Báo cáo Công nghệ chip tích hợp.pdf

Tài liệu báo cáo công nghệ chip tích hợp.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời Những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cánh mạng công nghệ Các thiết bị đó chính là các bộ Chip và công nghệ chế tạo ra chúng, chúng là thành quả của công nghệ bán dẫn tích hợp, mặc dù với vẻ bề ngoài nhỏ bé nhưng những con Chip, những bộ vi xử lý lại có một sức mạnh không hề “nhỏ” chút nào Chúng có thể làm những việc mà con người ngần như khó có thể làm làm được Chip

và bộ vi xử lý chúng chính là trái tim và bộ óc của chiếc máy tính cũng như trái tim và

bộ óc của con nguời vậy điều khiển mọi hoạt động, tiếp nhận mọi thông tin…để xử lý rồi đưa ra cho chúng ta kết quả như mong đợi

Trong bài báo cáo này em tập trung tìm hiểu về lịch sử, công nghệ NetBurst, công nghệ Intel Core và ứng dụng của chúng trong các dòng Chip của Intel cũng như các công nghệ mới nhất sử tích hợp trong Chip

Nội dung báo cáo chia 2 phần:

Phần I CÔNG NGHỆ CHIP TÍCH HỢP

Chia làm 2 chương:

Chương 1 Khái niệm và lịch sử của chip-vi mạch tích hợp

Trình bày khái niệm về chip và lịch sử phát triển của chip-vi mạch tích hợp

Chương 2 Mô hình phát triển cho các hệ thống tích hợp trên vi mạch

Trình bày khái niệm SoC, NoC và mô hình phát triển chip hệ thống tích hợp hiện nay

Phần II TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHIP CỦA INTEL

Chia làm 2 chương

Chương 3 Khái quát các dòng Chip và công nghệ tích hợp trong Chip của Intel

Trình bày sơ lược lịch sử các dòng Chip và công nghệ chế tạo Chip của Intel

Chương 4 Nền tảng Chip sử dụng công nghệ mới của Intel

Trình bày một số nền tảng chip tích hợp sử dụng công nghệ mới của Intel

PHẦN I CÔNG NGHỆ CHIP TÍCH HỢP

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ CỦA CHIP-VI MẠCH TÍCH HỢP

1.1 Khái niệm Chip-vi mạch tích hợp

1.1.1 Khái niệm về Chip

Chip là một vi mạch điện tử tích hợp được cấu tạo để thực hiện một chức năng

cụ thể nào đó hoặc được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau

1.1.2 Khái niệm Chipset

Chipset là một nhóm các Chip làm việc như một đơn vị độc lập để thực hiện một

hay nhiều chức năng có liên quan đến nhau nào đó

Ví dụ:

- Modem chipset bao gồm tất cả các mạch tích hợp đảm nhận việc truyền và nhận

thông tin

- Chipset Intel 850 dùng để điều khiển bo mạch hệ thống dùng cho CPU Pentium4

(Pemtium 4 motherboard) Nó bao gồm : + Chip điều khiển nhập xuất thế hệ thứ 2 (ICH2 - I/O Controller Hub) hỗ trợ: 4

cổng USB + 6 Kênh âm thanh AC'97 + Giao tiếp mạng tích hợp 10/100 Mbps + 2 kênh

ATA-100 + Kênh giao tiếp CNR + Các cổng giao tiếp chuẩn 64-bit PCI + Chip điều khiển truy cập bộ nhớ (MCH - Memory Controller Hub) hỗ trợ : 2

khe cắm RDRAM cho phép tốc độ truyền dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ đạt tới 3.2

Gigabytes/s Kênh truyền AGP 4X cũng được điều khiển bởi MCH cho phép chuyển

giao dữ liệu trực tiếp giữa card màn hình và bộ nhớ với tốc độ lên tới 1 Gigabytes/s

Hình 1.1: Chipset Intel 850

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của Chip-vi mạch tích hợp

Sự hình thành và phát triển của chíp gắn liền với sự hình thành, phát triển của công nghệ bán dẫn, sự phát hiện ra transistor và tính năng của nó, nên khi tìm hiểu về vấn đề này ta sẽ tìm hiểu sự ra đời và phát triển của công nghệ bán dẫn:

