CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟

1: ماده اولیه

CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟ امروزه همه می دانند که ماده اولیه پردازنده ها همچون دیگر مدارات مجتمع الکترونیکی، سیلیکون است. در واقع سیلیکون همان ماده سازنده شیشه است. که از شن استخراج می شود. البته عناصر بسیار دیگری در این فرایند به کار برده می شوند. اما از نظر درصد وزنی، سهم مجموع این عناصر نسبت به سیلیکون به کار رفته در محصول نهایی بسیار کمتر است.

آلمینیوم یکی از موارد دیگری است. که در فرایند تولید پردازنده های مدرن، مس به تدریج جایگزین آلمینیوم می شود. اندازه‌ها در پردازنده‌های امروزی در حد چند ده نانو متر هستند. پس از آنجایی که با استفاده از فلز مس، می‌توان اتصالات ظریف‌تری ایجاد کرد. این فلز جایگزین آلومینوم شده است.

2: آماده سازی

در فرایندهای تولید قطعات الکترونیک، درجه خلوص مواد اولیه مورد نیاز در حد بسیار بالایی اهمیت بسیار زیادی دارند.
اهمیت این موضوع در حدی است که از اصطلاح electronic grade برای اشاره به درجه خلوص بسیار بالایی مواد استفاده می شود.
آخرین مرحله خالص سازی ماده سیلیکون، به این صورت انجام می شود که یک بلور خالص سیلیکون درون ظرف سیلیکون مذاب خالص شده قرار داده می شود،. تا بلور باز هم خالص تری در این ظرف رشد کند. ( همان طور که بلورهای نبات در درون محلول اشباع شده به دور یک ریسمان نازک رشد می کنند ) .

این روش در صنعت تولید چیپ به روش cz معروف است. تهیه چنین شمش تک بلوری سیلیکون آن قدر اهمیت دارد که یکی از تحقیقات اخیر اینتل و دیگر شرکت های تولید کننده پردازنده، معطوف تولید شمش های سی سانتی متری سیلیکون تک بلوری بوده است.

 پس از آنکه یک بلور سیلیکونی غول آسا به شکل یک استوانه تهیه گشت،. گام بعدی ورقه ورقه بریدن این بلور است. هر ورقه نازک از این سیلیکون، یک ویفر نامیده می شود. که اساس ساختار پردازنده ها را تشکیل می دهد. در واقع تمام مدارات یا ترانزیستورهای لازم،بر روی این ویفر تولید می شوند. هر چه این ورقه ها نازک تر باشند، عمل برش بدون آسیب دیدن ویفر مشکل تر خواهد شد. از طرف دیگر این موضوع به معنی افزایش تعداد چیپ هایی است که میتوان با یک شمش سیلیکونی تهیه کرد. پس از آنکه ویفرهای سیلیکونی بریده شدند. نوبت به صیقل کاری آنها می رسد. ویفرها آنقدر صیقل داده می شوند که سطوح آنها آیینه ای شود. کوچکترین نقص در این ویفرها موجب عدم کارکرد محصول نهایی خواهد بود.

3: ساخت ترانزیستورها بر روی ویفر سیلیکونی

 این مرحله، بر اثر تزریق مواد گوناگون و همچنین ایجاد پوشش‌های فلزی فوق نازک ( در حد ضخامت چند اتم ) در مراحل متعدد، یک ساختار چند لایه‌ای و ساندویچی بر روی ویفر سیلیکونی اولیه شکل می‌گیرد. در طول این فرایند ، ویفر ساندویچی سیلیکونی در کوره‌ای قرار داده می‌شود. تا تحت شرایط کنترل شده و بسیار دقیق  پخته می‌شود. و لایه‌ای از sio2 بر روی ویفر ساندویچی تشکیل شود. در جدید ترین فناوری اینتل به تکنولوژی 90 نانو متری معروف است. ضخامت لایه sio2 فقط 5 اتم است!

این لایه در مراحل بعدی دروازه یا Gate هر ترانزیستور واقع در چیپ پردازنده خواهد بود. که جریان الکتریکی عبوری را در کنترل خود دارد ترانزیستورهای تشکیل دهنده تکنولوژی CMOS از نوع ترازیستورهای اثر میدانی field Efect Transistor:FET نامیده می‌شوند. جریان الکتریکی از اتصالی بنام Source به اتصال دیگری به نام Drain جریان می‌یابد. وظیفه اتصال سوم به نام Gate در این ترانزیستور، کنترل و مدیریت بر مقدار و چگونگی عبور جریان الکتریکی از یک اتصال به اتصال دیگر است.

