Microprocesoarele. Cum functioneaza ele si de ce exista o limita de viteza

Microprocesorul (numit si procesor) este unitatea centrala de prelucrare a informatiei a unui calculator sau sistem, care il si controleaza. Fizic, se prezinta sub forma unui cip electronic (circuit integrat). Microprocesorul este elementul principal al sistemului de calcul si este plasat pe o placa de baza numita motherboard.

Microprocesoarele sunt extrem de complexe si foarte mici, putand ajunge sa contina milioane de tranzistoare.

In mare, microprocesoarele au un “bus” de adrese, unul de date, o linie pentru scriere si una pentru citire, o linie de ceas ce face ca procesorul sa pulseze la o anumita frecventa si inca o linie ce reseteaza executia.

Microprocesoarele au o viteza maxima de procesare, ajungand pana la cativa GHz. Asta inseamna ca pot executa instructiuni fara eroare sub respectiva viteza, la niste parametri normali de temperatura.

S-au realizat modificari pentru mai bune performante: marind numarul de instructiuni dintr-o secventa de instructiuni ce pot fi realizate intr-un singur ciclu al microprocesorului, sau marind frecventa ceasului microprocesorului, chiar mai mult decat spunea legea lui Moore.

Din pacate, inginerii nu mai pot continua sa foloseasca aceste tehnici pentru a mari viteza procesoarelor moderne si se pare ca aceasta tehnica a fost exploatata la maximum.

Lucrurile se complica si mai departe datorita consturilor prea mari pentru realizarea unor procesoare superscalare ce pot realiza mult mai multe instructiuni intr-un singur ciclu. Costurile sunt ridicate datorita complexitatii logicii necesare pentru a descoperi instructiuni paralele.

Astazi, progresul in acest domeniu a scazut foarte mult si datorita unei alte probleme: energia. In ultimii 20 de ani, microprocesoarele si-au crescut consumul de la 1 watt la peste 100 de watti.

Desi cu fiecare generatie de procesoare consumul a scazut prin realizarea unor tranzistoare din ce in ce mai mici ce necesita mai putina energie pentru a comuta, a si crescut in acelasi timp datorita unui numar din ce in ce mai mare de tranzitori implementati. Efectul a fost o crestere exponentiala a consumului de energie.

Temperatura ridicata

In anii 1980, microprocesoarele nu aveau nevoie de racire. Dupa 1990, au fost nevoite adaugarea unor mici ventilatoare pentru a asigura mentinerea microprocesorului la o temperatura optima de functionare.

Toate aceste probleme ale paralelismului, a energiei consumate, dar si cele legate de racire au dus la o alta idee noua, ce pare sa le rezolve, cel putin momentan: procesorul cu mai multe nuclee.

Insa fara modificari radicale in designul procesoarelor, in viitor performanta lor nu va mai creste prea mult.

Constrangeri fizice

Problemele cu care se confrunta proiectantii de microprocesoare nu sunt insurmontabile, insa solutiile sunt din ce in ce mai greu de gasit.

Printre altele, exista doua lucruri importante care limiteaza microprocesoarele: decalajul transmisiei in interiorul cipului si temperatura.

Decalajul se datoreaza datorita firelor ce conecteaza toate tranzistoarele intr-un cip. “Firele” sunt incredibil de mici. Un cip reprezinta practic un grup de tranzitoare conectate intre ele, iar un tranzistor functioneaza precum un intrerupator.

Atunci cand un tranzistor isi schimba starea din pornit in oprit sau invers, incarca firul ce este legat de urmatorul tranzistor. Insa aceste operatiuni necesita timp. Cu cat “firul” este mai lung, cu atat va dura mai mult.

Reducerea dimensiunilor are o consecinta importanta: traseele pe care trebuie sa le parcurga curentul electric intre componente sunt mai scurte, deci se pot parcurge mai rapid. Proiectantii au putut face astfel procesorul sa functioneze cu un ceas mai rapid.

Insa nu doar distanta dintre doi tranzistori e singura problema: comutarea intre doua stari a tranzistorului necesita si ea timp. Aceasta limiteaza viteza unui microprocesor. Mai mult, tranzistorii sunt legati in lant, asadar, cu fiecare tranzistor, timpul se mareste.

O alta problema ce limiteaza viteza unui microprocesor este temperatura ridicata. De fiecare data cand tranzistorii isi schimba starea, comuta de pe 0 pe 1 sau invers, pierd putina electricitate. Aceasta creeaza caldura, si cu cat ruleaza mai rapid, cu atat genereaza mai multa caldura. Un cip care se supraincalzeste se blocheaza sau cauzeaza erori. Calculatorul poate “ingheta” pentru mici perioade de timp, se poate restarta automat, sau pot aparea asa numitele BSOD (Blue Screen of Death) pe sistemele de operare Windows.

Microprocesoarele au ajuns sa contina un numar impresionant de tranzistori, ajungand pana la cateva sute de milioane. Astfel de circuite sunt foarte greu de verificat si testat. Cheltuielile pentru verificare si testare chiar ajung sa depaseasca pe cele de proiectare si dezvoltare.

Miniaturizarea nu va putea si ea continua in acelasi ritm exponential. S-ar ajunge la necesitatea de a realiza un tranzistor mai mic decat un atom, ceea ce e imposibil. Insa pana acolo, mai sunt alte probleme de confruntat.

Mark Horowitz, profesor la Universitatea Stanford a scris un articol intitulat “Viitorul sarmelor” si in care porneste de la caracteristicile electrice ale semiconductorilor si analizeaza o serie de scenarii posibile pentru tehnologiile de fabricatie. Textul ia in considerare mai multi factori precum geometria firelor, capacitati si resistente, disiparea puterii, etc. Mark Horowitz a ajuns la o concluzie interesanta, cum ca nu firele ar constitui un impediment in functionarea sa corecta.

Suprafata circuitelor nu a scazut, din cauza ca designerii au adaugat noi module, insa o problema sunt firele care traverseaza mai multe module. Lungimea acestora ramanand constanta, in milimetri. Ori, cum viteza ceasului creste mereu, asta inseamna ca semnalele electrice nu mai au timp sa parcurga firele de la un capat la altul. Circuitele viitorului nu vor mai putea comunica prin semnale globale: pur si simplu va fi imposibil pentru un fir sa uneasca diferite parti ale circuitului. 1

Pe masura ce tranzistorii sunt tot mai mici, firele sunt mai subtiri si consumul de putere este mai mare, circuitele sunt mai sensibile la zgomot, fie el termic, din mediu sau probabil in curand, chiar efecte cuantice. Fenomenele de transport din semiconductori pe care se bazeaza tranzistorul sunt fenomene statice: ori cand dimensiunile devin atat de mici incat numai cativa electroni produc semnale, statistica nu mai opereaza iar exceptiile incep sa apara.

Performanta microprocesoarelor s-a situat pe o curba exponentiala, iar miniaturizarea si tehnicile folosite au contribuit in mod egal la aceste spectaculoase cresteri. Insa aceasta crestere se apropie de sfarsit datorita unor bariere fizice fundamentale. Asta pana la aparitia unor noi generatii de procesoare ce vor depasi aceste probleme.

Autor: Marius Ignatescu, www.descopera.org