- Năm 1947, J.Bardeen & W.Brattain (AT&T Bell., USA ) phát minh ra

“Point Contact Transistor” đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay thế cho ống chân không Dòng điện vào ( Bên trái hình tam giác ) được truyền qua lớp dẫn điện bề mặt bản Germanium và được khuếch đại thành dòng ra ( bên phải hình tam giác ) Sở dĩ thiết bị khuếch đại dòng điện này có tên là TRANSISTOR vì

nó là một loại điện trở ( Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện ( TRANfer)

Hình 1.2: thí nghiệm phát minh Transistor đầu tiên

- Năm 1950, W.Shockley ( AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra transistor kiểu tiếp hợp Đây là mô hình đầu tiên của loại Bipolar transistor sau này

Hình 1.3: Transistor kiểu tiếp hợp

- Năm 1958, J.Kilby ( Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC (Integrated circuit ) đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ hoàng kim của vi điện tử Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, condenser) lên trên bề mặt tấm silicon

- Năm 1959, J Hoerni và R Noyce ( Fairchild, Mỹ) thành công trong việc tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon Hình dưới là transistor với cả 3 cực ( base, emitter, colector) cùng nằm trên một mặt phẳng

Hình 1.4: Transistor với cả 3 cực ( base, emitter, colector)

- Năm 1961, cũng chính J Hoerni và R Noyce đã tạo ra mạch flip-flop ( với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon

- Năm 1970, G.-E Smith và W.-S Boyle ( AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit

Hình 1.5: CCD 8-bit

- Năm 2004, công ty Intel của Mỹ chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu con trasistor

Hình 1.6: Chip Pentium 4 của Intel

- Năm 2005, ê kíp liên kết giữa IBM, Sony, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu Chip CELL đa lõi ( multi-core), hoạt đọng với tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop

- Năm 2008 Intel trình làng Chip chứa 2 tỷ transistor đầu tiên

Vậy với khoảng nửa thế kỷ kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, Ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khoá quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin ngày nay

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TÍCH HỢP TRÊN VI MẠCH

2.1 KHÁI NIỆM SYSTEM-ON-A-CHIP VÀ NETWORK-ON-CHIP

2.1.1 Khái niệm System-on-a-Chip

System-on-a-Chip ( SoC ) là hệ thống trên một vi mạch được xây dựng trên ý tưởng tích hợp tất cả các thành phần của một hệ thống máy tính lên trên một vi mạch đơn ( hay còn gọi là một chip đơn ) Hệ thống SoC này có thể bao gồm các khối chức năng số, tương tự, tín hiệu kết hợp ( mixed-signal ) và các khối tần số ra radio ( RF )

Hệ thống trên một vi mạch đôi khi còn được gọi là hệ thống đơn chip hay hệ thống

“sốc” (SoC)

2.1.2 Khái niệm Network-on-Chip

Network-on-Chip ( NoC ) tạm dịch nghĩa là “Mạng trên vi mạch”, là một khái

niệm dùng để chỉ một loại kiến trúc truyền thông trên vi mạch dựa trên ý tưởng tích hợp kiến trúc mạng máy tính lên trên một vi mạch đơn

2.2 MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TÍCH HỢP TRÊN VI MẠCH

Công nghệ tích hợp vật liệu bán dẫn không ngừng được cải tiến nhờ Định luật Moore (số lượng transistors trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi hai năm) Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ tích hợp bán dẫn cho phép các nhà thiết

kế xây dựng các hệ thống hoàn chỉnh chỉ trên một vi mạch và do đó hình thành thuật ngữ "hệ thống trên một vi mạch" (SoC: System-on-Chip) Hệ thống SoC được biết đến như là một phương pháp thiết kế cho phép tích hợp khoảng vài chục IPs trên một vi mạch với khoảng vài chục triệu transistors Hiện nay khả năng tích hợp lớn nhất cho phép trên một vi mạch vào khoảng 2 tỷ transistors (theo Intel) Với số lượng lớn transistor trên một vi mạch cho phép các nhà thiết kế tích hợp nhiều hơn nữa các đơn vị tính toán, còn gọi là IP (Intellectual Property), vào cùng một hệ thống SoC Các khối tính toán này có thể là các bộ xử lý (processors), các bộ xử lý tín hiệu số (DSP), các bộ

mã hoá và giải mã, các bộ nhớ RAM/ROM, hay các đơn vị xử lý vào/ra (Ethernet, Bluetooth),…

