Какие две основные большие микросхемы набора микросхем содержатся в современных компьютерах

Обновлено: 21.11.2024

Кремниевая пластина, содержащая чипы, изготовленные с использованием 2-нанометровой транзисторной технологии International Business Machines Corp, показана на этой недатированной фотографии в раздаточном материале, предоставленной 6 мая 2021 года. Предоставлено IBM Research/Раздаточный материал через REUTERS

6 мая (Рейтер). На протяжении десятилетий каждое поколение компьютерных микросхем становилось все быстрее и энергоэффективнее, потому что их самые основные строительные блоки, называемые транзисторами, становились меньше.

Темпы этих улучшений замедлились, но корпорация International Business Machines (IBM.N) в четверг заявила, что у кремния есть по крайней мере еще одно преимущество поколения.

IBM представила, по ее словам, первую в мире технологию производства микросхем с нормой 2 нанометра. По заявлению компании, эта технология может быть на 45 % быстрее, чем основные 7-нанометровые чипы во многих современных ноутбуках и телефонах, и на 75 % более энергоэффективна.

Выход технологии на рынок, скорее всего, займет несколько лет. Когда-то крупный производитель чипов, IBM теперь передает свое крупносерийное производство чипов на аутсорсинг Samsung Electronics Co Ltd (005930.KS), но поддерживает исследовательский центр по производству чипов в Олбани, штат Нью-Йорк, который производит тестовые партии чипов и заключает совместные сделки по разработке технологий. с Samsung и Intel Corp (INTC.O) для использования технологии производства микросхем IBM.

2-нанометровые чипы будут меньше и быстрее, чем современные передовые 5-нанометровые чипы, которые только сейчас появляются в смартфонах премиум-класса, таких как модели iPhone 12 от Apple Inc (AAPL.O), и ожидаемые 3-нанометровые чипы. после 5-нм.

Технология, которую IBM продемонстрировала в четверг, представляет собой базовый строительный блок микросхемы: транзистор, который действует как электрический выключатель и формирует единицы и нули двоичных цифр, лежащих в основе всех современных вычислений.

Сделать переключатели очень маленькими, чтобы сделать их более быстрыми и энергоэффективными, но это также создает проблемы с утечкой электронов, когда переключатели должны быть выключены. Дарио Хиль, старший вице-президент и директор IBM Research, рассказал в интервью агентству Reuters, что ученым удалось накрыть листы изоляционного материала толщиной всего в несколько нанометров, чтобы остановить утечку.

«В конце концов, есть транзисторы, а все остальное (в вычислениях) зависит от того, станет ли этот транзистор лучше или нет. И это не гарантия того, что транзистор будет опережать поколение за поколением. Так что каждый раз, когда у нас появляется возможность сказать, что будет еще один, это большое событие», — сказал Гил.

Сложно представить мир без микрочипов. Они лежат в основе устройств, которые мы используем для работы, путешествий, поддержания формы и развлечений: от автомобилей до смартфонов и от МРТ-сканеров до промышленных роботов и центров обработки данных.

Микрочипы повсюду. В 2020 году во всем мире было произведено более 932 миллиардов микросхем, что обеспечило промышленность стоимостью 440 миллиардов евро. Благодаря новым функциональным возможностям, повышению производительности и снижению стоимости с каждым поколением достижения в области чипов привели к появлению новых продуктов и преобразованию отраслей.

*Источник данных: WSTS

Что такое микрочип?

Микрочип (также называемый чипом, компьютерным чипом, интегральной схемой или ИС) представляет собой набор электронных схем на небольшом плоском кусочке кремния. На чипе транзисторы действуют как миниатюрные электрические переключатели, которые могут включать и выключать ток. Рисунок крошечных переключателей создается на кремниевой пластине путем добавления и удаления материалов, образующих многослойную решетку взаимосвязанных форм.

Цифровое золото

Кремний – это предпочтительный материал в производстве микросхем. В отличие от металлов, обычно используемых для проведения электрического тока, кремний является «полупроводником», что означает, что его проводящие свойства можно улучшить, смешав его с другими материалами, такими как фосфор или бор. Это позволяет включать и выключать электрический ток.

Хорошая новость заключается в том, что он есть везде! Кремний производится из песка, и это второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Кремниевые пластины изготавливаются с использованием песка, называемого кварцевым песком, который состоит из диоксида кремния. Песок расплавляют и отливают в виде большого цилиндра, называемого «слитком». Затем этот слиток нарезается на тонкие пластины.

Наномасштаб

Микрочип размером с ноготь содержит миллиарды транзисторов, поэтому легко понять, насколько маленькими должны быть его функции. Характеристики чипа измеряются в нанометрах.Нанометр — это одна миллиардная часть метра или миллионная часть миллиметра.

Для сравнения, эритроцит человека имеет диаметр 7000 нанометров, а средний размер вируса — 14 нанометров. Наименьшие структуры на самых передовых чипах в настоящее время составляют 10 нанометров. Технология ASML EUV (экстремальное ультрафиолетовое излучение) позволяет еще больше уменьшить масштаб мельчайших элементов. Чем мельче элементы шаблонов, которые могут создавать наши системы, тем больше транзисторов производители могут разместить на чипе и тем больше возможностей чипа.

«Вкусы» чипсов

Существует два основных типа микросхем: логические микросхемы и микросхемы памяти.

