Архитектура компьютера
Лекция 6
Кремниевое производство. Ограничения аппаратуры
Пенской А.В., 2022
План лекции
- Особенности производства вычислительной техники (продолжение)
计算机技术生产的特点（续）- Интегральные схемы. Кремниевое производство 集成电路。 硅生产
- Состояние и развитие современных процессоров
现代处理器的现状和发展
- Закон Деннарда 登纳德定律
- Законы Мура 摩尔定律
- О надёжности современного кремниевого производства 现代硅生产的可靠性
- Ограничения и трудности аппаратного обеспечения 硬件限制和困难
Вопрос: Проблема разбега в двоированной системе
P1 и P2 – идентичные процессоры, с идентичным ПО, с единым тактовым сигналом.
“P1”和“P2”是相同的处理器，具有相同的软件和单个时钟信号。
comparator – сравнивает результат работы P1 и P2 и в случае ошибки – аварийная перезагрузка.
comparator - 比较 P1 和 P2 的结果，如果出现错误 - 紧急重启。
Почему процессоры могут регулярно выдавать разные значения?
为什么处理器会定期产生不同的值？
Что не так с этой платой?
这块板有什么问题吗？
Выравнивание длины линий на плате.
对齐板上线条的长度。
Интегральные схемы. Кремниевое производство 集成电路。 硅生产
| источник 1 | источник 2 |
Процесс производства чипа 芯片制造工艺
Кремниевый песок 硅砂
Начало производственной цепочки
Выращиваем монокристалл кремния (буля) 生长硅单晶（晶锭）
Производим подложку будущих чипов (Wafer) 我们生产未来芯片的基板（晶圆）
Фотолитография и “море” транзисторов 光刻与晶体管的“海洋”
“свет-шаблон-фоторезист”
“光-模板-光刻胶”
- На кремниевую подложку наносят материал для рисунка.
- Наносится фоторезист.
- Экспонирование через фотошаблон.
- Удаление отработанного фоторезиста.
- 将图案材料施加到硅基板上。
- 应用光致抗蚀剂。
- 通过光掩模曝光。
- 去除废光刻胶。
Interconnect 互连
Структура чипа в разрезе 芯片剖面结构
Извлечение будущих чипов 未来芯片的提取
Корпус и контакты 外壳和触点
Современный степпер (засветка фотошаблона) 现代步进机（光掩模照明）
“Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 000 капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров, как показано на видео.”
“在最先进的 EUV 机器内，每秒有 50,000 滴熔融锡落入其底部的腔室。一对高能二氧化碳激光器撞击每一滴，产生等离子体，进而发射光第一个脉冲将锡滴转化为云雾薄煎饼形状，因此 3 微秒后的第二个脉冲（功率更大）将锡爆炸成以 13.5 纳米波长发光的等离子体，如视频所示。”
Состояние и развитие современных процессоров
Закон Деннарда
Dennard scaling, also known as MOSFET scaling, is a scaling law which states roughly that, as transistors get smaller, their power density stays constant, so that the power use stays in proportion with area; both voltage and current scale (downward) with length.
登纳德缩放，也称为 MOSFET 缩放，是一种缩放定律，粗略地指出，随着晶体管变小，它们的功率密度保持恒定，因此功耗与面积成正比； 电压和电流都随长度变化（向下）。
- Дороговизна (физическая невозможность) дальнейшего уменьшения размера транзистора.
进一步减小晶体管尺寸的昂贵（物理上不可能）。 - Токи утечки. 漏电流。
- Power wall и Dark Silicon.
电源墙和黑硅。
Закон Мура
Moore’s law is the observation that the number of transistors in a dense integrated circuit (IC) doubles about every two years.