Với một số lượng lớn các IP được tích hợp lên cùng một hệ thống SoC, các phương thức truyền thông truyền thống như kết nối điểm–điểm, kết nối một bus chung không còn đáp ứng được nhu cầu truyền thông trên các vi mạch lớn Nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông ngày càng cao giữa các khối tính toán trên chip, kiến trúc truyền thông bus phân tầng (hierarchical bus) được đề xuất và nhanh chóng được đưa vào ứng dụng cho các hệ thống SoC phức tạp Kiến trúc bus phân tầng này sử dụng các bus cục

bộ để thực hiện truyền thông giữa các IP gần nhau và có lưu lượng truyền thông qua lại cao Việc truyền thông giữa các IP trên các bus khác nhau được thực hiện thông qua các cầu nối bus (bus bridge) Tuy nhiên, đây cũng chỉ là giải pháp tạm thời vì kiến trúc truyền thông này chỉ giải quyết được một phần nào nhu cầu truyền thông trên vi mạch chứ không thể giải quyết triệt để bài toán truyền thông trên các hệ thống SoC phức tạp Hình dưới đây mô tả một hệ thống SoC hiện tại với một kiến trúc truyền thông tích hợp bao gồm bus, bus phân tầng và kết nối điểm–điểm

Hình 2.1: Kiến trúc một hệ thống SoC điển hình

Để giải quyết vấn đề truyền thông trên các vi mạch lớn, một phương thức truyền thông mới dựa trên ý tưởng mạng internet được đề xuất vào khoảng năm 2000, gọi là

mô hình mạng trên vi mạch (NoC: Network-on-Chip),

Hình 2.2: Mô hình mạng trên vi mạch Cho đến hiện nay, có nhiều trung tâm nghiên cứu hàng đầu (thuộc trường đại học, viện nghiên cứu, tập đoàn sản xuất vi mạch ứng dụng) trên thế giới nghiên cứu và phát triển mô hình NoC Mô hình NoC được xem như là một giải pháp truyền thông trên chip thay thế các mô hình truyền thông cổ điển trước đây với nhiều ưu điểm vượt trội: tính linh hoạt trong thiết kế, khả năng mở rộng thiết kế, lưu lượng truyền thông cho phép cao, tối ưu năng lượng tiêu thụ, tính mô đun hóa Tính mềm dẻo của mô hình NoC thể hiện ở khả năng truyền thông động nhờ kỹ thuật chuyển mạch gói Với các hệ thống có độ tích hợp cao, mô hình NoC cho phép mở rộng kiến trúc mạng truyền thông bằng cách thêm các nút mạng mà không làm giảm hiệu suất truyền thông của các kênh truyền thông khác trong mạng Kết nối giữa các đơn vị truyền thông ngắn (tối đa bằng khoảng cách giữa các nút mạng với nhau) giúp cho truyền thông có thể đạt được lưu lượng tối đa trên từng kênh cục bộ Lưu lượng truyền thông cả mạng được tính bằng tổng lưu lượng truyền thông của các kênh được thiết lập Ngoài ra, năng lượng tiêu thụ

có thể giảm khi kênh truyền thông không được kích hoạt Với nhiều ưu điểm, mô hình NoC được xem như là một sự lựa chọn hứa hẹn cho các hệ thống SoC phức tạp trong tương lai, khi các thiết kế có thể lên tới hàng tỷ transistors

