โครงสร้างของไมโครโปรเซสเซอร์

          เมื่อจับซีพียูมาดู เราจะพบว่ามีรูปร่างแบบนี้

 

ด้านบนหรือด้าน Label ของซีพียู ขึ้นอยู่กับยี่ห้อ ข้อมูลที่แสดงไม่เหมือนกัน Intel ไม่มีข้อมูลอะไรมากนัก

ด้านล่างของซีพียู ที่เห็นเป็นสีทองคือ ขา (PIN) การแสดงข้อมูลขึ้นกับยี่ห้อเช่นเดียวกัน

อย่าปักใจว่าซีพียูต้องมีรูปร่างเช่นนั้นตลอด เพราะที่จริงแล้วส่วนที่มองไม่เห็นจากภาพนี้ก็คือ ชิป ที่ตัดจากเวเฟอร์ ซึ่งเป็นแผ่นบางแต่ทำหน้าที่ประมวลผลอย่างแท้จริง ชิปดังกล่าวจะถูกครอบไว้ภายในเซรามิก หรือพลาสติกก็แล้วแต่ผู้ผลิตจะเลือกพัฒนา ขาของซีพียูจะเป็นดังในภาพ (Pin Grid Array) หรือจะเป็นแบบซีพียูรุ่นใหม่ๆ อย่าง เพนเทียม II ซึ่งเป็น Slot 1 ก็ได้ เพราะในการพัฒนาจริงๆแล้ว ยังมีหลายปัจจัยที่มาเกี่ยวข้อง ที่นำมาแสดงในภาพ เพื่อให้เห็นเป็นตัวอย่างเท่านั้น

                                             

-ข้อมูลเชิงเทคนิคของซีพียู

มีข้อมูลเชิงเทคนิคของซีพียูใดบ้างที่ผู้ผลิตซีพียูมักเสนอ? ประการแรกก็คือ ใช้ทรานซิสเตอร์กี่ตัว เป็นซีพียูแบบกี่ไมครอน ใช้กระแสไฟฟ้าเท่าไร ความเร็วเท่าไร และท้ายที่สุดออกแบบมาสำหรับความเร็วบัสเท่าไร ทั้งหมดที่กล่าวมานี้ต่างก็เป็นปัจจัยที่นำมาเพื่อพิจารณาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการผลิตซีพียูแทบทั้งสิ้น

                                      

โครงสร้างภายในซีพียู

การออกแบบซีพียูนั้น ผู้ออกแบบจะคำนึงถึงประสิทธิภาพของซีพียูก่อน ซีพียูที่มีประสิทธิภาพสูงๆ หรือมีความเร็วสูงๆ ต้องการปริมาณทรานซิสเตอร์เพื่อใช้ในการทำงานประกอบเป็นหน่วยประมวลผลด้วยจำนวนทรานซิสเตอร์ในซีพียูครั้งหนึ่ง