摩尔定律 是指密集集成电路 (IC) 中的晶体管数量大约每两年翻一番。
- закон Амдала (фундаментальное ограничение на параллелизм, к нему мы вернемся позднее)
- накладные расходы на параллельные вычисления
- объективная сложность параллельного программирования
- доставка данных
- 阿姆达尔定律（并行性的基本限制，我们稍后会再讨论）
- 并行计算的开销
- 并行编程的客观复杂性
- 数据传送
- Архитектура процессора как источник роста производительности
处理器架构作为性能增长的源泉
О надёжности
современного кремниевого производства
- Разные частоты процессоров
- Core Single, Core Duo, Core Quad…
- Intel Pentium Celeron
- 不同的处理器频率
- 单核、双核、四核…
- 英特尔奔腾赛扬
Ограничения и трудности аппаратного обеспечения
- software system 软件系统
-
A system made up of software, hardware, and data that provides its primary value by the execution of the software.
由软件、硬件和数据组成的系统，通过软件的执行提供其主要价值。 - — OMG Essence OMG 精华
Вывод: в любой программной системе (software intensive system) есть: 结论：在任何软件系统（软件密集型系统）中都存在：
- software ~ программное обеспечение
- hardware ~ аппаратное обеспечение
- data ~ какие-то необходимые для работы данные, являющиеся частью системы
- 软件 ~ 软件
- 硬件 ~ 硬件
- 数据〜作为系统一部分的工作所需的一些数据
Производство 生产
- Логистика
- Склады
- Специалисты
- Производственная цепочка
- Тестирование
- Упаковка
- Дистрибуция
- Гарантийный ремонт
- 物流
- 仓库
- 专家
- 产业链
- 测试
- 包装
- 分配
- 保修维修
Обслуживание стареющей аппаратуры 老化设备的维护
- Ограниченный срок службы.
使用寿命有限。 - Рост вероятности выхода из строя и замена рабочего парка машин.
工作机器组发生故障和更换的可能性增加。 - Затраты на обслуживание.
维修费用。 - Ремонт требует запасных компонентов.
维修需要备用部件。
- Дорогое хранение. 昂贵的存储。
- Конечный запас. 期末库存。
- Воспроизведение: 回放：
- Вытеснение старой элементной базы. 更换旧元件底座。
- Устаревшую элементную базу невыгодно производить (спрос). 生产过时的组件（需求）是无利可图的。
- Штучное производство. 计件生产。
- Остановка производства, поиск на барахолках. 停止生产，搜寻跳蚤市场。
- Вывод из эксплуатации сопутствующего оборудования: 相关设备退役：
- CD-ROM в компьютерах не устанавливается; 计算机未安装CD-ROM；
- 2.5 дискеты больше не производят. 不再生产2.5软盘。
Оловянные нитевидные кристаллы в электронной технике 电子产品中的锡须
Варианты замены устаревшей аппаратуры 更换过时设备的选项
- Перепроектирование на новой элементной базе (сохранение интерфейсов и ПО).
- Модульная организация и стандартизированные интерфейсы. Имитация элементов. Парадокс Тесея.
- Виртуализация (запуск ПО).
-
Проблема пользовательского опыта (компьютер 80-ых позволяет внести запись в БД, пока современный загружается).
- 在新的元素基础上重新设计（保留界面和软件）。
- 模块化组织，标准化接口。 元素的模仿。 忒修斯悖论。
- 虚拟化（启动软件）。
- 用户体验问题（80年代的计算机允许您在现代计算机加载时在数据库中输入条目）。
Сложность внесения изменений 难以做出改变
- Чем совершеннее технология, тем сложнее внести изменения. 技术越先进，改变就越困难。
- Навесной монтаж: перерезал один провод, припаял другой. 表面安装：剪断一根电线，焊接另一根电线。
- Непредусмотренное изменение в процессоре 处理器发生意外变化 $\rightarrow$ перепроектирование $\rightarrow$ перепроизводство $\rightarrow$ перепоставка. $\rightarrow$ 重新设计 $\rightarrow$ 生产过剩 $\rightarrow$ 重新交付。
- Физический контакт. 物理接触。
- дорого; 昂贵的;
- не всегда возможно; 并不总是可能的；
- Почему управление одним реле с помощью ARM-процессора – это нормально?
为什么使用 ARM 处理器控制一个继电器是正常的？
Примечание: речь о применении “патча”, а не о его разработке.
注意：这是关于应用“补丁”，而不是开发它。
Почему сложность изменений – это хорошо? 为什么变革的复杂性是一件好事？
