Внутри многокристального секционного микропроцессора Am2901 от AMD 1970-х годов

Вы, возможно, знакомы с современными процессорами производства компании Advanced Micro Devices. Но AMD начала производить процессоры ещё в 1975 году, когда впервые представила свой Am2901. Это был т.н. многокристальный секционный процессор: каждый из чипов обрабатывал по 4 бита, а для увеличения размера слова использовалась работа нескольких чипов одновременно. Такой подход использовали в 1970-х и 1980-х годах, чтобы создавать процессоры на 16, 32 или 64 бит (к примеру), когда не могли разместить целый процессор на одном быстром чипе. Существовали процессоры и на одном чипе, однако их МОП-транзисторы работали медленнее. Со временем процессоры на КМОП стали быстрее процессоров на биполярных транзисторах, и когда их скорость достаточно выросла, на них перешли почти все производители.


Фото кристалла с чипом Am2901. Видны металлические слои чипа; кремний находится внизу. По краям кристалла крохотные проводники соединяют чип с внешними контактами.

Мне довелось программировать на ассемблерах разных процессоров. Последний в списке – это Xilinx MicroBlaze. Решил выложить некоторые свои наблюдения за особенностями этих почти волшебных железок, которые как волшебный ключик Буратино открыли нам двери в волшебную страну виртуальной реальности и массовой креативности. Об особенностях современных систем x86, x86-64, ARM, ARM-64 и т.п. писать не буду, может быть в другой раз – тема очень большая и сложная. Поэтому планирую закончить на Intel 80486 и Motorola 68040. Хотелось ещё включить в обзор IBM/370, с которыми имел дело. Эти системы были довольно далеки от широких масс пользователей, но оказали при этом огромное влияние на компьютерные технологии. На них просто не хватило выделенного на тему времени, они не использовали процессоры-чипы и самих их вроде бы почему-то не осталось совсем. Очень надеюсь, что мои материалы привлекут внимание и знатоков, которые смогут добавить что-нибудь из того, о чем не подумал или не знал.

В качестве иллюстративного материала прикрепляю свой небольшой камень из Розетты – программки для расчета числа π на разных процессорах и системах по алгоритму-затвору, претендующие на звание самых быстрых его реализаций. Похожий "камень" есть и для алгоритма для быстрого расчета множеств Мандельброта.

В первой части мы рассмотрели вкратце физику кремния, технологии микроэлектроники и технологические ограничения. Теперь поговорим о физических ограничениях и физических эффектов, которые влияют на размеры элементов в транзисторе. Их много, поэтому пройдемся по основным. Здесь придется уже влезть в физику, иначе никак.

Disclaimer: Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. тема мне крайне интересна. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

Это вторая часть статьи про историю микропроцессоров для космического применения. Первая часть – вот здесь. В ней на примерах американских и европейских микросхем мы посмотрели на историю развития радстойких чипов от первых однокристалльных процессоров до конца двухтысячных, когда проектные нормы космических разработок плотную подобрались к рубежу 100 нм.

Следующий большой шаг в обеспечении радиационной стойкости наступил с переходом на суб-100 нм, где практически каждое следующее поколение технологии приносит новые вопросы: меняются материалы, меняются требования к топологии, растет статическая мощность (утечки безо всякой радиации, которые под дозой становятся еще хуже), продолжает расти значимость одиночных эффектов, которые превращаются во множественные. Эти задачи потребовали разработки новых подходов и, что удивительно, частичного возврата к старым, потому что часть вещей, отлично себя зарекомендовавших на нормах 1-0.18 мкм, на более тонких нормах не работает. Например, в таких технологиях для повышения выхода годных запрещено делать любимые дизайнерами радстойких чипов кольцевые транзисторы. О том, как дизайнеры справляются с новыми вызовами, я расскажу на примере России – и заодно сравню достижения наших соотечественников с успехами иностранных коллег и покажу, чего стоит ожидать в обозримом будущем.

Десятого июля 1962 года с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета “Тор” с первым коммерческим телекоммуникационным спутником на борту. Telstar-1 стал зарей новой эры космонавтики, показавшей, что космос может приносить людям реальную пользу. Этот аппарат ждало большое будущее, но днем раньше в небе над атоллом Джонсон, расположенном в пустынной части Тихого океана, взорвалась атомная бомба Starfish Prime. Взрыв уничтожил три сотни уличных фонарей на расположенных в полутора тысячах километров Гавайях, а также создал огромное количество свободных электронов, подхваченных магнитным полем Земли в рукотворный радиационный пояс. Каждый раз, когда Telsat-1 проходил через этот пояс, продвинутая транзисторная начинка набирала дозу радиации, и уже к ноябрю 1962 года он перестал работать. С изучения последствий этого инцидента началась история защиты космической электроники от радиации.

