Spis treści. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach

Transkrypt

1 Spis treści 1. Wstęp Jak powstaje procesor Tworzenie tranzystora Testowanie, pakowanie Procesory Quad Core Koniec spisu treści -

2 1. Wstęp Mają zaledwie 50 lat, a większość z nas nie wyobraża sobie bez nich świata. Otaczają nas wszędzie - w domu, w pracy, na wakacjach, nawet tam, gdzie wydaje nam się, że uciekliśmy od cywilizacji. Zrewolucjonizowały przemysł, motoryzację, przekaz informacji i tysiąc innych dziedzin życia. Dzięki nim możecie swobodnie rozmawiać idąc po ulicy, oglądacie filmy z zapierającymi dech w piersiach efektami specjalnymi, a także czytacie ten tekst. Układy scalone - wynalazek na miarę Nobla, którego zresztą ich twórca otrzymał. Współczesne mają wielkość paznokcia, a możliwości znacznie przekraczające całą rzeszę ich dziadków, zawierają miliony tranzystorów grubości ułamka ludzkiego włosa i przetwarzają informacje w ciągu ułamka sekundy. Procesor w zwykły domowym pececie posiada moc obliczeniową porównywalną z wielkimi maszynami sprzed kilkudziesięciu lat. Trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób człowiek jest zdolny wytwarzać tak skomplikowane i niewyobrażalnie małe układy. Firma Intel uchyliła rąbka tajemnicy, zatem zanim przedstawimy Wam bohaterów dzisiejszej recenzji, prześledźmy krótko ścieżkę ich narodzin. 2

3 3

4 2. Jak powstaje procesor Stworzenie procesora, podobnie jak każdego układu scalonego zaczyna się od projektu. Konstrukcja układu, jego funkcje, technologia wykonania, a nawet wymiary są określone w specyfikacji produktu. Na jej podstawie tworzone są schematy, a następnie fizyczne reprezentacje każdej warstwy układu i zawartych w niej tranzystorów. Tak stworzona maska wykorzystywana jest później w fotolitografii,czyli procesie wytwórczym. Proces projektowy wykonywany przez kilkusetosobowy zespół wykorzystujący narzędzia CAD do wspomagania projektowania trwa około dwóch lat. W tym czasie, dzięki zastosowaniu komputerowego wspomagania projektowania, możliwe jest przeprowadzenie szeregu symulacji i testów, zarówno na poziomie pojedynczych tranzystorów (włączanie, wyłączanie), jak również całego układu, jego zachowania podczas wykonywania zadania, choćby uruchamiania systemu operacyjnego. Wytwarzanie układu jest skomplikowanym, wieloetapowym procesem, wykorzystującym różnorodne składniki i różne rodzaje i środki obróbki w zależności od samego układu i jego zastosowania. Jednak wszystko zaczyna się od krzemu. Ten popularny pierwiastek, występujący w zwykłym piasku stanowi podstawowy materiał w przemyśle półprzewodnikowym. Wynika to z jego właściwości krzem, będący naturalnym półprzewodnikiem łatwo można zmodyfikować tak, by stał się przewodnikiem lub izolatorem. Do procesu produkcyjnego używa się krzemu o 99,9999% czystości uzyskanej w wyniku obróbki chemicznej. Krzem jest topiony i kształtowany w cylindryczne monokryształy zwane sztabami. 4

5 Budulec - prosto z plaży Kształtowanie monokryształu 5

6 Gotowa sztaba Z nich wycina się cienkie wafle, które następnie są szlifowane, aż do uzyskania lustrzanej gładkości. Tak przygotowane wafle stanowią podstawę do budowy serii układów. 6

7 Cięcie sztaby na plastry Gotowy wafel Wytwarzaniem wafli zajmują się specjalistyczne firmy współpracujące z producentem układów. Niegdyś używano wafli o przekroju 2 cali (około 50mm), dzisiejsze 45-nanometrowe procesory powstają na waflach o średnicy 12 cali ( 300mm). Większe wymiary plastra krzemowego pociągają za sobą obniżenie kosztów produkcji. Kolejnym etapem jest nałożenie na obracający się wafel płynnego materiału światłoczułego. Ruch obrotowy stosuje się, by uzyskać bardzo cienką i równomierną warstwę materiału. 7