เคยเพิ่มขึ้นตามกฎของมัวร์ (Gordon Moore เป็นผู้ก่อตั้ง Intel Corp. งัยล่ะ) มัวร์ได้ตั้งประมาณการไว้ว่า ปริมาณทรานซิสเตอร์ในซีพียูจะเพิ่มขึ้นเป็นจำนวนสองเท่าในทุกๆ 18 เดือน กฎของมัวร์เป็นความจริงอยู่หลายปีทีเดียว ก่อนที่ยุคของเพนเทียม MMX จะเข้ามา และหลังจากนั้นกฏของมัวร์ก็ดูเหมือนจะช้าไป Intel 8088 มีทรานซิสเตอร์ 30000 ตัว และเพิ่มเป็น 100,000 ใน 286 300,000 ตัว ใน 386 เพนเทียมมีทรานซิสเตอร์ 5 ล้านกว่าตัว และเพนเทียม II มีกว่า 7.5 ล้าน ตัวAMDK6-3Dมีกว่า9.1ล้านตัวเจ้าทรานซิสเตอร์นี้เรียงตัวอยู่ที่ไหนทรานซิสเตอร์ที่ว่านี้เกิดจากสารกึ่งตัวนำ(เซมิคอนดัคเตอร์) ประเภทPและNมาประกอบกันสารประกอบกึ่งตัวนำเหล่านั้นถูกจับอัดลงอยู่บนเวเฟอร์(Wafer)เวเฟอร์ก็คือแผ่นซิลิกอนที่นำเอามาทำชิป ลักษณะแผ่นกลมๆ บางๆ เหมือนโรตี (จึงไม่น่าแปลกใจว่าในวงการไมโครชิปและพวกชิปต่างๆ ความสำเร็จในเทคโนโลยีใหม่ๆ จะขึ้นอยู่กับ Silicon Technology เสมอ เวเฟอร์ที่ดีย่อมได้มาซึ่งชิปที่ดี เวเฟอร์เหล่านี้ถูกผลิตจากโรงงานผลิต เรียกชื่อกันย่อๆว่า FAB(Semiconductor-manufacturingFacility)หลังจากนั้นผู้ผลิตชิปก็จะไปซื้อเวเฟอร์เหล่านี้มาเข้าสู่กระบวนการผลิตชิปอีกที) แผ่นซิลิกอนนั้นต้องบริสุทธิ์ 100.00% (มีสารแปลกปลอมได้ไม่เกิน 1/100,000,000 ) และ homogenous (สารไม่บริสุทธิ์กระจายไปเท่าๆกันทั้งแผ่น) แผ่นหนึ่งๆ จะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4"-6" (และเทคโนโลยีของซิลิกอนใหม่นั้น คาดว่าในโรงงานผลิตสามารถผลิตเวเฟอร์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้ 12 - 20 นิ้ว)การทำสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) จากเวเฟอร์มีขั้นตอนการทำอีกหลายขั้นตอน โดยสรุปแล้วก็คือ กระบวนการสร้างฟิล์มซึ่งจะมีโครงสร้างสำหรับการอัดสาร P- N ลงไป หลังจากนั้นจึงอัด (doping) สารกึ่งตัวนำเข้าไป (ได้แก่ boron, arsenic เป็นตัน) โดยที่พวก doping agent เหล่านี้ ต้องกระจายเข้าไปแทรกอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิกอน (silicon atom) ตามที่กำหนดอย่างสม่ำเสมอ ทั้งนี้ปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดก็คือ วิศวกรที่ออกแบบวงจรไมโครโปรเซสเซอร์จะทำการตรวจสอบ เมื่อเรียบร้อยต้องมีกระบวนการ Diffusion, Oxidation เมื่อให้เกิดอะตอมเรียงตัวกันตามกำหนด แผ่นเวเฟอร์ยิ่งมีขนาดใหญ่โอกาสที่ doping agent จะไปรวมตัวที่จุดใดจุดหนึ่ง ยิ่งสูงตาม สมมุติว่าทำแล้ว ทั้งเวเฟอร์นั้นมีจุดเสียนี่หนึ่งจุด เมื่อตัดแผ่นเวเฟอร์ เป็น chip เล็กๆ หลายๆ chip เพื่อทำเป็น CPU ตัวที่มีจุดเสียจะใช้ไม่ได้ แต่กว่าจะรู้ว่า ใช้ไม่ได้ คือเมื่อทำเสร็จเรียบร้อยแล้ว แผ่นกลมๆ เมื่อตัดออกมาเป็นเหลี่ยมๆ จะมีส่วนเสียทิ้ง (ที่ขอบ) ถ้า CPU ต้องการ chip size ขนาดเล็ก ตัดได้ 20 chips ส่วนที่ทิ้งคือ 1/20 แต่ถ้า CPU มี chip size ขนาดใหญ่ ขึ้น 2 เท่า จะตัดได้แค่ 20/(2^2) คือ 5 chips เท่านั้นและ chip หนึ่งต้องทิ้งไป! (1/5) ซึ่งคิดเป็นต้นทุนแพงมาก

ชื่อซีพียู	ปีที่ออกจำหน่าย	ความเร็ว (ล้านเฮิร์ตต่อวินาที (MHz)	จำนวนทรานซิสเตอร์	ขนาดของทรานซิสเตอร์ (ไมครอน)
Intel 4004	1971	750 กิโลเฮิร์ต	2300	10
Intel 8088/XT	1974	4.77-10	6000
80286/AT	1982	10-20	134,000
Intel 80386/386	1985	16-40	275,000
Intel 80486/486	1989	33 - 133	1.2 ล้าน
Intel Pentium	1993	60-200	3.1 ล้าน	0.35 ไมครอน
Intel Pentium MMX	1996 กลางปี	166 200 233	5.2 ล้าน	0.35
Pentium Pro	1995	150 - 200	5.5 ล้าน	0.35
pentium ||	1996	233 - 400	134,000	0.35
pentium |||	1998	400 - 1000
Pentium ||||	2000	1.2G - 2G

สิ่งที่วิศวกรผู้ผลิตชิปต่างก็ให้ความสนใจก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์ควรมีขนาดเล็ก กินกระแสไฟฟ้าต่ำ และสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้จำนวนมากตัว ทำให้เกิดการสร้างซีพียูที่ขนาด Conductive Layer ต่ำๆ จากซีพียูแบบ .52 .47 ไมครอนมาเป็นซีพียูขนาด .35 ไมครอน (Pentium , Pentium MMX , AMD K5 , Cyrix M1,M2)และปัจจุบัน.25ไมครอน(AMDK6,PentiumII)ปัจจุบันมีห้องทดลองหลายแห่งประกาศว่าสามารถผลิตชิปที่มี Conductive Layer ขนาด .20 ไมครอนได้ การที่ conductive channel ซึ่งเป็น"ช่อง"ที่ต่อระหว่างสาร dope ตระกูลเดียวกันเล็กลงทำให้สัญญาณเดินทางได้เร็วขึ้น และในชิปหนึ่งอันบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากตัวขึ้น