С высотными ядерными взрывами, к счастью, довольно быстро завязали, но и без них работы достаточно, и требования по надежности и долговечности, предъявляемые к современным спутникам, становятся все амбициознее. Рассказать обо всем невозможно, но я постараюсь кратко осветить прошлое и настоящее космических микропроцессоров из разных стран. Почему именно микропроцессоров? Про них больше всего информации и они лучше понятны неспециалистам. Статья получилась длинной, поэтому я разбил ее на две части: ранняя история на примере США и Европы (под катом) и современная – на примере России (вот тут). Поехали!

На горизонте появляются новые транзисторные структуры, новые инструменты и процессы – а с ними и куча проблем

Несколько фабрик пытаются вывести на рынок техпроцессы на 5 нм, однако их клиентам предстоит решить – проектировать новые чипы на текущих транзисторах, или перейти на новые, созданные в техпроцессе 3 нм.

Для перехода нужно либо расширить текущие finFET на 3 нм, либо реализовать новую технологию кольцевого затвора [gate-all-around FET, GAA FET] на 3 нм или 2 нм. GAA FET – это следующий этап эволюции по сравнению с finFET, они быстрее работают, однако эти новые транзисторы сложнее и дороже в производстве, и переход на них может оказаться слишком болезненным. С другой стороны, индустрия разрабатывает новые технологии травления, структурирования и т.д., чтобы расчистить дорогу к этим новым техпроцессам.

Даты выпуска этих GAA FET разнятся от фабрики к фабрике. Samsung и TSMC делают finFET на 7 нм, и в этом году планируют переделать finFET на 5 нм, а также выпускать чипы в диапазоне полушага от 5 нм. Такие техпроцессы позволят улучшить как скорость работы, так и энергопотребление.

Промежуточные техпроцессы, разные типы транзисторов, и множество других вариантов добавляют неопределённости в процесс производства электроники

Производители электроники готовятся к следующей волне передовых техпроцессов, но их клиенты столкнутся с кучей сбивающих с толку вариантов – разрабатывать ли чипы по техпроцессу 5 нм, подождать 3 нм, или выбрать нечто среднее.

Путь к 5 нм хорошо определён, в отличие от 3 нм. После этого ландшафт становится запутанным, поскольку фабрики добавляют промежуточные техпроцессы, типа 6 нм и 4 нм. Переход на любые из этих техпроцессов весьма дорог, а преимущества не всегда очевидны.

Ещё один повод для беспокойства – сжимающаяся производственная база. В случае самых передовых техпроцессов выбор производителей оказывается невелик. В индустрии раньше было несколько ведущих производителей, но со временем эта область сузилась из-за резко возросшей стоимости и сокращения пользовательской базы. В целом, чем меньше производителей, тем меньше вариантов по технологиям и ценнику.

Что общего у Денди и Терминатора? И игровая приставка, и злодей-робот из первого фильма серии работали на одном и том же процессоре — 6502 от MOS Technology.

Типичная новость про электронику начала 2020 года: «Intel, вероятно, не будет размещать заказ на производство у TSMC, но рассматривает возможность сотрудничества с GlobalFoundries». Кто такие Intel — всем понятно, но что за GlobalFoundries и TSMC? Когда деревья были большими, каждая микроэлектронная компания самостоятельно производила свои микросхемы, а то и технику на их основе, как какая-нибудь Toshiba или IBM. С тех пор утекло много воды, производство подорожало, сложность приборов возросла, и в создании такого приземленного и распространенного девайса, как айфон, участвует несколько десятков высокотехнологичных компаний с трех континентов. Размеры мирового рынка полупроводниковых микросхем и приборов оцениваются больше, чем в 400 миллиардов долларов, но не все гиганты этого рынка имеют дело с конечными пользователями и часто появляются в новостях. Зато когда появляются — могут сбить с толку. Чтобы этого не происходило, я попробую кратко описать, кто есть кто.

Недавно в корпоративном блоге Parallels выходила статья, где приводились размеры оплаты труда разработчиков на западе со словами "в любом случае российские зарплаты пока не дотягивают до европейских". Частое столкновение с тем, как люди очень выборочно сравнивают условия жизни поросенка Петра и тех, кто не уехал, побудили поделиться некоторыми наблюдениями о жизни в США изнутри. Цель данного поста — подтолкнуть подходить к вопросу комплексно и делать сравнение яблок с яблоками, а не точечно сравнивать то, что выгодно, и закрывать глаза на остальные важные аспекты. Если вам покажется, что в данной статье есть иные подтексты — прошу списать это на то, что "чукча — не писатель" и по возможности игнорировать их.

Я всегда думал, что я – тупой. Точнее, что я — тугодум.