آخرین مرحله آماده سازی ویفر، قرار دادن پوشش ظریف دیگری بر روی ساندویچ سیلیکونی است. که photo-resist نام دارد. ویژگی این لایه آخر همان طور که از نام آن مشخص می شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع این لایه از مواد شیمیایی ویژه ای ساخته شده است. که اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، می‌توان آن را در محلول ویژه ای حل کرده و شست. و در غیر این صورت ( یعنی اگر نور به این پوشش تابانده نشده باشد)، این پوشش در حلال حل نخواهد شد.

4: ماسک کردن

در این مرحله عمل فتولیتو گرافی (photolithography ) بر وروی ویفر ساندویچی انجام می شود. در واقع آنچه در این مرحله انجام می‌شود آن است که بر روی ویفر سیلیکونی، نقشه و الگوی استنسل مشخصی با استفاده از فرایند فتو لیتو گرافی چاپ می شود. تا بتوان در مرحله بعدی با حل کردن و شستن ناحیه های نور دیده به ساختار مورد نظر رسید.

 در این موارد چند نکته جالب توجه وجود دارد. نخست آنکه الگوها و نقشه هایی که باید بر وری ویفر چاپ شوند. آنقدر پیچیده هستند که برای توصیف آنها به 10 گیگابایت داده نیاز است. نکته دیگر آنکه در ساختمان چیپ های پردازنده بیش از بیست لایه مختلف وجود دارد. که برای هر یک از آنها لازم است چنین نقشه هایی لیتو گرافی شود. موضوع دیگر آن است که نور در لبه های اجسام دچار انحراف از مسیر راست میشود. (پدیده ای که به پراش یا Diffraction معروف است). هر چه لبه های اجسامی که در مسیر تابش واقع شده اند، کوچکتر یا ظریف تر باشند، پدیده پراش شدیدتر خواهد بود .

 در واقع یکی از بزرگ ترین موانع تولید پردازنده هایی که در آنها از ساختارهای ظریف تری استفاده شده باشد، همین موضوع پراکندگی یا تفریق نور است که باعث مات شدن تصویری می شود. که قرار است بر روی ویفر چاپ شود . برای مقابله با این مسئله، یکی از موثرترین روش ها، آن است که از نوری در عمل فتولیتو گرافی استفاده کنیم. که دارا ی طول موج کوچکتری است. برای همین منظور در تولید پردازنده ها، از نور UV ( ماورای بنفش ) استفاده می شود. پس از آنکه نقشه مورد نظر بر روی ویفر چاپ شود،. ویفر در درون محلول شیمیایی ویژه ای قرار داده می شود. تا جاهایی که در معرض تابش واقع شده اند، در آن حل شوند.

5: تکرار

پس از این مرحله، لایه photo-resist باقی مانده از روی ویفر بر داشته می شود. در این مرحله ویفری در اختیار خواهیم داشت که در آن دیواره ای از جنس sio2 در زمینی از جنس سیلیکون واقع شده اند. پس از این گام، یکبار دیگر یک لایه sio2 به همراه پلی سیلیکون (polysilicon ) بر روی ویفر ایجاد شده و بار دیگر لایه photo-resist جدیدی بر روی ویفر پوشانده می شود.

همانند مراحل قبلی، چندین بار دیگر مراحل تابش نور و در حلال قرار دادن ویفر انجام می شوند. بدین ترتیب پس از دست یافتن به ساختار مناسب، ویفر در معرض بمباران یونی مواد مختلف واقع می شود تا نیمه هادی نوع n و p بر روی نواحی سیلیکونی باقی مانده تشکیل شوند. به این وسیله،مواد مشخصی در مقادیر بسیار کم و دقیق به درون بلور سیلیکون نفوذ داده می شوند تا خواص نیمه هادی نوع n و p به دست آیند. با تکرار مراحل فوق، عملا ساختار لایه ای سه بعدی از مدارات الکترونیکی درون پردازنده تشکیل می شود. در بین هر چند لایه، از لایه ای فلزی استفاده می شود که با حک کردن الگوها ی مشخصی بر روی آنها به همان روش های قبلی، لایه های سیم بندی بین المان ها ساخته شوند.