อย่างไรก็ตามเพียงแค่ชิปหนึ่งชิปนั้นบรรจุทรานซิสเตอร์ได้จำนานมากไม่เพียงพอวิธีการที่จะทำให้ซีพียูมีขนาดเล็กแต่

บรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายตัวก็คือ การวางชิปซ้อนกัน แต่การวางซ้อนกันนั้น จะต้องมีองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องก็คือ สายสัญญาณระหว่างชิป และแผ่นซีลิกอนอ๊อกไซด์เพื่อคั่นระหว่างชิป ในขั้นตอนนี้ยังมีกระบวนการเตรียมอีกหลายขั้น เมื่อเสร็จแล้ว จะเกิดชิปซ้อนกันเป็นชั้นๆ เรียกว่า metal layer ชิปรุ่นใหม่ๆ ปัจจุบันมี 4-5 เลเยอร์ ในอนาคตคาดว่าจำนนชั้นจะมากขึ้น metal layer เป็นเส้นสายโลหะซึ่งชิปรุ่นก่อนและชิปรุ่นปัจจุบันยังคงใช้อะลูมิเนียมเป็นตัวเชื่อมสัญญาณระหว่างชั้น ปัญหาก็คือ อลูมิเนียมนั้นเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดีนักและรีดเป็นเส้นขนาดเล็กได้ไม่ดีเท่ากับทองแดงการใช้ทองแดงเป็นสายสัญญาณ

จึงเป็นการพัฒนาอีกขั้นหนึ่งที่บรราดาผู้ผลิตซีพียูกล่าวถึง โดยผู้ผลิตซีพียูหลายรายกล่าวว่า หากใช้ทองแดงแทน โอกาสที่จะได้ซีพียูที่มีความเร็วระดับกิกะเฮิร์ต (หนึ่งพันล้านเฮิร์ต) ก็มีมาก

                อุปสรรคและแนวทางการพัฒนาซีพียูรุ่นใหม่ๆ - ความร้อนภายในตัวซีพียู  

ตั้งแต่เพนเทียมเป็นต้นมา Intel แนะนำว่ามีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มพัดลมระบายความร้อนให้กับซีพียู เนื่องจากระหว่างทำงานนั้นซีพียูจะมีความร้อนออกมาเป็นปริมาณมาก หากไม่มีพัดลมระบายอากาศ โอกาสที่ซีพียูจะร้อนจนเกินขนาด (Overheat) ทำให้ซีพียูหยุดทำงานชั่วขณะ หรือถูกทำลายไปโดยถาวร ทั้ง AMD, Cyrix, Intel ต่างก็ประสบปัญหาเหล่านี้กันถ้วนหน้า และดูเหมือนว่าปัญหาดังกล่าวจะเพิ่มมากขึ้น ตราบใดที่เป้าหมายของการผลิตซีพียูคือ ขนาดเล็ก ความเร็วสูง ปัญหาเกี่ยวกับความร้อนก็จะเกิดอยู่รำไป ตัวเอย่างเช่น เพนเทียม II กินกระแสไฟขนาด 38 วัตต์ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะไม่ติดพัดลมระบายอากาศ ถึงแม้ว่าเพื่อลดความร้อนของซีพียู Intel ได้ออกแบบเพนเทียม II และเพนเทียมโปรให้เข้าสู่ Sleep Mode เพื่อหยุดพักร้อนเข้าร่มทีเดียวเมื่อมีงานต้องทำ

                                          