Проявлялось это просто: на совещаниях и обсуждениях я не мог быстро придумывать решение задачи. Все чего-то говорят, иногда умное, а я – сижу и молчу. Даже как-то неудобно было.

Все остальные тоже думали, что я тупой. Поэтому меня перестали звать на совещания. Звали тех, кто что-то говорит без промедления.

А я, выйдя с совещания, продолжал думать над задачей. И, как говорит устойчивое идиоматическое выражение, хорошая мысля приходит опосля. Находил нормальное, иногда интересное, а бывало – что и офигенное решение. Но оно уже никому не было нужно. Типа после драки кулаками не машут.

Просто культура в тех компаниях, где я начинал работать, была модерновая. Ну, как там это бывает – «совещание должно закончиться принятием решения». Вот чего придумали на совещании, то и принимается. Даже если решение — полная фигня.

Моя основная работа связана с данными и программированием на R, но в этой статье я хочу рассказать про своё увлечение, которое даже приносит некий доход. Мне всегда было интересно рассказывать и объяснять что-то друзьям, одноклассникам и однокурсникам. Ещё мне всегда просто было находить общий язык с детьми, не знаю, почему. Вообще, я считаю, что воспитание и обучение детей это одно из важнейших занятий из всех, да и жена у меня педагог. В общем, примерно год назад я дал объявление в местной группе на фейсбуке, набрал группу и стал преподавать скратч и питон раз в неделю. Сейчас у меня пять групп, свой класс в доме и индивидуальные занятия. Как я дошёл до жизни такой и как именно я учу детей, я раскажу в этой статье.

Индустрия персональных компьютеров, какой мы её знаем, обязана своим появлением и развитием среде энтузиастов и предпринимателей, а также счастливому стечению обстоятельств. До возникновения PC бизнес-модель мейнфреймов и миникомпьютеров формировалась вокруг одной компании, обеспечивавшей целую экосистему: от изготовления оборудования до его монтажа, обслуживания, написания ПО и обучения операторов.

Такой подход вполне отвечал своим задачам в том мире, где, как казалось, компьютеров было нужно совсем немного. Эти системы были очень дорогими, но весьма прибыльными для компаний, потому что исходная цена и контракт на обслуживание обеспечивали стабильный поток доходов. Производители «больших железяк» не были первоначальной движущей силой персональных вычислений из-за цены, отсутствия стандартного программного обеспечения, кажущегося отсутствия спроса у людей на личные компьютеры, а также огромных прибылей, получаемых благодаря контрактам на производство и обслуживание мейнфреймов и миникомпьютеров.

Именно в такой атмосфере зародились персональные компьютеры, начавшись с любителей, искавших реализации своих творческих устремлений, не обеспечиваемых повседневной работой на монолитных системах. Изобретение микропроцессора, интегрированных микросхем DRAM и EPROM зародили интерес к широкому распространению высокоуровневых языков (разновидностей BASIC), что позже привело к возникновению GUI и превращению компьютеров в мейнстрим. Благодаря этому возникла стандартизация и популяризация оборудования, что наконец-то сделало персональные компьютеры достаточно доступными для людей.

На протяжении нескольких статей мы подробно рассмотрим историю микропроцессора и персонального компьютера, от изобретения транзистора до современных чипов, управляющих множеством связанных устройств.

Часть 1: 1947-1974 годы

Дуополия Intel и Motorola приходит к неожиданному завершению

Процессор Intel 8080, как и его предшественник 8008, страдал от задержек в разработке, но позже был признан одним из чипов, оказавших самое большое влияние в истории. Руководство компании сосредоточилось на высокоприбыльном рынке памяти и в частности на готовых системах памяти, совместимых с доходным рынком мейнфреймов.

Разработка 8080 началась только в середине 1972 года, спустя шесть месяцев после того, как Федерико Фаджин начал убеждать руководство Intel в необходимости его создания. К тому времени начали зарождаться потенциальные рынки для микропроцессоров. Ранее в основном считалось, что микропроцессоры должны сосуществовать с доминирующими и более мощными мейнфреймами и миникомпьютерами. Компьютеры по-прежнему рассматривались как дорогой инструмент для бизнеса и исследований, а рынки для нового поколения относительно дешёвых персональных машин и промышленных контроллеров не существовали и во многих случаях никто и подумать не мог об их возможности.

8080 был выпущен в апреле 1974 года. Из-за задержек на ранних этапах разработки основной конкурент Intel — процессор Motorola 6800, тоже столкнулся со своими проблемами адаптации чипа и техпроцесса n-МОП к одному входу на 5 В (процессору 8080 требовалось три отдельных входа напряжения), из-за чего его выпуск был отложен почти на семь месяцев. Благодаря отсутствию непосредственного конкурента, Intel была на новом рынке практически одна и ей нужно было только найти покупателей с воображением, способных увидеть его возможности.