Логические чипы — это «мозги» электронных устройств. Они обрабатывают информацию для выполнения задачи. Среди микросхем Logic процессоры (центральные процессоры) являются «оригинальными» микросхемами, впервые разработанными в 1960-х годах. Но есть также процессоры со специфическими функциями, такие как GPU (графические процессоры, оптимизированные для визуального отображения) и NPU (нейронные процессоры, предназначенные для приложений глубокого и машинного обучения).

Чипы памяти хранят информацию. Существует два типа микросхем памяти: DRAM (динамическая оперативная память), представляющие собой микросхемы «рабочей памяти», которые сохраняют данные только при включенном питании устройства, и флэш-память NAND, которые сохраняют данные даже после выключения устройства. . Например, DRAM помогает запускать программы на вашем устройстве, тогда как NAND хранит ваши фотографии. В то время как DRAM работает быстро, NAND медленно считывает и записывает данные.

Вычислительная мощность

Усовершенствования микросхем лежат в основе невероятного увеличения вычислительной мощности и функций памяти, что позволило технологии продвинуться туда, где она есть сегодня. С 1956 по 2015 год вычислительная мощность увеличилась в триллион раз благодаря чипам. Подумайте об этом: компьютер, на котором миссии «Аполлон» отправлялись на Луну, был примерно в два раза мощнее консоли Nintendo. У него было 32,768 бит оперативной памяти (ОЗУ) и 589,824 бита постоянной памяти (ПЗУ). У современного смартфона примерно в 100 000 раз больше вычислительной мощности, примерно в миллион раз больше оперативной памяти и в семь миллионов раз больше ПЗУ.

Чипы позволяют использовать такие приложения, как виртуальная реальность и искусственный интеллект (ИИ) на устройстве, а также улучшают передачу данных, например подключение к сети 5G. Они также лежат в основе таких алгоритмов, как те, которые используются в глубоком обучении.

Все эти вычисления производят много данных. К 2025 году в мире будет производиться 175 зеттабайт (ЗБ) данных в год, что примерно эквивалентно одному миллиарду терабайт (ТБ). Для сравнения, согласно техническому документу Data Age 2025, подготовленному компанией IDC, занимающейся изучением рынка, если вы храните 175 зеттабайт на DVD, ваша стопка DVD будет достаточно высокой, чтобы облететь Землю 222 раза.

Участники Investopedia имеют разный опыт, и более 20 лет внесли свой вклад тысячи опытных писателей и редакторов.

Кэтрин Бир — писатель, редактор и архивариус из Нью-Йорка. У нее большой опыт исследовательской и писательской деятельности, она освещала такие разные темы, как история общественных садов Нью-Йорка и выступление Бейонсе на фестивале Coachella в 2018 году.

Типы микросхем, производимых компаниями, производящими полупроводники, можно разделить на две категории. Обычно чипы классифицируют по их функциональности. Однако иногда их делят на типы в зависимости от используемых интегральных схем (ИС).

С точки зрения функциональности можно выделить четыре основные категории полупроводников: микросхемы памяти, микропроцессоры, стандартные микросхемы и сложные системы на кристалле (SoC). При упорядочении по типам интегральных схем выделяют три типа микросхем: цифровые, аналоговые и смешанные.

Ключевые выводы

Полупроводник – это материал, который используется в тысячах электронных устройств и проводит больше электричества, чем изолятор, но хуже, чем чистый проводник.
В широком смысле полупроводники можно разделить на несколько категорий, включая микросхемы памяти, микропроцессоры и интегральные микросхемы.
Понимание того, в каком подсекторе полупроводников в основном работает компания, может помочь лучше оценить ее как инвестиции и правильно определить ее прямых конкурентов.

Микросхемы памяти

С точки зрения функциональности полупроводниковые микросхемы памяти хранят данные и программы на компьютерах и устройствах хранения данных.

Микросхемы оперативной памяти (ОЗУ) предоставляют временные рабочие пространства, тогда как микросхемы флэш-памяти хранят информацию постоянно, пока она не будет стерта. Чипы постоянной памяти (ROM) и программируемой постоянной памяти (PROM) не могут быть изменены. Напротив, микросхемы стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM) и электрически стираемой постоянной памяти (EEPROM) можно заменять.

Микропроцессоры

Микропроцессоры содержат один или несколько центральных процессоров (ЦП). Компьютерные серверы, персональные компьютеры (ПК), планшеты и смартфоны могут иметь несколько процессоров.

Графические процессоры (GPU)

Технически тип микропроцессора, графический процессор (GPU), способен отображать графику на электронном устройстве. Графический процессор был представлен широкому рынку в 1999 году и наиболее известен тем, что обеспечивает плавную графику, которую потребители ожидают от современных видео и игр.

До появления графических процессоров в конце 1990-х годов рендеринг графики выполнялся центральным процессором (ЦП). При использовании вместе с ЦП графический процессор может повысить производительность компьютера, взяв на себя некоторые ресурсоемкие функции, такие как рендеринг, от ЦП. Это увеличивает скорость обработки приложений, поскольку графический процессор может выполнять множество вычислений одновременно. Этот сдвиг также позволил разработать более современное и ресурсоемкое программное обеспечение и такие виды деятельности, как майнинг криптовалюты.