Theo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2005 dự đoán, các nghiên cứu cơ bản về NoC sẽ hoàn tất vào khoảng cuối năm 2008 và đến năm 2010 sẽ cho ra những sản phẩm ứng dụng thực tế được gắn các vi mạch dựa trên

mô hình NoC

PHẦN II TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHIP CỦA INTEL

CHƯƠNG 3 KHÁI QUÁT CÁC DÒNG CHIP VÀ CÔNG NGHỆ TÍCH

HỢP TRONG CHIP CỦA INTEL

3.1 VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ CÁC DÒNG CHIP CỦA INTEL

Các thế hệ chip ngày nay của Intel đã khác biệt khá nhiều so với những dòng

chip đầu tiên do hãng chế tạo - chẳng hạn như Intel 4004, hoặc Intel 4040 (năm 1971) Khác biệt đó không chỉ ở tốc độ (xung nhịp đồng hồ) mà còn ở nền tảng và công nghệ chế tạo CPU Công nghệ vi xử lý 180nm hoặc cũ hơn đang dần lui vào dĩ vãng để nhường bước cho các công nghệ mới hơn như 130nm, 90nm, 65nm, 45nm, 32nm… Về

cơ bản, khả năng xử lý của chip Intel tính cho tới thời điểm hiện nay vẫn tuân thủ theo quy luật Moore – có nghĩa cứ mối gần 2 năm, tốc độ tính toán của loại chip mới sẽ tăng lên gấp đôi

Mặc dù loại chip đầu tiên của Intel xuất hiện từ năm 1971, nhưng phải mất nhiều năm sau (đến 1978), bộ vi xử lý này mới được ứng dụng rộng rãi và được nhiều người biết tới Có một số mốc quan trọng trong lịch sử phát triển chip Intel, đó là: 8086 (1978), i486 (1989), Pentium (1983), Celeron (1998), Pentium IV (2000), và gấn đây nhất là dòng chip “lõi kép” và “lõi tứ” Tất cả các loại chip của Intel đều là bộ xử lý x86, ngoại trừ một số model như: iAPX 432; i960; Itanium1 và Itanium2.

- Intel 8088 1979 (4MHz)

Intel 8088, chủng loại chip được sử dụng cho những chiếc PC đầu tiên trên thế giới Intel 8088 là loại chi 16-bit, chạy ở tốc độ 4MHz và chỉ có thể hỗ trợ tối đa tới 1MB RAM

- Intel 80286 1982 (6MHz-20MHz)

Là loại chip 16-bit có khả năng hỗ trợ tới 16 MB RAM Intel 80286 có thể tương

tác với bộ nhớ ảo và là loại chip “thực” đầu tiên do có khả năng xử lý đồng thời nhiều tác vụ cùng lúc Tính năng này được ứng dụng cho các hệ điều hành Windows trong tương lai và vẫn mãi là đặc điểm trụ cột của dòng chip Intel Tốc độ tối đa của Intel

80286 là 6MHz, nhưng một số phiên bản sau này có thể chạy ở tốc độ 20MHz

Với Intel 386, lần đầu tiên một chiếc PC mới tỏ ra hữu ích thực sự Intel 386 là

bộ xử lý 32-bit đầu tiên dành cho máy tính cá nhân Nó có thể tương thích với các loại card 32-bit, và hỗ trợ tối đa tới 4GB bộ nhớ thực và 64TB (terabyte) bộ nhớ ảo Intel

386 có nhiều phiên bản, với tốc độ dao động trong khoảng từ 12,5MHz tới 33MHz

- Intel 486 – 1991 (120MHz)

Là thế hệ kế tiếp của dòng chip Intel, 486 mang đến khả năng xử lý cao hơn hẳn

so với các loại chip trước đây Tốc độ của Intel 486 là 120MHz, và hiện nay vẫn được dùng cho một số hệ thống

- Pentium

Pentium có thể nói là dòng chip đa dạng nhất hiện nay, bởi nó có rất nhiều phiên

bản với tốc độ cũng rất khác nhau Pentium có nhiều đột phá mang tính “cách mạng”,

và luôn đi kèm với sự lớn mạnh của Intel trong nhiều năm qua

+ Pentium Pro 1995-1997 (150MHz-200MHz)