8 Pokrywanie wafla materiałem światłoczułym Warstwa światłoczuła jest następnie naświetlana z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego UV. Zachodzi wówczas reakcja podobna do tej, z jaką mamy do czynienia w przypadku błony fotograficznej, gdy naciśnie się spust migawki by wykonać zdjęcie. Warstwa światłoczuła pod wpływem promieniowania UV staje się rozpuszczalna. W procesie naświetlania wykorzystywane są wspomniane już maski, umożliwiające odwzorowanie na powierzchni plastra odpowiedniej struktury zaprojektowanych wcześniej obwodów i elementów elektronicznych. Jak łatwo się domyśleć, mają one różną formę dla wielu warstw, z których składa się wytwarzany mikroprocesor. 8

9 Naświetlanie przy wykorzystaniu maski 9

10 3. Tworzenie tranzystora Do tej pory poruszaliśmy w obszarze wielkości dla nas wyobrażalnych. Czas przenieść się w mikrowymiar, czyli przyjrzeć się jak powstaje podstawowy element architektury procesora - tranzystor. Tranzystor działa jak przełącznik pozwala na przepływ prądu, lub go blokuje. W obecnie stosowanej technologii wymiary tranzystorów są tak małe, że na główce od szpilki mieściłoby się ich 30 milionów, wynoszą zaledwie około 50nm. Przyjrzyjmy się zatem jak powstaje. Naświetlanie pojedynczego tranzystora Część warstwy materiału światłoczułego, która została zmodyfikowana w trakcie naświetlania jest usuwana przy pomocy specjalnego rozpuszczalnika. Na waflu pozostaje wzór odpowiadający masce użytej przy naświetlaniach. 10

11 Po usunięciu naświetlonego materiału światłoczułego Teraz następuje wytrawianie odsłoniętych części wafla za pomocą środka chemicznego. Po trawieniu pozostały materiał światłoczuły jest usuwany i ujawnia się kształt zaprojektowanego układu. 11

12 Wytrawianie Po usunięciu materiału światłoczułego widać kształt zaprojektowanego tranzystora Tak przygotowany plaster ponownie jest pokrywany warstwą substancji światłoczułej, naświetlany z wykorzystaniem odpowiedniej maski, a rozpuszczona w wyniku naświetlenia część materiału jest wypłukiwana. 12

13 Ponowne nakładanie warstwy światłoczułej Pozostałe pokryte materiałem światłoczułym elementy układu są w ten sposób chronione przed implantacją jonów, która jest kolejnym etapem budowania tranzystora. Polega on na bombardowaniu krzemu przez jony innych pierwiastków. Strumień jonów przyspieszony przez bardzo silne pola elektryczne osiąga prędkość ponad 300km/h i wnika w obszary nie osłonięte warstwą materiału światłoczułego. Powoduje to zmianę własności elektrycznych domieszkowanego obszaru. 13

14 Proces implantacji jonów Po zakończeniu procesu implantacji jonów, pozostała część substancji światłoczułej jest usuwana. Układ z domieszkowanymi obszarami (kolor zielony) po usunięciu warstwy 14

15 światłoczułej Tranzystor jest już niemal gotowy. Na powstałą strukturę nakładana jest warstwa izolacyjna, w której wytrawiane są otwory. W kolejnym kroku są one wypełniane miedzią, dzięki czemu będzie można utworzyć połączenia elektryczne z pozostałymi elementami układu. Niemal gotowy tranzystor z nałożóna warstwą izolacyjną Następnie plastry krzemu są wkładane do roztworu siarczanu miedzi i rozpoczyna się proces galwanizacji czyli pokrywania go miedzią. Plaster jest podłączony do źródła napięcia stałego jako katoda przyciągająca jony miedzi, które osadzają się na jego powierzchni. Po zakończeniu procesu galwanizacji atomy miedzi tworzą na powierzchni plastra cienką warstwę materiału przewodzącego. 15

16 Proces galwanizacji Po galwanizacji na powierzchni tworzy się warstwa przewodząca Nadmiar miedzi jest usuwany z powierzchni plastra przez jego polerowanie. 16

17 Po polerowaniu Na powierzchni mikroprocesora tworzonych jest wiele warstw z metalicznymi ścieżkami. Można je sobie wyobrażać jako przewody elektryczne, które łączą różne tranzystory. Struktura tych połączeń jest określona przez architekturę układu opracowaną przez zespół inżynierów, który projektował funkcjonalność danego mikroprocesora. Procesory składają się z ponad 20 warstw, które tworzą bardzo złożony układ połączeń elektrycznych 17

18 Nakładanie warstw z metalicznymi ścieżkami 18

19 4. Testowanie, pakowanie. Gotowe wafle, zawierające setki układów, są w końcowym etapie sortowane, czyli poddawane testom elektrycznym, w trakcie których identyfikuje się wadliwe układy oraz sprawdza, czy działanie jest zgodnie z oczekiwaniami i specyfikacją. Testowanie 19