Товарные ИС

Промышленные интегральные схемы (CIC) — это простые микросхемы, используемые для выполнения повторяющихся процедур обработки. Эти чипы, производимые большими партиями, обычно используются в специализированных устройствах, таких как сканеры штрих-кода. На товарном рынке микросхем доминируют крупные азиатские производители полупроводников. Если ИС изготавливается для определенной цели, она называется ASIC или интегрированной микросхемой для конкретного приложения. Например, майнинг биткойнов сегодня осуществляется с помощью ASIC, которые выполняют только одну функцию: майнинг. Программируемые вентильные матрицы (микросхемы FPGA) — это еще один тип коммерческих ИС, которые можно настроить в соответствии со спецификациями производителя.

SoC (система на кристалле) – это один из новейших типов чипов, наиболее привлекательный для новых производителей. В SoC все электронные компоненты, необходимые для всей системы, встроены в один чип. Возможности SoC более обширны, чем у чипа микроконтроллера, который обычно сочетает в себе ЦП с ОЗУ, ПЗУ и вводом/выводом (I/O). В смартфоне SoC может также интегрировать графику, камеру и обработку аудио и видео. Добавление чипа управления и радиочипа приводит к решению с тремя чипами.

Используя другой подход к классификации микросхем, большинство компьютерных процессоров в настоящее время используют цифровые схемы. Эти схемы обычно сочетают транзисторы и логические элементы. Иногда добавляются микроконтроллеры. Цифровые схемы используют цифровые дискретные сигналы, которые обычно основаны на двоичной схеме. Назначаются два разных напряжения, каждое из которых представляет собой различное логическое значение.

Аналоговые микросхемы

Аналоговые микросхемы в основном, но не полностью, заменены цифровыми микросхемами. Микросхемы блока питания обычно представляют собой аналоговые микросхемы. Аналоговые микросхемы по-прежнему требуются для широкополосных сигналов и по-прежнему используются в качестве датчиков. В аналоговых микросхемах напряжение и ток постоянно изменяются в определенных точках цепи.

Аналоговый чип обычно включает в себя транзистор, а также пассивные элементы, такие как катушка индуктивности, конденсаторы и резисторы. Аналоговые микросхемы более подвержены шуму или небольшим колебаниям напряжения, что может привести к ошибкам.

Полупроводники со смешанными схемами

Полупроводниковые приборы со смешанными схемами обычно представляют собой цифровые микросхемы с дополнительными технологиями для работы как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами. Микроконтроллер может включать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для подключения к аналоговой микросхеме, например к датчику температуры.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), наоборот, позволяет микроконтроллеру вырабатывать аналоговые напряжения для создания звуков через аналоговые устройства.

Итог

Отрасль полупроводников была прибыльной и динамичной, внедряя инновации в нескольких сферах рынка вычислительной техники и электроники. Знание того, какой тип полупроводников производит компания, скажем, процессоры, графические процессоры или ASIC, может помочь вам принимать более взвешенные и обоснованные инвестиционные решения в рамках отраслевой группы.

Компьютер — это удивительно полезная универсальная технология, до такой степени, что теперь камеры, телефоны, термостаты и многое другое превратились в маленькие компьютеры. В этом разделе будут представлены основные части и темы работы компьютерного оборудования. «Оборудование» — это физические части компьютера, а «программное обеспечение» — код, работающий на компьютере.

Чипы и транзисторы

Транзистор — жизненно важный электронный блок.
—Транзисторы являются «твердотельными» — в них нет движущихся частей.
— Одно из самых важных изобретений в истории.
— «Переключатель», который мы можем включить. /выключено электрическим сигналом
Кремниевый чип – кусочек кремния размером с ноготь.
Микроскопические транзисторы выгравированы на кремниевых чипах
Чипы могут содержать миллиарды транзисторов.
Чипсы упакованы в пластик с металлическими ножками.
напр. Микросхемы ЦП, микросхемы памяти, флэш-чипы
Силикон (металлоид) и силикон (мягкое вещество на кухонной утвари)

Вот кремниевый чип в пластиковой упаковке. Я вытащил это из кучи электронных отходов в здании Stanford CS, так что, наверное, оно старое. Это небольшой чип с несколькими «контактами» электрического соединения. Позже мы увидим более крупный чип с сотнями контактов.

Внутри пластиковой упаковки находится кремниевый чип размером с ноготь с выгравированными на его поверхности транзисторами и другими компонентами. Крошечные провода соединяют чип с внешним миром. (лицензия CC, атрибуция на шареалке 3. пользователь википедии Zephyris)

В современных компьютерах используются крошечные электронные компоненты, которые можно выгравировать на поверхности кремниевого чипа. (См.: чип из Википедии) Обратите внимание, что кремний (микросхемы, солнечные панели) и силикон (мягкий резиновый материал) — это разные вещи!

Самым распространенным электронным компонентом является "транзистор", который работает как усилительный клапан для потока электронов. Транзистор является «твердотельным» устройством, то есть в нем нет движущихся частей. Это основной строительный блок, используемый для создания более сложных электронных компонентов. В частности, «бит» (ниже) можно построить с компоновкой из 5 транзисторов. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов, заменив вакуумную лампу. С тех пор транзисторы становились все меньше и меньше, что позволяло размещать все больше и больше их на кремниевом чипе.

