AMD, на основных отраслевых тестах Duron примерно на 25% превосходит по производительности Intel Celeron с той же тактовой частотой. Это, впрочем, легко объяснимо. Поскольку новый микропроцессор, как и остальные из семейства Athlon, использует 200-мегагерцовую шину EV6, пропускная способность этого звена оказывается выше, чем у Celeron.

VIA Cyrix III: жив, курилка!

Говоря о микропроцессорах для недорогих ПК, нельзя не упомянуть чип VIA Cyrix III, ранее известный как Joshua. Это кристалл с поистине трудной судьбой. Первые сведения о нем появились еще осенью 1997 г., на микропроцессорном форуме. Тогда речь шла о Cayenne - модифицированном ядре семейства кристаллов 6x86 с поддержкой MMXFP - набора инструкций, разработанного самой компанией Cyrix. Подразумевалось, что производство Cayenne начнется во второй половине 1998 г. с соблюдением проектных норм 0,25 мкм (на площади около 70 кв. мм должно было разместиться около 7 млн. транзисторов). Его тактовая частота составила бы от 250 до 350 МГц. Тем не менее за два последующих года Cyrix отказалась от собственного расширенного набора инструкций в пользу 3DNow!, а Cayenne успели переименовать сначала в Jedi, а потом и в Gobi. У кристалла появился кэш L2 размером 256 Кб. После того как Cyrix был приобретен VIA Technologies (www.viatech.com) у National Semiconductor, работы над кристаллом продолжились.

Официальное анонсирование новых микропроцессоров VIA Cyrix III состоялось еще в феврале этого года. Основные их характеристики выглядят следующим образом. Производство кристаллов идет с соблюдением проектных норм 0,18 мкм. Тактовая частота составляет 500-600 МГц, а частота системной шины FSB - 66, 100, 133 МГц, причем кэш L1 размером 128 Кб работает на полной частоте. В качестве соединителя выбран интерфейс Socket 370. Рассеиваемая кристаллом мощность не превышает 10 Вт. Архитектура процессора поддерживает обе технологии - MMX и 3DNow!. На момент выхода основным конкурентом VIA Cyrix III по соотношению цена/производительность был AMD K6-2.