20 Odrzucanie wadliwych układów Plaster jest następnie cięty na kawałki płytek krzemowych zawierające pełną strukturę półprzewodnikową procesora, lecz bez obudowy i zewnętrznych połączeń (tzw. die). 20

21 Cięcie wafla Gotowa płytka z układem(die) Układy, które pomyślnie przeszły wszystkie testy przechodzą do kolejnego etapu, w którym tworzone są połączenia zewnętrzne oraz dodawana obudowa. Płytka krzemowa umieszczana jest na warstwie podkładu, który zawiera zestaw styków tworzących mechaniczny i elektryczny interfejs z innymi elementami systemu komputerowego. Od góry zaś umieszczany jest radiator, umożliwiający odprowadzanie ciepła bezpośrednio z płytki. 21

22 Dodawanie połączeń zewnętrznych oraz obudowy W ten sposób dostajemy produkt, który większość z Was widziała i doskonale zna. Gotowy mikroprocesor 22

23 Gotowe procesory są w ostatnim etapie poddawane dodatkowym testom obejmującym pomiar parametrów, m.in. najszybszej częstotliwości taktowania oraz ilości ciepła wydzielanego w czasie pracy. Testowanie gotowego produktu Na podstawie pomiarów procesory są sortowane i egzemplarze o takich samych parametrach trafiają do jednej linii produkcyjnej. 23

24 Sortowanie Jak przebiegnie dalszy postęp? Od dawna mówi się o nowym procesie technologicznym 32nm i kolejnych - 22nm i 16nm. Kiedy człowiek dojdzie do fizycznych granic uniemożliwiających dalszy rozwój i doskonalenie technologii? A może czeka nas całkowity zwrot i przyszłość będzie należała do komputerów optycznych lub kwantowych? czas pokaże. Tymczasem wróćmy na ziemie... do realnego świata, gdzie odległości mierzymy w metrach. 24

25 5. Procesory Quad Core Uzbrojeni w wiedzę na temat powstawania mikroprocesorów, możemy zająć się praktyczną stroną ich wykorzystania. W dobie tryumfu procesorów z serii Core i7, planów związanych z nowymi procesem technologicznym 32nm, przyjrzeliśmy się tym, które jeszcze nie tak dawno stały na czele pochodu - czterordzeniowym procesorom QuadCore. Czy mogą stanowić rozsądny kompromis pomiędzy ceną, a wydajnością? Spróbujmy się tego dowiedzieć. Do testów użyliśmy najpopularniejszych quadów na podstawkę LGA775: Q8200 Q9300 Q9450 Q9550 Q9650 Jako platformę testową wykorzystaliśmy komputer w następującej konfiguracji: Płyta główna Gigabyte EP45 UD3P Pamięć ram Goodram PRO PC8500 2x1GB Karta graficzna MSI GeForce 280GTX Dodatkowo dla oszczędnych i dbających o ochronę środowiska, zastosowaliśmy miernik poboru mocy, który został wpięty między zasilacz a gniazdko sieciowe. Dzięki niemu możemy sprawdzić ile energii pobiera nasz pecet. Przyjrzyjmy się bliżej uczestnikom rywalizacji. Intel QuadCore Q8200 Średnia cena: 570zł Najtańszy i najsłabszy z całej stawki, wykonany w technologi 45nm, posiada tylko 4MB pamięci podręcznej, mnożnik 7x, magistralę systemową taktowaną 333MHz, co daje 2.33GHz na rdzeń. Jest idealną propozycją dla użytkowników z niezbyt zasobnym portfelem. Doskonale daje sobie radę z popularnymi aplikacjami wykorzystującymi 25

26 wszystkie cztery rdzenie. Intel QuadCore Q9300 Średnia cena: 650zł Nieco droższa konstrukcja, więcej pamięci L2-6MB oraz nietypowy mnożnik 7.5, magistrala taktowana jak poprzednio 333MHz, co daje 2.5GHz na rdzeń. Intel QuadCore Q9450 Średnia cena: 750zł Q9450 to pełnowartościowy czterordzeniowiec z pamięcią cache 12MB, mnożnik 8x oraz magistrala 333MHz, co daje 2.66GHz. Tym modelem otwieramy kategorię bardziej wydajnych, chociaż droższych procesorów, przeznaczonych dla wymagających użytkowników potrzebujących wydajnej platformy. Intel QuadCore Q9550 Średnia cena: 820zł Podobny do poprzednika, jedyną różnicą jest mnożnik 8.5 co daje 2.83GHz na rdzeń. Intel QuadCore Q9650 Średnia cena: 1150zł Najdroższy ze stawki a zarazem najmocniejszy procesor Q9650, propozycja dla tych z bardziej zasobnym portfelem. Mnożnik 9x z taktowaniem magistrali 333MHz, daje nam 3GHz na rdzeń. Do testów użyliśmy następujących programów: Seria 3DMark oraz Aquamark - dla sprawdzenia wydajności w grach i aplikacjach wykorzystujących animacje w trasie rzeczywistym, Program SuperPI - próbka 4M oraz 32M, dzięki niemu mierzyliśmy zdolność obliczeniową jednego rdzenia, Program Wprime - próbka 1024M, dzięki niemu mierzyliśmy zdolność obliczeniową wszystkich czterech rdzeni naraz. Procedura testowa wyglądała następująco: 26