Закон Мура

Транзисторы становятся в 2 раза меньше примерно каждые 2 года
– иногда указывается срок службы около 18 месяцев.
Может вместить в два раза больше транзисторов на чип
Из-за более совершенной технологии травления чипов
-Но современный завод по производству чипов стоит более 1 миллиарда долларов
Наблюдение против научного "закона"
2 эффекта:
а. чипы удваивают емкость каждые 2 года
-скорость не удваивается, емкость удваивается, что по-прежнему очень полезно
б. или при неизменной емкости чипы становятся меньше и дешевле каждые 2 года.
(б) вот почему компьютеры теперь используются в автомобилях, термостатах и поздравительных открытках.
Пример: емкость MP3-плеера 50 долларов США каждые 2 года: 2 ГБ, 4 ГБ, 8 ГБ, 16 ГБ.
Практическое правило: увеличение емкости в 8 раз каждые 6 лет.
В 8 раз за 6 лет емкость вашего телефона может увеличиться в 8 раз
Вероятно, закон Мура не будет действовать вечно

Закон Мура (Гордон Мур, соучредитель Intel) гласит, что плотность транзисторов на микросхеме удваивается примерно каждые 2 года (иногда указывается каждые 18 месяцев). Увеличение связано с улучшением технологии производства чипов. Это не научный закон, а просто общее предсказание, которое, кажется, продолжает работать. В более широком смысле он отражает идею о том, что на доллар компьютерные технологии (не только транзисторы) с течением времени становятся лучше в геометрической прогрессии. Это совершенно ясно, если вы посмотрите на стоимость или возможности компьютеров/камер и т. д., которые у вас есть. Закон Мура приводит к появлению более мощных компьютеров (сравните возможности iPhone 7 и оригинального iPhone), а также к более дешевым компьютерам (компьютеры с меньшими возможностями появляются повсюду, например, в термостатах и автомобилях).

Компьютеры в жизни: системы управления

Система управления: реагирует на внешнее состояние
напр. автомобильный двигатель: изменяйте топливную смесь в зависимости от температуры
напр. сработала подушка безопасности при больших перегрузках от столкновения
Чипы — отличный и дешевый способ создания систем управления.
Докомпьютерные системы управления работали не так хорошо
Одна из причин, почему сегодня автомобили работают намного лучше

Система управления / Демонстрация фонарика Мура

У фонарика Maglite XL200 есть фишка
Пример системы управления
Закон Мура делает возможным такое применение чипа
Фонарик преобразует угловое положение в яркость. (1 клик)
Также есть угол для режима скорости моргания. (2 клика)

Компьютерное оборудование — ЦП, ОЗУ и постоянное хранилище

Теперь давайте поговорим о трех основных компонентах, из которых состоит компьютер: ЦП, ОЗУ и постоянном хранилище. Эти три компонента есть на всех компьютерах: ноутбуках, смартфонах и планшетах.

1. ЦП

ЦП – центральный процессор
Действует как мозг: следует инструкциям в коде.
"общее" — изображения, работа в сети, математика... все на ЦП
Выполняет вычисления, например. добавить два числа
по сравнению с ОЗУ и постоянное хранилище, в которых только хранятся данные
"гигагерц" = 1 миллиард операций в секунду
ЦП с частотой 2 ГГц выполняет 2 миллиарда операций в секунду.

ЦП — центральный процессор — неизбежно называют "мозгом" компьютера. ЦП выполняет активный «запуск» кода, манипулируя данными, в то время как другие компоненты играют более пассивную роль, например, хранят данные. Когда мы говорим, что компьютер может «складывать два числа миллиард раз в секунду»… это процессор. Когда вы нажимаете кнопку «Выполнить», ЦП в конечном итоге «запускает» ваш код. Позже мы дополним картину того, как ваш код Javascript выполняется процессором.

Кроме того: "ядра" процессора

Современные чипы ЦП имеют несколько ядер.
Каждое ядро является полунезависимым процессором.
Ключ: 4 ядра не в 4 раза быстрее, чем 1 ядро.
т.е. 4 машины не доставят вас туда быстрее, чем 1 машина
Убывающая отдача
Более 4 ядер часто бесполезны

Примеры ЦП

напр. Кнопка "Выполнить" — "распечатать информацию", посчитать.
напр. Отправить текстовое сообщение — отформатировать байты, отправить байты, проверить, что они были отправлены

Вариант CPU: GPU — графический процессор

Подобен процессору, но предназначен для обработки изображений.
Компьютерные игры активно используют GPU
Современные ЦП в большинстве случаев достаточно быстры, больше энергии уходит на ГП.

2. ОЗУ

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
Действует как доска.
Временное рабочее хранилище, байты
ОЗУ хранит как код, так и данные (временно)
напр. открыть изображение в Photoshop
- данные изображения загружаются в байты оперативной памяти
напр. добавление 2 к числу в калькуляторе
- управление байтами в оперативной памяти
"постоянная"
-ОЗУ не является постоянной. Состояние исчезает при выключении питания
-e.g. Вы работаете над документом, затем отключается электричество, и вы теряете свою работу (вместо "Сохранить")

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или просто «память». Оперативная память — это оперативная память, которую компьютер использует для хранения кода и данных, которые активно используются. ОЗУ фактически является областью хранения байтов под управлением ЦП. Оперативная память относительно быстра и способна извлекать значение любого конкретного байта за несколько наносекунд (1 наносекунда составляет 1 миллиардную долю секунды). Другая важная особенность ОЗУ заключается в том, что оно сохраняет свое состояние только до тех пор, пока на него подается питание — ОЗУ не является «постоянным» хранилищем.