Перевод последнего на данный момент эссе Пола Грэма с правками Илона Маска, любытно с точки зрения понимания поведенческих паттернов при формировании и высказывании мнения на интернет-ресурсах. Далее от лица Пола.

Троичные вычисления

Итак, продолжаю цикл статей о разработке троичного вычислителя. В прошлый раз мы познакомились с самым базовым элементом: троичным (де-)мультиплексором, а также на его базе построили полу- и полный сумматор. В этот раз речь пойдёт о ячейках памяти.

В прошлой статье я подробно рассказал для чего мне это нужно: это будет демонстрационная железка. Не поленитесь, ознакомьтесь с моей мотивацией.

Итак, вот список опубликованных статей цикла (будет обновляться):

• Считаем до трёх: раз (троичный мультиплексор и сумматоры)
• Считаем до трёх: два (память)
• Считаем до трёх: три (счётчики)
• Считаем до трёх: четыре (однотритный вычислитель и система команд трёхтритного)

Напоминаю, что единственным строительным блоком вычислителя будет троичный мультиплексор. Вот фотография оригинального тримукса дизайна Александра Шабаршина и моего исполнения на поверхностном монтаже. Одна такая плата несёт на себе два троичных (де-)мультиплексора:

Два года назад, листая старую тетрадь с вычислениями, я наткнулся на явную ошибку в одном уравнении. Находясь в совершенном ужасе — это уравнение-то было опубликовано в научном журнале месяцем ранее, — бросил все дела и стал срочно переделывать расчет. И ошибка никуда не делась.



Как баг превратился в фичу, о научном прогрессе и всех приключениях в попытках опубликоваться в Nature. Спойлер: почти получилось.

<< До этого: Электронная революция

Дорога к твердотельным переключателям была долгой и сложной. Она началась с открытия, что определённые материалы странно ведут себя в присутствии электричества – не так, как предсказывали существовавшие тогда теории. За этим последовала история о том, как в XX веке технология становилась всё более научной и институциональной дисциплиной. Дилетанты, новички и профессиональные изобретатели практически без всякого научного образования делали серьёзные вклады в становление телеграфа, телефонии и радио. Но, как мы увидим, почти все продвижения в истории твердотельной электроники случились благодаря учёным, учившимся в университетах (и обычно имеющим степень доктора наук по физике), и работавшим при университетах или корпоративных исследовательских лабораториях.

Любой человек с доступом к мастерской и с базовыми навыками работы с материалами может собрать реле из проводов, металла и дерева. Для создания электронных ламп требуются более специализированные инструменты, способные создать стеклянную колбу и откачать из неё воздух. Твердотельные же устройства исчезли в кроличьей норе, из которой цифровой переключатель так и не вернулся, и погружались всё глубже в миры, понятные только абстрактной математике и доступные только при помощи безумно дорогого оборудования.

Наверняка на хабре уже немало постов на эту тему. Тем не менее, я попытаюсь рассказать свою точку зрения на всё это…

Однажды я прочитал в интернете про троичную систему счисления и заинтересовался. Меня мучил вопрос, а нельзя использовать в основе компьютера симметричную троичную систему счисления (СС), и даже вдруг это увеличит производительность компьютера? Мне казалось, что это возможно, и я жаждал это проверить.

Информация:
Троичная система счисления — позиционная система счисления с целочисленным основанием, равным 3. Существует в двух вариантах: несимметричная и симметричная.
В несимметричной троичной системе счисления чаще применяются цифры {0,1,2}, а в симметричной троичной системе счисления знаки {−,0,+}, {−1,0,+1}.
У некоторых людей эта логика вызывает затруднения. Они говорят, например, приведите пример подобной логики в жизни.
Человек, немного подумавший над этой логикой поймет, что она более жизненна чем двоичная. Обычный пример троичной логики в жизни связан с постоянным током: ток движется в одну сторону, в другую сторону, его нет.

Уже в 1956 году появилась потребность в создании практичного образца цифровой вычислительной машины, которая бы смогла использоваться в вузах, лабораториях. Для таких целей требовалась простая в освоении, надежная, недорогая, но в то же время эффективная малая ЭВМ, рассчитанная на массовое использование.



Требования, предьявленные к такой машине: скорость работы должна была быть равной нескольким сотням операций в секунду, «приветствовалась» простота и удобство программирования, точность вычислений — 6-8 верных десятичных знаков, высоконадежность в эксплуатации и в техническом обслуживании, умеренные габариты, экономное потребление энергии, использование недорогих и «недефицитных» материалов и деталей. Такие требования для того времени являлись «противоречивыми», ведь создание машины более удобной для работы программистов повлекло бы за собой увеличение количества оборудования, что, в свою очередь, повлекло бы снижение надежности и повышение стоимости не только самой машины, но и ее эксплуатации.