Элементная база (физическая база) процессора

Начиная с первого поколения ЭВМ, и до настоящего времени, все процессоры разрабатываются на основе двоичной системы счисления — это означает, что для реализации процессора необходимо любое физическое устройство, поддерживающее два устойчивых состояния. Основой современной элементной базы является твердотельный планарный транзистор на кремниевой подложке, изготавливаемый по диффузионной технологии.

Технологический процесс представляет собой поэтапную (по областям транзистора) диффузию примесей в кристаллическую структуру кремниевой подложки при температурах порядка 800° с очень жесткими ограничениями на градиент температуры. Для получения приемлемых характеристик градиент должен иметь порядок ±0,1°/час.

Элементная база (физическая база) процессора

Тем не менее, как физические процессы в твердотельной структуре, так и «шумы», вносимые технологией определяют следующие недостатки р-п-р транзистора, влияющие на его характеристики — паразитные ёмкости р-n перехода и наведённые токи.

Дополнительно к этому сам кремний обладает малой подвижностью электронов, что не позволяет существенно уменьшить время изменения сигнала на выходе, даже при микро миниатюризации размеров транзистора.

Структура р-n-р планарного транзистора

С точки зрения быстродействия процессора можно выделить следующие основные характеристики элементной базы:

  • Время фронта на вентиле. Логические значения «О» и «1» представляются двумя значениями напряжения, при переключен™ элемента из одного состояния в другое напряжение не изменяется скачкообразно, а нарастает во времени, приблизительно так, как это показано на рис 1.3. Время фронта определяется такими параметрами твердотельного транзистора, как паразитные емкости переходов и подвижность электронов.
    Очевидно, что временной такт процессора, определяемый тактовой частотой, должен для обеспечения устойчивой работы элемента в несколько раз превышать время фронта.
  • Характеристики тепловыделения Тепловыделение элементной базы процессоров принято измерять в пикоджоулях на переключение одного бита (1 ПкДж/Бит =10 -12 Дж/Бит). Это энергия, выделяемая при переключении вентиля. При современных тактовых частотах и плотностях интеграции на кристалле суммарные тепловыделения имеют порядок нескольких ватт на площади в 1 квадратный сантиметр. В связи с этим достаточно остро стоит проблема отвода тепла от процессора для обеспечения необходимого температурного режима.
  • Фундаментальное ограничение по скорости света. При тактовой частоте в 1 Ггц сигнал на проводе проходит 30 см за 1 такт, а при такте в ЮГгц-Зсм- это означает, что все соединительные линии между элементами, работающими при таких частотах не должны вносить ощутимую задержку при распространении сигнала.
0

Яндекс.Метрика