Предположим, вы работаете на своем компьютере, и он внезапно теряет питание, и экран гаснет. Вы понимаете, что то, над чем вы работали, пропало. Оперативная память была очищена, осталось только то, что вы в последний раз сохранили на диск (ниже).

Примеры оперативной памяти

В вашем браузере открыто много вкладок
– данные для каждой вкладки находятся в оперативной памяти
Выполняется программа
- код программы находится в оперативной памяти
Программа манипулирует большим изображением
- данные изображения находятся в оперативной памяти
напр. у вас может закончиться оперативная память — вы не сможете открыть новую вкладку или программу, потому что вся оперативная память занята
Кроме того, теперь телефоны имеют от 2 до 4 ГБ ОЗУ . достаточно для большинства целей

3. Постоянное хранилище: жесткий диск, флэш-накопитель

Постоянное хранение байтов
"Постоянный" означает сохранение, даже если питание отключено.
напр. Жесткий диск — хранит байты в виде магнитного узора на вращающемся диске.
— он же «жесткий диск».
— Высокий звук вращения, который вы, возможно, слышали.
Жесткие диски долгое время были основной технологией постоянного хранения данных.
НО сейчас Flash становится все более популярным.

Видео о том, как работает жесткий диск (Webm — открытый стандартный видеоформат, работает в Firefox и Chrome). 4:30 в видео, чтобы увидеть чтение/запись битов.

Постоянное хранилище, новая технология: флэш-память

"Flash" – это транзисторная технология постоянного хранения данных.
"твердое состояние" – отсутствие движущихся частей. -aka "SSD": твердотельный накопитель
Флэш-память лучше жесткого диска во всех отношениях, но стоит дешевле: быстрее, надежнее, потребляет меньше энергии.
Флэш дороже в пересчете на байт.
Форматы: USB-ключ, SD-карта в камере, флэш-память, встроенная в телефон, планшет или компьютер.
Раньше флэш-память была очень дорогой, поэтому в большинстве компьютеров использовались жесткие диски.
Flash дешевеет (закон Мура)
Однако в пересчете на байт жесткие диски по-прежнему значительно дешевле.
Не путать с проприетарным мультимедийным форматом Adobe Flash.
Предупреждение: флэш-память не сохраняется вечно. Он может не хранить биты за последние 10 или 20 лет. Никто точно не знает

Постоянное хранилище — долговременное хранилище байтов в виде файлов и папок. Постоянный означает, что байты сохраняются даже при отключении питания. Ноутбук может использовать вращающийся жесткий диск (также известный как «жесткий диск») для постоянного хранения файлов. Или он может использовать «флэш-накопитель», также известный как твердотельный диск (SSD), для хранения байтов на флэш-чипах. Жесткий диск считывает и записывает магнитные узоры на вращающемся металлическом диске для хранения байтов, в то время как флэш-память является «твердотельной»: никаких движущихся частей, только кремниевые чипы с крошечными группами электронов для хранения байтов. В любом случае хранилище является постоянным, т. е. сохраняет свое состояние даже при отключении питания.

Флэш-накопитель работает быстрее и потребляет меньше энергии, чем жесткий диск. Однако в пересчете на байт флэш-память значительно дороже, чем хранилище на жестком диске. Flash дешевеет, поэтому может занять нишу за счет жестких дисков. Флэш-память намного медленнее, чем оперативная память, поэтому она не является хорошей заменой оперативной памяти. Обратите внимание, что Adobe Flash — это несвязанное понятие; это проприетарный медиаформат.

Флэш-память — это то, что лежит в основе USB-накопителей, SD-карт для использования в камерах или встроенной памяти в планшете или телефоне.

Файловая система

Как организованы байты в постоянном хранилище?
напр. Байты на флешке?
"Файловая система" – организация байтов постоянного хранилища, файлов и папок.
"Файл" — имя, дескриптор блока байтов.
напр. "flowers.jpg" означает 48 КБ данных изображения.

Жесткий диск или флэш-накопитель обеспечивает постоянное хранение в виде плоской области байтов без особой структуры. Обычно жесткий диск или флэш-диск отформатированы с использованием «файловой системы», которая организует байты в знакомый шаблон файлов и каталогов, где каждый файл и каталог имеют несколько полезное имя, например «resume.txt». Когда вы подключаете диск к компьютеру, компьютер представляет файловую систему диска пользователю, позволяя ему открывать файлы, перемещать файлы и т. д.

По сути, каждый файл в файловой системе относится к блоку байтов, поэтому имя «flowers.jpg» относится к блоку 48 КБ байтов, которые являются данными этого изображения. Фактически файловая система дает пользователю имя (и, возможно, значок) для блока байтов данных и позволяет пользователю выполнять операции с этими данными, например перемещать их, копировать или открывать с помощью программы. Файловая система также отслеживает информацию о байтах: их количество, время последнего изменения.

Microsoft использует проприетарную файловую систему NTFS, а Mac OS X имеет собственный эквивалент HFS+ от Apple. Многие устройства (камеры, MP3-плееры) используют на своих флеш-картах очень старую файловую систему Microsoft FAT32. FAT32 — старая и примитивная файловая система, но она хороша там, где важна широкая поддержка.