27 Procesor pracował 30 minut w trybie IDLE, następnie za pomocą wymienionego wyżej oprogramowania testowaliśmy poszczególne własności procesora. Każdy test był przeprowadzany trzykrotnie, jako wynik podana jest średnia ze wszystkich testów. Dodatkowo każdy procesor został sprawdzony pod kątem możliwości podkręcania. Pobór energii był mierzony w trakcie dwugodzinnej pracy komputera maksymalnie obciążonego za pomocą programu WPrime.Na ocenę końcową będzie składają się: wydajność w poszczególnych testach, możliwość podkręcenia oraz aktualna cena. Czas na rozpoczęcie rywalizacji. Na początek SuperPI próbka 4M i 32M, sprawdzimy dzięki temu moc obliczeniową jednego rdzenia. 27

28 Jak łatwo zauważyć najtańsza propozycja Intela znacznie odstaje od pozostałych, w końcu ma zaledwie 4MB pamięci podręcznej. O dziwo, kolejny z listy - Q9300 niewiele ustępuje modelowi Q9450, a różnią się nie tylko mnożnikiem, ale także wielkością pamięci podręcznej. Overclocking został przeprowadzony w najprostszy możliwy sposób - przy standardowym napięciu stopniowo podnosiliśmy taktowanie magistrali. Jak zmieni się ranking po podkręceniu procesorów widać na poniższym wykresie. Jak można zauważyć wszystkie procesory podkręcały się praktycznie tak samo. Lepiej podkręcić czy dopłacić i kupić mocniejszy? Tą decyzję musicie podjąć sami. Czas na sprawdzenie wydajności wszystkich czterech rdzeni, zrobimy to dzięki programowi Wprime. Do standardowych wyników dodaliśmy także wyniki po overclockingu. 28

29 Kupując procesor z pewnością patrzymy na jego możliwości w grach, zatem postanowiliśmy przetestować je pod tym kontem w benchmarkach 3DMark 2001,03,05,06, oraz Aquamark. Wykres zawiera wyniki zarówno przed jak i po podkręceniu. Dla tych którzy cenią sobie oszczędność energii przygotowaliśmy specjalną część testu - pomiar mocy pod maksymalnym obciążeniem programem Wprime, w którym obciążane są wszystkie cztery rdzenie. Podsumowanie i ocena Podsumowując: quady to dobre rozwiązanie dla graczy, grafików lub osób lubiących moc, obecnie na rynku jest wiele propozycji w różnych przedziałach 29

30 cenowych, które z pewnością zainteresują różne grupy użytkowników. Procesory czterordzeniowe QuadCore Intela wciąż pozostają interesującą pozycją na rynku, szczególnie, że ich cena po premierze i7 spadła. Platforma oparta o Quady może być alternatywą dla nowszych, ale też droższych rozwiązań, a zadowoli zarówno przeciętnego Kowalskiego, jak i bardziej wymagających użytkowników. Procesor Plusy/minusy Q9450 plusy: stosunek cena/wydajność, pełnosprawny quad z 12MB pamięci cache Q9550 plusy: 12MB cache minusy: zbyt duża różnica w cenie do Q9450 za niewielką korzyść (nieco większy mnożnik) Q9650 plusy: wydajność minusy: CENA Q9300 plusy: większa wydajność niż Q8200 za niewiele większą cenę minusy: tylko 6MB pamięci podręcznej Q8200 plusy: cena minusy: tylko 4MB pamięci podręcznej Ocena 30

31 Sprzęt do testów dostarczyli: Produkt: Dostarczył: Q8200, Q9300, Q9450, Q9550, Q9650 Karta graficzna MSI GeForce 280GTX Zestaw chłodzenia cieczą Płyta główna Gigabyte EP45 UD3P Pamięć ram Goodram PRO PC8500 2x1GB 31