Được sử dụng cho dòng máy tính để bàn và máy chủ cao cấp, Pentium Pro tăng khả năng hỗ trợ tối đa bộ nhớ từ 4GB lên 64GB Pentium Pro có cache L2 từ 512KB - 1MB; sử dụng bus hệ thống 60MHz hoặc 66MHz; chứa 5,5 tới 62 triệu transitor Pentium Pro được chế tạo trên công nghệ vi xử lý 350nm

+ Pentium MMX 1997-1999 (233MHz-300MHz)

Số lượng transitor của Pentium MMX là 4,5 triệu; được chế tạo trên công nghệ

vi xử lý 350nm (đối với phiên bản dành cho máy tính đề bản), và 250nm (đối với phiên bản dành cho thiết bị di động)

+ Pentium II 1997-1999 (233MHz-450MHz)

Pentium II có bus hệ thống 66MHz hoặc 100MHz Các model Pentium II dành

cho máy tính để bàn có 7,5 triệu transistor với 512KB cache L2 ; trong khi phiên bản dành cho thiết bị di động có 27,4 triệu transistor với 256KB cache L2

+ Pentium II Xeon 1998-1999 (400MHz-450MHz)

Chủ yếu sử dụng cho dòng máy chủ cao cấp “2-way” và “4-way”, Pentium II Xeon có 100MHz bus hệ thống và cache L2 từ 512KB - 2MB

+ Pentium III 1999-2001 (500MHz-1,13GHz)

Pentium III được công bố trong giai đoạn 1999-2001 Bộ vi xử lý này có bus hệ

thống 100MHz hoặc 133MHz; 512KB hoặc 256KB cache L2 Phụ thuộc vào từng model mà Pentium III có từ 9,5 – 28 triệu transitor Pentium III được sản xuất trên công nghệ vi xử lý 250nm và 180nm

+ Pentium III Xeon 1999-2001 (500MHz-933MHz)

Cũng được công bố trong thời kỳ 1999-2001, Pentium III Xeon chủ yếu được

dành cho loại máy chủ từ “2-way” tới “8-way” Xeon thường có cache tối đa lên tới 2MB

+ Pentium 4 2000 (1,4-3,4GHz)

Là kiến trúc Pentium mới nhất được giới thiệu từ năm 2000, Pentium IV bắt đầu

với 400MHz bus hệ thống và 256KB cache L2 (sau này tăng lên 800MHz và 2MB) Những phiên bản đầu tiên của Pentium IV có 42 triệu transitor, được chế tạo trên công nghệ vi xử lý 180nm

- Pentium M

Là một phần của nhãn hiệu Centrino dành cho các chủng loại máy tính xách tay,

Pentium M hiện đang có 2 phiên bản: “Banias” và “Dothan” Banias là tên mã của Pentium M được giới thiệu năm 2003 với tốc độ 1,6MHz - tương đương với hiệu suất của Pentium IV “Northwood” 2,4MHz Trong khi đó, “Dothan” là thế hệ thứ hai của Pentium M, được giới thiệu năm 2004 với nhiều phiên bản: Pentium M 715 (1,5 GHz),

725 (1,6 GHz), 735 (1,7 GHz), 745 (1,8 GHz), 755 (2 GHz), and 765 (2,1 GHz)

“Dothan” được chế tạo trên công nghệ vi xử lý 90nm, hỗ trợ chuẩn PCI Express, Serial ATA và Gigabit Ethernet

- Pentium D

Pentium D là một series gồm nhiều bộ xử lý với phiên bản đầu tiên (tên mã

“Smithfield”) được Intel giới thiệu hồi cuối tháng 5/2005 vừa qua Pentium D sẽ tích hợp 2 chip Pentium IV Prescott trên một tấm silicon đơn (hay còn được gọi với cái tên

là “chip lõi kép”) Pentium D là dòng chip “lõi kép” dành cho máy tính để bàn có các tốc độ: 2,8GHz, 3GHz, hoặc 3,2GHz Dòng chip này không hỗ trợ công nghệ siêu phân