Примеры постоянного хранилища

Это легко понять, так как вы использовали файлы и файловые системы.
напр. 100 отдельных видеофайлов по 1 ГБ. Требуется 100 ГБ дискового пространства.

Изображения оборудования

Ниже представлены изображения недорогих компьютеров Shuttle с процессором 1,8 ГГц, 512 МБ ОЗУ и жестким диском на 160 ГБ. Примерно в 2008 году он стоил около 200 долларов США. Он сломался и стал классным примером.

Материнская плата
Металлический пакет ЦП, удерживаемый рычагом
Медный радиатор

Чип процессора в металлическом корпусе
Радиатор удален.
Низ упаковки... много соединений (маленькие провода)

Если перевернуть ЦП, видны маленькие позолоченные накладки в нижней части ЦП. Каждая контактная площадка соединена очень тонким проводом с точкой на кремниевом чипе.

Вот изображение другого чипа, но без верхней упаковки. Вы видите кремниевый чип размером с мизинец в центре с выгравированными на нем крошечными деталями транзистора. На краю чипа видны очень тонкие провода, соединяющие части чипа с внешними контактными площадками (лицензия CC, атрибуция 3. пользователь википедии Zephyris)

Карта оперативной памяти
Подключается к материнской плате
Карта на 512 МБ (4 чипа)

Оперативная память состоит из нескольких микросхем, объединенных в небольшую плату, известную как DIMM, которая вставляется в материнскую плату (модуль памяти с двумя встроенными разъемами). Здесь мы видим модуль RAM DIMM, извлеченный из разъема материнской платы. Это модуль DIMM емкостью 512 МБ, состоящий из 4 микросхем. Несколькими годами ранее этот модуль DIMM мог потребовать 8 микросхем для хранения 512 МБ. Закон Мура в действии.

Жесткий диск объемом 160 ГБ (постоянное хранилище)
т.е. постоянный
Подключается к материнской плате стандартным кабелем SATA.

Флэш-накопитель (другой тип постоянного хранилища)
т.е. постоянный
Содержит флэш-чип, твердотельный.
SD-карта, аналогичная идея

Здесь он разобран, показывая флэш-чип, который фактически хранит байты. Этот чип может хранить около 1 миллиарда бит... сколько это байтов? (A: 8 бит на байт, то есть около 125 МБ)

Вот "SD-карта", которая обеспечивает хранение в камере. Он очень похож на флешку, только другой формы.

Технические энтузиасты любят говорить о вычислительной мощности и микросхемах, будь то ПК и игровые приставки или новейшие смартфоны. Мы делаем довольно много этого здесь, в Android Authority, подробно рассказывая о новейших процессорах от Arm, Huawei, Qualcomm, Samsung, MediaTek и других. Для непосвященных эти темы изобилуют жаргоном и абстрактно звучащими идеями, которые могут показаться кирпичной стеной для понимания даже базовых вопросов, таких как «что такое SoC?»

Могут потребоваться годы изучения, чтобы правильно усвоить мельчайшие детали конструкции чипа, что бесполезно, если вы просто пытаетесь изучить потенциальную покупку. Сегодня мы сделаем что-то более удобное для новичков и объясним все тонкости современных чипов для смартфонов с минимальными техническими колдовствами.

Что такое SoC?

SoC означает "система на кристалле". Как следует из названия, SoC — это полная система обработки, содержащаяся в одном пакете. Это не пакет микросхем с одним процессором, с которым вы, возможно, знакомы, если когда-либо собирали ПК. Вместо этого SoC содержит несколько процессорных частей, памяти, модемов и других важных компонентов, объединенных в единый чип, припаянный к печатной плате.

Объединение нескольких компонентов в один чип экономит место, затраты и энергопотребление. По сути, SoC — это мозг вашего смартфона, который обрабатывает все, от операционной системы Android до обнаружения нажатия кнопки выключения питания. SoC также подключаются к другим компонентам, таким как камеры, дисплей, оперативная память, флэш-память и многое другое.

Приведенный ниже список содержит наиболее распространенные компоненты, которые вы найдете внутри системы на кристалле смартфона. Далее в этой статье мы рассмотрим несколько наиболее важных из них.

Центральный процессор (ЦП) — «мозг» SoC. Выполняет большую часть кода для ОС Android и большинства ваших приложений.
Графический процессор (GPU) — выполняет задачи, связанные с графикой, такие как визуализация пользовательского интерфейса приложения и 2D/3D-игры.
Блок обработки изображений (ISP) — преобразует данные с камеры телефона в файлы изображений и видео.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) — обрабатывает более сложные математические функции, чем ЦП. Включает распаковку музыкальных файлов и анализ данных датчика гироскопа.
Нейронный процессор (NPU). Используется в смартфонах высокого класса для ускорения задач машинного обучения (ИИ). К ним относятся распознавание голоса и сегментация объектов камеры.
Видеокодер/декодер — обеспечивает энергоэффективное преобразование видеофайлов и форматов.
Модемы: преобразует беспроводные сигналы в данные, понятные вашему телефону. Компоненты включают модемы 4G LTE, 5G, Wi-Fi и Bluetooth.