- Internal, External Cache ปัจจัยแห่งความเร็ว

เพนเทียมมีแคชภายในขนาด 16 กิโลไบต์ (8 กิโลไบต์ สำหรับ Data, และอีก 8 กิโลไบต์สำหรับชุดคำสั่ง) ต่อมาเพนเทียม MMX มีขนาดเพิ่มมาอีกเท่าตัว คือ 32 กิโลไบต์ (16 กิโลไบต์สำหรับข้อมูลและ 16 กิโลไบต์สำหรับคำสั่ง) ขณะที่ Cyrix 6x86MX และ AMD K6 ขยับไปที่ระดับ 64 กิโลไบต์ ส่วนแคชระดับสองหรือแคชภายนอกนั้นยังคงถูกวางอยู่บนเมนบอร์ดโดยมีขนาด 256 - 512 กิโลไบต์ในที่สุดแคชก็เป็นอีกส่วนหนึ่งที่ผู้พัฒนาซีพียูเห็นความสำคัญและพัฒนา Intel เป็นส่วนหัวหอกในการพัฒนาอีกเช่นเคย เพนเทียม II เป็นตัวอย่าง เพนเทียม II ยังคงมีแคชระดับ 1 เพียง 32 กิโลไบต์ แต่แคชระดับสอง ถูกนำลงมาวางบน SEC (Single Edge Cartridge) และมีความกว้างบัสเท่ากับซีพียู วิ่งด้วยความเร็ว 1/2 เท่าของซีพียู (133 MHz กรณีที่เป็นเพนเทียม II 266 MHz) และ Xeon จะถูกผลิตให้มีคามเร็วเท่ากับซีพียู และมีขนาดเพิ่มตั้งแต่ 512 กิโลไบต์ 1 เมกะไบต์ และ 2 กิโลไบต์ แต่เป็นที่น่าสังเกตว่ายังไม่มีผู้ผลิตซีพียูรายใดผนวกแคชระดับสองเข้าไปในซีพียูเพราะปัญหาเรื่องความร้อนและขนาดของชิปจะใหญ่ขึ้น ถึงแม้เพนเทียม ทู และเพนเทียมโปรของ Intel ก็ทำได้แค่ย้ายตำแหน่งของแคชระดับสองเข้าไปใกล้ตัวซีพียูเท่านั้นเอง ไม่ถึงกับอยู่ในแผ่นเวเฟอร์เดียวกัน

                                            

- External BUS Speed หรือ FSB (Front Side BUS)

จากเมนบอร์ดความเร็ว506066MHzมาสู่ความเร็ว75/83MHzแต่ก็ดูเหมือนว่าความเร็วขนาดนั้นยังไม่เพียงพอต่อการประมวลผล

ของซีพียูจากตัวอย่างที่แสดงให้ดูข้างบน กรณีของ 486 66 MHz ปรากฎว่าซีพียูประมวลผลได้ราว 400 เมกะไบต์/วินาที ขณะที่หน่วยความจำส่งให้ได้ 200 เมกะไบต์/วินาที การใช้หลักการของ Branch Prediction ,ใช้แคชทั้งภายในและภายนอกมาช่วย แต่ในที่สุดทั้งสองอย่างต่างก็มีขีดจำกัดในการช่วยให้ซีพียูประมวลผลเร็วขึ้น เพราะความเร็วของซีพียูระดับ 266 - 400 MHz จะนำมาใช้กับเมนบอร์ดความเร็ว 66 เมกะเฮิร์ตนั้น ไปด้วยกันไม่ได้เสียแล้ว ซีพียูรุ่นใหม่ๆ อย่าง Intel ซีออน เพนเทียม II ก็ประกาศตัวชิปที่ใช้งานกับเมนบอร์ดที่ความเร็ว 100 MHz ออกมา ทำให้ผู้ผลิตเมนบอร์ดต้องผลิตเมนบอร์ดความเร็ว 100 MHz ออกมาสนับสนุนทำไมต้อง 100 MHz อะไรจะเกิดขึ้นหากนำซีพียูความเร็ว 400 MHz มาใช้กับเมนบอร์ด 66 MHz คำตอบก็คือเวลาที่สูญเปล่าของซีพียู ยกตัวอย่างเช่น กรณีของเมนบอร์ด 66 MHz เอามาใช้งานกับซีพียู 266 เมกะเฮิร์ต สมมุติว่าต้องการย้ายข้อมูลขนาด 64 ไบต์ จาก หน่วยความจำ ถ้า 1 internal clock (ของตัวซีพียู) = 1 external clock (บนเมนบอร์ด) (ซีพียูความเร็ว 66 MHz เท่ากับเมนบอร์ด) ต้องใช้เวลา 8 ECs (ให้ 1 EC ย้ายได้ 8 ไบต์ หรือ 64 บิต เท่ากับความกว้างบัส) เพื่อ move ข้อมูลจำนวนนี้ แต่ถ้า 1 IC = 4 EC (ซีพียูความเร็ว 266 MHz เมนบอร์ดความเร็ว 66 MHz) P5/266) จะใช้เวลาแค่ 2 ECs ถ้าระหว่างประมวลผลดังกล่าวเป็นช่วงเวลาที่หน่วยความจำว่าง, บัสว่าง, ระบบว่าง, ซีพียูจะมีเวลาที่ไปทำงานอื่น ได้ถึง 6 clocks และถ้าเป็นซีพียูความเร็ว 400 MHz ล่ะ ดังนั้นเมนบอร์ด 100 MHz จึงออกมาเพื่อปรับสมดุลย์ส่วนนี้