6: غربال کردن

تولید ساندویچ های پیچیده تشکیل شده از لایه های متعدد سیلیکون، فلز و مواد دیگر،فرایندی است که ممکن است روزها و حتی هفته ها به طول انجامد. در تمامی این مراحل ، آزمایش های بسیار دقیقی بر روی ویفر سیلیکونی انجام می شود. تا مشخص شود که آیا در هر مرحله عملیات مربوطه به درستی انجام شده اند یا خیر. پس از این مراحل چیپ هایی که نقص داشته باشند، از ویفر بریده می شوند. و برای انجام مراحل بسته بندی و نصب پایه های پردازنده ها به بخش های ویژه ای هدایت میشوند. این مراحل واپسین هم دارای پیچیدگی ها ی فنی خاصی است.

چیپ های آزمایش شده باز هم برای تعیین کیفیت و کارایی چندین بار آزمایش می شوند. واقعیت آن است که کیفیت پردازنده ها ی تولید شده حتی در پایان یک خط تولید و در یک زمان ، ثابت نیست و پردازنده ها در این مرحله درجه بندی می شوند! ( مثل میوه هایی که در چند درجه از نظر کیفیت طبقه بندی می شوند.) برخی از پردازنده ها در پایان خط تولید واجد خصوصیاتی می شوند که می توانند مثلا” تحت ولتاژ یا فرکانس بالاتری کار کنند. این موضوع یکی از دلایل اصلی تفاوت قیمت پردازنده ها است.

گروه دیگری از پردازنده ها ، دچار نقص در بخش هایی می شوند که همچنان آنها را قابل استفاده نگاه می دارد. به عنوان مثال ، ممکن است برخی از پردازنده ها در ناحیه حافظه نهان ( cache )دچار نقص باشند. در این مورد، می توان به روش هایی بخش های آسیب دیده را از مدار داخلی پردازنده خارج ساخت. بدین ترتیب پردازنده هایی به دست می ایند که مقدار حافظه نهان کمتری دارند.
بدین ترتیب پردازنده هایی مانند celeron در اینتل و sempron در شرکت AMD ، در خط تولید پردازنده های Full cache  این شرکت ها نیز تولید می شوند!

شرکت های تولید کننده پردازنده

پردازنده‎‌ها توسط شرکت‌های مختلفی تولید می‌شوند. بعضی از آن‌ها مشابه و سازگارند و برخی دیگر ناسازگار. معروف‌ترین این شرکت‌ها عبارتنداز: Intel- IBM- AMD- Cyrix- Motorola- IDT- IIT- NEC- Nexgen- Rise- Metaflow- Chips & Technology معمولاً بر روی هر CPU نام شرکت تولید کننده نوشته می‌شود. ممکن است شماره آن نیز همراه با حرف اول و یا دو حرف اول تولید کننده نوشته شود.

CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟ تاریخچه ریزپردازنده ها

اولین ریزپردازنده در سال 1971 و با نام Intel 4004 معرفی گردید. ریزپردازنده فوق چندان قدرتمند نبود و صرفا” قادر به انجام عملیات جمع و تفریق چهار بیتی بود. نکته مثبت پردازنده فوق، استفاده از صرفا” یک تراشه بود. قبل از آن مهندسین و طراحان کامپیوتر از چندین تراشه و یا عصر برای تولید کامپیوتر استفاده می‌کردند.
اولین ریزپردازنده‌ای که بر روی یک کامپیوتر خانگی نصب گردید ، 8080 بود. پردازنده فوق هشت بیتی و بر روی یک تراشه قرار داشت . این ریزپردازنده در سال 1974 به بازار عرضه گردید. اولین پردازنده‌ای که باعث تحولات اساسی در دنیای کامپیوتر شد ، 8088 بود. ریزپردازنده فوق در سال 1979 توسط شرکت IBM طراحی و اولین نمونه آن در سال 1982 عرضه گردید.

وضعیت تولید ریزپردازنده توسط شرکت‌های تولید کننده بسرعت رشد و از مدل 8088 به 80286 ، 80386 ، 80486 ، پنتیوم ، پنتیوم II ، پنتیوم III و پنتیوم 4 رسیده است . تمام پردازنده‌های فوق توسط شرکت اینتل و سایر شرکت‌های ذیربط طراحی و عرضه شده است . پردازنده‌های پنتیوم 4 در مقایسه با پردازنده 8088 عملیات مربوطه را با سرعتی به میزان 5000 بار سریعتر انجام می‌دهد!

CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟  عملکرد پردازنده ها

بعد از اینکه یک کامپیوتر و یا یک لپ‌تاپ را می‌خرید تقریبا اولین چیزی که از شما سوال می‌شود این است که سی‌پی‌یو سیستم‌تان چند است… خوب اگر شما اصلا ندانید که سی‌پی‌یو چیست هاج و واج نگاه می‌کنید. و این اصلا خوب نیست! در ضمن اگر بخواهید یک دستگاه جدید بخرید واقعا باید از نوع سی‌پی‌یو و چند هسته‌ای بودن آن آگاه باشید. پس این مورد چیزی است که باید یاد بگیرید. سی‌پی‌یو همان واحد پردازش مرکزی یا پردازنده کامپیوتر است.

به پردازنده کامپیوتر یا همان پردازنده‌ی مرکزی (CPU) معمولا مغز کامپیوتر می‌گویند. که یکی از واحدهایی در کامپیوتر است. که وظیفه‌ی پردازش را برعهده دارد. و یکی از اصلی‌ترین و مهم‌ترین اجزای هر سیستمی است. این واحد در واقع وظیفه‎‌ی انجام محاسبات، عملیات و اجرای برنامه‌ها را دارد.

CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟ فرکانس کلاک

سرعت CPU یا پردازنده وابسته به فرکانس Clock کاری آن‌هاست که معمولاَ با واحد GHz بیان میشود.

زمانیکه برنامه‌ای یا دستورالعملی توسط یک کاربر برای امر پردازش مورد درخواست واقع میگردد. CPU آن دستورالعمل‌ها را از حافظه RAM فراخوانی می‌کند و آن‌ها را مورد محاسبه و پردازش قرار می‌دهد. حال قبل از اینکه پاسخ آن درخواست‌ها توسط CPU به حافظه RAM منتقل شود. و قابل استفاده برای ما باشد CPU آن اطلاعات را با توجه به دستوری که به وی داده شده است خوانده و عملیات محاسبه و انتقال داده‌ها را به حافظه RAM شروع می‌کند. قبل از اینکه داده‌ها توسط CPU اجرا شوند بایستی از طریق System BUS عبور داده شوند.

وظیفه CPU اطمینان حاصل کردن از اینکه داده‌ها پردازش شده و در System bus برای عبور قرار گرفته اند است. CPU داده‌ها را مدیریت می‌کند تا دستورالعمل‌ها را به شکل صحیح اجرا کند. و آن‌ها را در System bus برای عبور دادن به حافظه قرار دهد. بنابراین درخواست داده شده توسط کاربر توسط CPU مورد پردازش قرار گرفتنه و در حافظه RAM فراخوانی می‌شود. و در نهایت کاربر اطلاعات پردازش و محاسبه شده را در صفحه نمایش مانیتور مشاهده می‌کند.

CPU یا پردازنده سیستم از دو واحد منطقی و اساسی تشکیل شده است. این دو واحد عبارتند از Control Unit ( واحد کنترل ) و Logic Unit ( واحد منطق ).

امروزه کامپیوتر ها با پردازنده های چند هسته ای یا در اصطلاح فنی Multi-Core همراه هستند. پردازنده‌های چند هسته‌ای می‌توانند به طور همزمان با یکدیگر کار کند. و دارای مزایایی نظیر سرعت بسیار زیاد ، مصرف انرژی برق کمتر ، کارایی بالا ، امکان پردازش موازی دستورالعمل یا Parallel Processing هستند.

CPU چه ویژگی و کارایی دارد؟ عوامل موثر در عملکرد سی پی یو ها:

• سرعت ساعت یا کلاک سی پی یو: واحد آن هرتز بوده و وقتی می‌گوییم سرعت سی‌پی‌یو 1گیگا هرتز می‌باشد. یعنی این پردازنده میتواند 1 میلیارد دستور را در مدت زمان یک ثانیه پردازش کند.
• کش سی پی یو: کش به حافظه‌ای بسیار سریع و گران قیمت گفته می‌شود. کار کش نگهداری اطلاعاتی برای سی‌پی‌یو است. که در هنگام پردازش اطلاعات به ان‌ها نیاز دارد.
• تعداد هسته: افزایش روز افزون تعداد هسته‌های داخلی سی‌پی‌یو به همراه بهبود تکنولوژی ساخت آن‌ها شرایط کار موازی هسته‌های متعدد داخل سی‌پی‌یو و کاهش حرارت داخلی.

برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما در گروه مهرگان آی تی در ارتباط باشید.