Наконец, при разговоре о SoC часто упоминается так называемый производственный процесс. Он указан как число в нанометрах (нм). Вообще говоря, чем меньше размер нм, тем меньше внутренняя разводка SoC. Это лучше для энергоэффективности и размера кремниевой области. Хотя существуют разные методы производства, которые могут затруднить прямое сравнение. На момент написания этой статьи 5 нм — это самый маленький производственный процесс, используемый в SoC для смартфонов.

Примеры SoC

Теперь, когда у нас есть краткий обзор того, что такое SoC, приведем несколько примеров. В области смартфонов Qualcomm, Samsung Semiconductor, HiSilicon Huawei и MediaTek — четыре крупнейших имени в бизнесе. Скорее всего, в вашем смартфоне установлен чип одной из этих компаний.

Qualcomm – крупнейший поставщик систем на кристалле для смартфонов. Каждое ухо поставляет чипы для большинства флагманских, средних и даже недорогих моделей смартфонов. SoC Qualcomm подпадают под бренд Snapdragon. Чипы премиум-класса с лучшими технологиями компании входят в серию Snapdragon 800, например новейший Snapdragon 888.Продукты среднего и суперсреднего уровня маркируются названиями серий Snapdragon 600 и 700 соответственно. Например, Snapdragon 765 — это относительно новый чип среднего уровня, поддерживающий подключение 5G. Продукты начального уровня относятся к серии 400.

Системы на кристалле Exynos от Samsung работают на одинаковом уровне премиум-класса, среднего и начального уровня. Ранее они были перечислены как серии Exynos 9900, 9800 и 9600, а продукты серии Exynos 7000 поддерживали бюджетный конец портфеля. Тем не менее, последним высокопроизводительным чипом Samsung является Exynos 2100, а Exynos 1080 – чипсет среднего уровня с поддержкой 5G.

Схема именования Samsung Exynos раньше очень напоминала схему Huawei, но теперь она изменилась. Kirin 9000 — новейший флагманский чип Huawei, который доступен в вариантах 4G и 5G. Серия Kirin 600 очень похожа на линейку Snapdragon 600, предлагая характеристики среднего уровня для более доступных смартфонов.

Наконец, линейка Helio от MediaTek включает доступные продукты серии P и серию G, ориентированную на игры. Последней флагманской серией производителя является Dimensity 1200, за которой следует Dimensity 1100.

Все начинается с процессора

Возможно, вы знакомы с термином "процессор", так как в этом кругу общения он часто используется как взаимозаменяемый с термином "процессор". ЦП является наиболее часто используемым типом процессора. Он разработан, чтобы быть очень гибким и подходящим для широкого круга задач. Таким образом, процессор запускает операционную систему Android и ваши приложения. Он также частично отвечает за синхронизацию данных между другими процессорами внутри SoC.

Вкратце: процессоры работают с блоками предсказания, регистрами и блоками выполнения. Это известно как архитектура процессора. Регистры содержат биты данных или указатели на память, часто в 64-битных форматах данных. Исполнительные блоки что-то делают с одним или несколькими регистрами, например, читают и записывают в память или выполняют математические операции. Одновременно с ЦП можно использовать несколько исполнительных блоков, каждому из которых требуется один или два тактовых цикла для выполнения своей функции.

ЦП достаточно гибкие, чтобы решать самые разные задачи. Производительность можно увеличивать и уменьшать, изменяя тактовую частоту (в ГГц), количество ядер или изменяя базовую архитектуру, чтобы делать больше с каждым тактовым циклом. Этот последний момент часто называют созданием «более широкого» или «большего» процессора, поэтому телефонные чипы Apple такие мощные. Однако у этих более широких конструкций есть компромиссы между мощностью и эффективностью.

ЦП внутри SoC для смартфонов бывают разных видов, и все они основаны на архитектуре ЦП Arm. Последними процессорными ядрами от Arm являются большие Cortex-X2 и Cortex-A710, а также маленький Cortex-A510. Все эти три основаны на новейшей архитектуре Armv9. Процессоры для смартфонов часто бывают восьмиядерными, с большими мощными ядрами для более ресурсоемких приложений и меньшими энергоэффективными ядрами, обеспечивающими длительное время автономной работы.

Встроенная графика

Помимо ЦП, графический процессор (ГП) – это еще одна часть традиционного оборудования для обработки чисел, упакованного в SoC телефона. Графические процессоры гораздо менее универсальны, чем ЦП, и в результате устроены совсем по-другому. Они созданы для многократного параллельного выполнения математических функций, что они могут выполнять намного быстрее, чем обычный ЦП. Помните, что на вашем дисплее с разрешением 1080p нужно заполнить миллионы пикселей, каждый из которых должен быть рассчитан, когда вы запускаете приложение или свою любимую игру.

Большинство графических операций повторяются снова и снова, чтобы заполнить все пиксели на экране. Таким образом, графические процессоры предназначены для одновременного выполнения большого количества математических операций с большими пакетами данных. В отличие от центральных процессоров, которые выполняют одну или две операции за цикл, графические процессоры выполняют десятки, сотни и даже тысячи параллельных операций за каждый цикл. Это зависит от размера и производительности графического процессора.

Двумя основными графическими процессорами в сфере Android SoC являются Mali от Arm и Adreno от Qualcomm. Оба предлагают большие и меньшие версии технологии графического процессора, а флагманские чипы упакованы в самое мощное оборудование для 3D-игр. Qualcomm мало рассказывает о внутренней работе Adreno, но мы знаем все о Mali. Вы можете прочитать о последней архитектуре Мали здесь. У Apple также есть собственный графический процессор для своих SoC для iPhone, и AMD вскоре вступит в борьбу с графическим соглашением с Exynos от Samsung.

Отличным камерам нужны хорошие процессоры

О смартфонах все чаще судят по их фотовозможностям. Несмотря на то, что высокопроизводительные датчики и объективы имеют важное значение, мощные возможности обработки изображений являются не менее важной частью этой истории. Только взгляните на впечатляющие результаты простой аппаратной настройки камеры Google Pixel 4.

Несмотря на то, что редактирование и настройка изображений часто выполняются на процессоре и графическом процессоре, данные с сенсора камеры обрабатываются еще до того, как изображение будет сохранено на вашем телефоне. ISP — это специализированный DSP, который выполняет общие задачи обработки изображений, такие как преобразование Байера, фокусировка, демозаика, повышение резкости и шумоподавление. Другими словами, он превращает цифровую информацию с сенсора камеры в красивое изображение.

Последние два пункта особенно важны для смартфонов, где более дешевые телефоны имеют тенденцию к чрезмерной резкости и размытости деталей.

Высококачественные чипсеты все чаще предлагают высококачественные функции. Например, Kirin 990 от Huawei был первым SoC с блочным сопоставлением DSLR-класса и шумоподавлением 3D-фильтрации (BM3D), а новейшие интернет-провайдеры Qualcomm и Samsung позволяют программно размывать боке видео в реальном времени.

Суть в том, что для красивых изображений требуется мощный процессор обработки изображений.

Обработка искусственного интеллекта нового поколения

Такие термины, как нейронные процессоры, процессоры ИИ или ядра машинного обучения, часто используются как синонимы, но все они, как правило, означают одно и то же в современных SoC для смартфонов: процессор, специально оптимизированный для математики и алгоритмов, обычно используемых нейронными сетями.

Подобно тому, как графические процессоры — это процессоры, оптимизированные для графических вычислений, а интернет-провайдеры — для задач с изображениями, NPU — это процессоры, специально разработанные для более быстрого и эффективного запуска нейронных сетей и задач машинного обучения, чем центральные процессоры. NPU также имеют свои собственные кэши локальной памяти, чтобы ускорить выполнение без использования более медленной оперативной памяти.

Нейронные сети часто требуют операций, которые обрабатывают несколько фрагментов входных данных для создания только одного вывода. Особенно популярна операция множественного накопления, часто работающая с данными разного размера от 16 бит до 8 и даже 4 бит данных. Это сильно отличается от математических вычислений и типов данных, используемых центральными процессорами, хотя некоторые операции можно ускорить на гибких графических процессорах.

NPU — это новейшие специализированные процессоры, которые нашли свое применение в телефонных SoC. Хотя эта технология в основном зарезервирована для чипов флагманского уровня, она уже быстро распространяется на более доступные чипсеты и мобильные телефоны.

Модемы 4G и 5G для более быстрой передачи данных

Последняя часть SoC современного смартфона — модем для передачи данных, который позволяет вам получать доступ к сетям передачи данных от вашего оператора. Различные модемы также определяют скорость и качество вашего соединения для передачи данных. Самые мощные модемы достигают скорости загрузки выше 1 Гбит/с. Существуют также модемы для передачи данных по Wi-Fi и Bluetooth, но сегодня мы сосредоточимся на модемах 4G и 5G.

В предыдущие годы SoC для смартфонов могли похвастаться встроенными модемами 4G. Это означает, что модем 4G находится внутри SoC. Первые модемы 5G для смартфонов были внешними, поэтому их нужно было подключать к основной SoC. Это менее энергоэффективно, но упрощает реализацию высококлассных функций и обеспечивает гибкость производителя при развертывании сетей 5G для большего числа потребителей.

Встроенные модемы и возможности 5G теперь тоже доступны. Все флагманские процессоры от Qualcomm, Samsung и Huawei оснащены встроенными модемами, которые поддерживают возможности 5G с частотой менее 6 ГГц и миллиметрового диапазона. Все флагманские телефоны 5G 2021 года оснащены встроенными модемами, что обеспечивает повышенную энергоэффективность при достижении пиковых скоростей передачи данных.

Подробнее о SoC для смартфонов

Любители телефонов любят сравнивать характеристики процессора и графического процессора, но это становится менее актуальным по мере роста производительности и появления потребности в новых возможностях. SoC для смартфонов все меньше ориентированы на какие-либо отдельные возможности и больше на гетерогенный вычислительный подход к решению задач обработки. Другими словами, использование наиболее эффективного типа процессора для выполнения поставленной задачи.

Сегодняшние телефоны справляются с более широким диапазоном рабочих нагрузок, чем когда-либо прежде. В результате количество выделенных процессоров внутри каждого чипа продолжает увеличиваться. От базовых компонентов процессора и графического процессора несколько лет назад до цифровых процессоров обработки сигналов, продвинутых интернет-провайдеров и сетевых процессоров сегодня. Эти детали, о которых мало говорят, становятся все более важными благодаря достижениям в области безопасности, машинного обучения и 5G.

Для получения дополнительной информации о конкретных наборах микросхем для смартфонов ознакомьтесь с нашей подборкой руководств ниже:

Читайте также: