Ответы на экзаменационные вопросы по техническим средствам информатизации
Подождите немного. Документ загружается.
Билет №1. Направления развития средств вычислительной техники
Тенденции развития микропроцессоров
По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота
возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с.
Рассмотрим основные направления развитие микропроцессоров.
1. Повышение тактовой частоты.
Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический
процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника
меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных
блоков кристалла.
Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП
для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют
примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их
преобладание в микропроцессорах.
Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5 В до 2,5-3 В и ниже,
увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров
перешли с проектных норм 0,35-0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм
технологию.
Год производства 2005 2006 2007 2010 2013 2016
DRAM, нм 80 70 65 45 32 32
МП, нм 80 70 65 45 32 32
Uпит, В 0,9 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4
Р, Вт 170 180 190 218 251 288
При минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2 мкм достигается оптимум, ниже
которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. Практически все свойства твердого тела, включая его
электропроводность, резко изменяются и "сопротивляются" дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления
связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера
"съедают" до 90% сигнала по уровню и мощности.
При этом начинают проявляться эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится
системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах. Проектная норма 0,05-0,1 мкм (50-100
нм) - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем.
Уменьшение длины межсоединений актуально для повышения тактовой частоты работы, так как существенную долю
длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264
предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы
микропроцессора.
Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается
путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с
3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность, исключив
существовавший ранее перегрев кристаллов.
Одним из шагов в направлении уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала
технология, использующая медные проводники для межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM и
используемая в настоящее время и другими фирмами-изготовителями СБИС.
Впервые рубеж тактовой частоты в 500 МГц перешагнули микропроцессоры фирмы DEC, которая уже в конце 1996 г.
поставляла Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц, в 1997 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 600 МГц, а в 1998 г. -
Alpha 21264 с тактовой частотой 750 МГц и выше. В настоящее время ряд фирм выпускает процессоры для персональных
компьютеров с тактовой частотой свыше 4 ГГц.
2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.
Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти
одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-
памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью.
Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин (путем увеличения частоты
работы шины и/или ее ширины), так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором,
кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а
вторая - на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц
для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225,
500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с
основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.
Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется по-разному:
внешние кэш-памяти данных и команд с двухтактовым временем доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем
доступа 2 такта в HP PA-8000;
отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня, размещенный в одном корпусе в Pentium Pro;
размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для
команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.
Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных
и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня. Например, в Pentium II использованы
внутрикристальные кэш-памяти первого уровня для команд и данных по 16 Кбайт каждая, работающие на тактовой
частоте процессора, и внекристальный кэш второго уровня, работающий на половинной тактовой частоте.
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.
Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных
исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и
уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).
В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в
такте ограничено двумя для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.
Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и
предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической
переадресации.
Широко используются архитектуры с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и
HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и
ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-
разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6
Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3 Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.
4. Системы на одном кристалле и новые технологии.
В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные на одном кристалле - SOC (System On Chip).
Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших
технологий.
Основной технологический прорыв в области SOC удалось сделать корпорации IBM, которая в 1999 году смогла
реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и
оперативной памяти. В новой технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными
ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом
кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном
микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Следует отметить, что хотя кристаллы,
объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как
Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение
никоим образом не сказывается на производительности.
Использование новой технологии открывает широкую перспективу для создания более мощных и миниатюрных
микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства:
маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.
Для создания SOC IBM использует самые современные технологические решения, одним из которых являются медные
межсоединения (copper interconnect). Первым микропроцессором IBM с медными межсоединениями в 1998 г. стал
PowerPC 750. По сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать
кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что
позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%. Обычно эта технология дополняется еще одной новинкой:
технологией кремний на изоляторе - КНИ (SOI, Silicon On Insulator). Она уменьшает паразитные емкости, возникающие
между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовую частоту работы транзисторов также можно
увеличить. Возрастание скорости от использования КНИ приближается к 20-30%. Таким образом, общий рост
производительности в идеальном случае может достигнуть 50%.
Нанотехнологии
Нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции
отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Слово "нано" (в
древнегреческом языке "nano" - "карлик") означает миллиардную часть единицы измерения и является синонимом
бесконечно малой величины, в сотни раз меньшей длины волны видимого света и сопоставимой с размерами атомов.
Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход: скачок от манипуляции
веществом к манипуляции отдельными атомами. Мир таких бесконечно малых величин намного меньше, чем мир
сегодняшних микрокристаллов и микротранзисторов.
Основа нанофизики и нанотехнологии создана именно в нашей стране. Теоретические и первые экспериментальные
работы в этой области были сделаны выдающимся российским ученым и изобретателем профессором П.К. Ощепковым
(1908-1992). В его работах - обоснование физики ультратонких или, как сейчас говорят, наноструктур.
Российский ученый впервые теоретически обосновал положение о том, что переход на уровень нано означает не только
количественный, но и качественный переход в новое состояние материи. Кроме того, Ощепков впервые высказал
основные положения современной нанотехнологии об использовании волновых свойств электронов и их способности к
туннелированию на наноструктурах для создания принципиально новых энергетических устройств.
Сейчас работы в области нанотехнологий ведутся в четырех основных направлениях:
молекулярная электроника;
биохимические и органические решения;
квазимеханические решения на основе нанотрубок;
квантовые компьютеры.
На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии (Европейский Союз -
примерно 15%, Япония - 20%). Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии,
Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре и Тайване. Если в 2000 году суммарные затраты стран мира на
подобные исследования составили примерно 800 млн.долларов, то в 2001 году они увеличились вдвое. По мнению
экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить не менее 1 трлн.долларов.
В последнее время резко увеличилось количество публикаций о новых достижениях в области нанотехнологий. Самые
свежие новости можно найти, например, на сайте http://www.nanonewsnet.com/. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
Наиболее значимые практические результаты достигнуты в области молекулярной электроники. Она логически близка к
традиционной полупроводниковой электронике. Методами молекулярной электроники из углеводородных соединений
удается получить аналоги диодов и транзисторов, а следовательно, и основные булевы модули И, ИЛИ и НЕ, из которых
затем можно строить схемы любой сложности. Подобный подход позволяет сохранить преемственность архитектурных
решений.
В 1999 году сотрудники компании Hewlett-Packard и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) смогли
получить действующий молекулярный вентиль. Его толщина составляет всего одну молекулу. Первоначально он умел
либо только открываться, либо только закрываться.
Исследователи из Йельского университета смогли продвинуться дальше: их вентиль может принимать любое из двух
положений, что позволяет произвольно записывать в него 0 или 1. Обе группы работают над объединением вентилей в
регистры.
По мнению аналитиков, предел миниатюризации для традиционной кремниевой электроники наступит через 10-15 лет, а
число транзисторов в более сложных устройствах вроде электрических схем неуклонно растет.
Ученые из лаборатории Lucent Technologies Bell Labs сообщили о создании транзистора, который в миллион раз меньше
крупицы песка.
Это событие может стать ключевым моментом в создании миниатюрных компьютерных микросхем с малым
потреблением энергии. Транзисторы являются "мозгом" компьютеров и любых других электронных устройств.
Используя органическую молекулу и химические внутренние процессы, исследователи уменьшили размер транзистора до
1-2 нанометров (миллиардной части метра), чего еще никому не удавалось.
При создании транзисторов использовалась техника "самосборки", когда молекулы фактически сами присоединяются
одна к другой с помощью электродов, сделанных из золота. Это позволило уменьшить размер канала до 1-2 нм, причем
использованная методика относительно недорога и позволяет увеличить плотность транзисторов на единицу площади.
Хотя пока получен только экспериментальный образец, исследователи настроены весьма оптимистично и считают, что
вскоре станет возможным строить микропроцессоры и микросхемы памяти из транзисторов размером с молекулу.
Ученые компании Philips разработали нанотранзистор, использующий эффект сверхпроводимости. Новые транзисторы
состоят из арсенида индия и алюминиевых сверхпроводящих контактов, а заряд переносится не электронами, а
куперовскими парами. Последние представляют собой спаренные электроны с противоположно направленными спинами.
Как и в случае с обычными полевыми транзисторами, в новых элементах ток в канале между стоком и истоком
регулируется напряжением на затворе. Известно, что эффекта сверхпроводимости можно достичь при очень низких
температурах. При какой температуре элементы новых транзисторов проявляют сверхпроводящие свойства,
разработчики не сообщают.
Арсенид-индиевые полупроводники размерами от 10 до 100 нм ученые получили с помощью сложного процесса
выпаривания. По заявлению Philips, новые транзисторы не только могут стать основой для сверхпроводящих
электронных наноцепей нового поколения, но и позволят более основательно изучить явление квантового переноса.
Подробно свои исследования ученые собираются представить в одном из выпусков журнала Science.
О крупном достижении, "открытии, представляющем новое мышление в наноэлектронике" сообщили исследователи из
двух американских университетов - Калифорнии в
Сан-Диего (UCSD) и Клемсона (Clemson University). Им впервые удалось сделать транзистор полностью из углеродных
нанотрубок, разветвленных в форме буквы "Y"). Размер нанотранзистора - несколько сотен микрон, что примерно в 100
раз меньше компонентов, используемых в сегодняшних микропроцессорах.
Нанотранзистор на углеродных нанотрубках (Изображение из журнала New Scientist)
В компании Hewlett Packard утверждают, что разработали методику изготовления микросхем, которая позволит продлить
действие закона Мура по крайней мере на 50 лет.
По словам ученых, технология теоретически позволит создавать сверхбыстродействующие микросхемы для компьютеров
следующего поколения. Другим достоинством методики является относительно низкая себестоимость производства
чипов, для изготовления которых предполагается применять систему, напоминающую струйную печать.
Патент на предложенную технологию был получен компанией Hewlett-Packard еще в 2003 году, однако доказать
жизнеспособность методики исследователям удалось значительно позже. Планируется, что первые гибридные
микросхемы, содержащие и транзисторы, и "нанозащелки", появятся на рынке в первой половине следующего
десятилетия. Изготавливаться такие чипы будут, предположительно, по 32-нанометровой технологии. Коммерциализация
новой методики намечена на 2020-е гг.
Суть новой технологии состоит в следующем. Вместо транзисторов исследователи НР предлагают использовать так
называемые "защелки", состоящие из трех нанопроводников и двух молекулярных переключателей. Два из этих
проводников расположены параллельно друг другу и размещены над третьим под прямым углом. Молекулярные
переключатели служат для соединения нанопроводников друг с другом. Причем переключатели всегда находятся в
различных состояниях: один из них открыт, а другой - закрыт, или наоборот. Эти комбинации и соответствуют
логическим 0 и 1.
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
Нанопереключатели для микросхем следующего поколения
Успехи нанотехнологий можно отметить в области хранения данных. Так, фирма IBM создала прототип устройства
памяти "многоножка" (Millipede), первое наноустройство хранения данных. Компания ожидает, что эта переломная
технология завоюет рынок к 2006 или 2007 году. Новинка состоит из записывающей матрицы манипуляторов, которая
включает в себя 4096 кантилеверов, выполненных как устройства чтения-записи (подобные кантилеверы используются
сейчас в электронных и атомно-силовых микроскопах). Правда, у прототипа пока вчетверо меньше кантилеверов, но это
не мешает сделать вывод о благоприятных рыночных перспективах продукта.
Теоретически квадратный чип с длиной стороны 2,4 см может хранить до 125 Гб данных, что эквивалентно емкости 25
дисков формата DVD.
Разрабатывается магнитная flash-память на основе углеродных нанотрубок. Ее архитектура довольно проста: каждая
ячейка памяти состоит из двух пересекающихся нанотрубок, содержащихся внутри примеси железа или помещенных в
ферромагнитное окружение. В нанопамяти роль слоев будут играть пересекающиеся нанотрубки, магнитную ориентацию
которых можно менять с помощью электрических импульсов различной полярности. А считывать логическое состояние
"1" или "0" будут более слабые электрические сигналы определенной полярности. Таким образом, если магнитная
ориентация нанотрубок установлена противоположно посылаемому импульсу считывания, то по низкой величине тока
импульса будет определяться значение "0". И наоборот - если магнитная ориентация нанотрубок совпадает с
направлением электронов в импульсе, то амплитуда тока импульса будет соответствовать логической "1". Полученная
память будет энергонезависимой.
Матрица ячеек памяти из нанотрубок
Фирма Motorola продемонстрировала действующий прототип нового цветного дисплея, в котором используется
множество микроскопических нитей, называемых углеродными нанотрубками. Прототип дисплея имеет размер 4,7
дюйма по диагонали и дает оптическое разрешение в 128х96 пикселей. Он должен стать элементом 42-дюймо-вого
телевизионного экрана высокой четкости изображения с разрешением 1280х720 пикселей. В качестве источника
электронов используются углеродные нанотрубки.
Принцип действия дисплея NCD
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
Фотоника
Фотоника - это технология излучения, передачи, регистрации света при помощи волоконной оптики и оптоэлектроники.
Довольно давно уже известна оптимальная среда для передачи огромных массивов данных - это свет, бегущий по
волоконно-оптическим кабелям. А все компьютерные транзисторы работают с электрическим током, текущим по медным
проводам. Исследователям лабораторий Intel удалось органически совместить кремний со светом - так родилась
кремниевая фотоника.
16.февраля 2004 г. впервые было продемонстрировано устройство, передающее информацию по волоконно-оптическому
кабелю со скоростью 1 Гбит в секунду!
Луч света, идущий по оптическому волокну, расщепляется на два луча, затем один из лучей проходит через специальное
устройство, в котором световые колебания могут сдвигаться по фазе. После сложения лучей наблюдается интерференция.
Наличие света считают "1", а его отсутствие - "0".
До сих пор существовали быстрые модуляторы (устройства, преобразующие свет в последовательность битов
информации), но они были очень дорогими, сложными в производстве и делались с использованием экзотических
материалов (таких как арсенид галлия или фосфид индия). Самые быстрые кремниевые модуляторы работали на
скоростях около 20 МГц. Кремниевый модулятор Intel работает со скоростью более 1 ГГц, исследователи надеются
повысить эту скорость еще раз в 10!
У кремниевой фотоники есть масса преимуществ. Прежде всего, это то, что по оптическому волокну можно передавать
тысячи потоков сигналов на разных длинах световых волн, тогда как по медному проводу может идти лишь один ток.
Теоретический предел для такой передачи близок к 100 триллионам бит в секунду - этого достаточно, чтобы передать по
одному волокну (в 30 раз тоньше человеческого волоса) телефонные переговоры всех жителей Земли одновременно.
Микропроцессорная технология потенциально имеет много назначений: создание персональных электронных партнеров,
интеллектуализация (в известном смысле "оживление") всей техносферы, усиление и защита функций организма с
помощью персональных медико-кибернетических устройств, в том числе вживляемых в организм
В результате эволюции электронной технологии от "микро" к "нано" и ее слияния с "генной", вероятно, будет достигнуто
состояние, при котором станет возможным синтез в массовых количествах любых технических устройств. Однако
основная цель будущей нанотехнологии, по всей вероятности, - создание структур, способных к эволюции и
саморазвитию.
Билет №2. Персональный компьютер. Состав
Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное
обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.
Персональный компьютер-это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и
универсальности применения.
Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и
электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ
(SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других
операций.
Структурная схема ПК
Аппаратная часть состоит из вычислительного блока и внешних устройств.
-Вычислительный блок включает процессор и память. Процессор - это устройство, выполняющее операции (команды) с
информацией (данными). Память (ОЗУ - оперативно запоминающее устройство) - устройство, содержащее команды и
данные для процессора. Процессор и память устанавливаются на материнской плате. Материнская плата - плата, которая
обеспечивает взаимодействие основных компонентов компьютера.
Внешние устройства делятся на устройства ввода, вывода и накопители информации. Внешние устройства крепятся к
материнской плате либо непосредственно, либо через специальные платы (карты). Материнская плата с процессором,
памятью и платами внешних устройств находятся в системном блоке компьютера.
К устройствам ввода информации относятся:
- клавиатура - ввод текстовой информации;
- мышь, световое перо, трекбол - ввод информации путем "указания", например выбор одного из предложенных
вариантов, или указание координат;
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
- сканер - ввод текстовой и графической информации с бумажных носителей;
- микрофон - ввод звуковой информации.
К устройствам вывода информации относятся:
- монитор (дисплей) - вывод текстовой, графической и видео информации;
- принтер, плоттер (графопостроитель) - вывод информации на бумажный носитель;
- динамик (колонки) - вывод звуковой информации.
Билет №3. Корпус и блок питания ПК. Форм-фактор, классификация
Корпус компьютера предназначен для монтажа основных компонентов компьютера. Среди корпусов можно выделить три
категории изделий: технологические, дизайнерские, интерьерные. Самой многочисленной выглядит категория
технологических корпусов, внешний вид которых знаком любому покупателю: параллелепипед цвета слоновой кости
(Ivory), стоящий вертикально (Tower) или уложенный на бок (Desktop). Для домашних компьютеров используют
вертикальные корпуса стандартных типоразмеров: Mini Tower, Midi Tower и Full Tower.
Основным параметром, определяющим качество корпуса, является толщина металла несущей рамы, шасси системной
платы, а также стенок (кожуха). Если шасси сделано из достаточно толстого металла, то резко снижается уровень
излучаемого шума и практически отсутствует вибрация. Такие качества обеспечивают корпуса с толщиной металла не
менее 0,8 мм. Известные фирмы, специализирующиеся на изготовлении корпусов, обычно делают их из металла
толщиной 1 мм. Дешевые корпуса (ценой 25-30 долларов) изготавливают из стального листа толщиной 0,5-0,6 мм
(практически из жести), поэтому их стенки легко прогибаются и могут входить в резонансную вибрацию с вентиляторами
системы охлаждения и жесткими дисками. Качественные корпуса имеют шасси с обработанными или завальцованными
краями, иногда даже покрашенные, часто изнутри покрыты пермаллоем — материалом, не пропускающим
низкочастотные электромагнитные излучения.
На лицевой стороне корпуса должны находиться как минимум две кнопки: включения питания (POWER) и перезагрузки
(RESET). Кнопка POWER должна выделяться цветом и размером; лучше, если она чуть утоплена. Для корпуса типа AT
лучшим выключателем является тумблер. Для корпуса типа АТХ это в принципе невозможно, так как согласно
спецификации ACPI длительность нажатия кнопки POWER определяет переход в различные состояния по энергопитанию
компьютерной системы. Кнопка RESET должна быть мелкой и утопленной достаточно глубоко, чтобы исключить
непреднамеренное нажатие. На некоторых качественных АТХ корпусах дополнительно устанавливают кнопку SLEEP.
Отличительные признаки технологически продуманного корпуса:
- крепление боковых стенок на клипсах, на барашках или на винтах с накатанной головкой, не требующих применения
отвертки;
- размещение блока питания вне проекции системной платы;
- малошумящий блок питания с входным отверстием снизу;
- съемное, выдвигающееся или откидное шасси системной платы;
- установка накопителей в отсеки 5,25" на планках, без использования винтов;
- съемная или выдвигающаяся корзина для жестких дисков;
- установка жестких дисков на амортизирующем шасси;
- использование планок для крепления плат расширения;
- отверстие для входа охлаждающего воздуха на боковой стенке;
- места для установки дополнительных вентиляторов на передней и тыльной панелях.
Выделяют 2 основных форм-фактора корпусов – ATX и BTX.
В корпусе АТХ плата (стандартного размера 305x244 мм) располагается длинной стороной вдоль задней стенки.
Процессор на плате устанавливается в непосредственной близости от разъема питания для минимизации длины
питающих цепей и охлаждения от встроенного вентилятора БП. Некоторые блоки имеют автоматическую регулировку
скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры. Блок питания АТХ, кроме стандартных для AT
напряжений и сигналов, обеспечивает также напряжение 3,3 В и поддерживает управление питанием по сигналу с платы,
которая имеет для этого программный интерфейс. Для соединения блока питания с платой используется единый 24-кон-
тактный разъем. В стандарте АТХ оговорен также разъем, через который с блока питания на плату подается информация о
частоте вращения вентилятора, а с платы в блок питания — сигнал управления вентилятором и контрольный уровень
напряжения 3,3 В для более точной его стабилизации.
Спецификации Balanced Technology Extended разработаны с целью стандартизации интерфейсов и определения форм-
факторов для настольных вычислительных систем в области их электрических, механических и термических свойств.
Спецификации описывают механические и электрические интерфейсы для разработки системных плат, шасси, блоков
питания и других системных компонентов. Спецификациями ВТХ предусмотрены три основных форм-фактора корпусов.
Вместе с тем, обеспечена поддержка платформ самых различных габаритов при соблюдении одного условия - все систем-
ные платы должны иметь стандартную глубину 266,7 мм. Полноразмерная плата ВТХ характеризуется шириной платы
325,12 мм (что соответствует АТХ). Подразумевается поддержка до 7 слотов расширения. Формат microBTX
характеризуется шириной платы 264,16 мм. Подразумевается поддержка до 4 слотов расширения. Низкопрофильный
формат picoBTX нормируется шириной платы всего 203,20 мм. Подразумевается поддержка лишь одного слота
расширения. Разработчики предусмотрели обратную совместимость с корпусами спецификации АТХ 2.03. Поэтому
системные платы форм-фактора ВТХ можно монтировать в любой из нынешних корпусов АТХ. Разъемы питания систем
ВТХ и требования к стабильности напряжения остались в целом неизмененными по сравнению с АТХ. Механизм
крепления системных плат семейства ВТХ к шасси значительно изменился. Теперь монтаж производится с помощью
специализированных модулей поддержки и крепления Support and Retention Module (SRM). Такой механизм
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
одновременно с приданием дополнительной жесткости всей конструкции подразумевает улучшение термобаланса
компонентов системы, особенно процессора.
В современных компьютерах в основном применяют блоки питания импульсного типа. Входное напряжение сети 220 В
подается непосредственно на выпрямитель, без понижающего трансформатора. Выпрямленное напряжение используется
для питания транзисторного генератора, работающего на частотах в десятки килогерц, который накачивает энергией
дроссель. Дроссель нагружен на высокочастотный трансформатор, с вторичных обмоток которого снимаются
напряжения согласно спецификации АТХ: +5 В, -5 В, +12 В, -12 В, +3,3 В. Транзистор генератора работает в так
называемом ключевом режиме, поэтому в любой момент времени либо ток через него равен нулю, либо напряжение на
нем равно нулю, в итоге на ключевом транзисторе практически не выделяется мощности. Но все же некоторые потери
энергии происходят и в транзисторе, и в дросселе, и в трансформаторе, поэтому КПД импульсного блока питания обычно
находится в диапазоне 65-85%. В импульсном стабилизаторе регулирование напряжения осуществляется изменением
ширины импульсов, вырабатываемых генератором, то есть используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Стабилизатор сравнивает присутствующее на его выходе напряжение с образцовым и регулирует ширину
вырабатываемых импульсов так, чтобы эти два напряжения совпадали. Типовой импульсный стабилизатор имеет линию
обратной связи, идущую с выхода +5 В. Прочие выходные линии проходят через общий дроссель.
На блоке питания в видном месте должна быть наклейка с указанием названия тестовой лаборатории, выдавшей
сертификат безопасности и соответствия стандартам: UL, CSA, TUV, СВ, СЕ, VDE, FCC, FTZ, DEMKO, NEMKO,
FIMKO&SEMKO (какая именно, оговаривается в спецификации к блоку). На блоке питания помимо сетевого разъема
монтируются розетка для питания дисплея и выключатель. Для соединения блока питания с платой используется единый
24-контактный разъем, для питания HDD и ODD 4-контакный разъем. В стандарте АТХ оговорен также разъем, через
который с блока питания на плату подается информация о частоте вращения вентилятора, а с платы в блок питания —
сигнал управления вентилятором и контрольный уровень напряжения 3,3 В для более точной его стабилизации.
Билет №4.Система охлаждения компонентов компьютерной системы
Системы охлаждения классифицируются по способам отвода тепла:
- воздушные;
- на элементах Пельтье;
- водяные;
- криогенные.
Воздушные системы охлаждения основаны на передаче тепловой энергии от процессора к радиатору, имеющему гораздо
большую площадь поверхности, чем кристалл, через которую и отводится излишек тепла. Поверхность радиатора
обдувается воздушным потоком, создаваемым вентилятором.
Тепловые трубки способствуют эффективному теплоотводу от поверхности процессора, а по коэффициенту
теплопроводности в сотни раз превосходят обычные медные трубки. По принципу действия тепловые трубки во многом
схожи с термосифонами, в которых теплоотвод осуществляется за счет тепловой конвекции. Простейший термосифон
представляет собой полую, герметично закрытую трубку (например, из меди), внутри которой имеется небольшое
количество рабочей жидкости. Термосифон располагается вертикально, а конец с жидкостью помещается в область
повышенной температуры. При подводе тепла жидкость начинает превращаться в пар (зона испарения), который в
результате конвекции движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. При остывании пар конденсируется и по
стенкам термосифона под действием гравитационных сил стекает вниз. Для эффективного теплоотвода с помощью
такого термосифона необходимо обеспечить постоянный отвод тепла от зоны конденсации, что можно сделать с
помощью радиатора. То есть необходимо, чтобы всегда существовал градиент температуры и чтобы температура зоны
конденсации была достаточной для конденсации пара. Необходимо, чтобы теплоотвод осуществлялся при любом
положении трубки. Для этого возврат конденсата в зону испарения должен происходить не под действием
гравитационных сил, а вопреки их действию. Таким механизмом возврата служит капиллярный эффект в пористом
материале, который реализуется в тепловых трубках. Тепловые трубы, используемые для системы охлаждения процес-
соров, обычно изготавливаются из меди, а на их внутреннюю поверхность наносят слой пористого материала. В качестве
рабочей жидкости могут использоваться различные вещества, которые должны удовлетворять определенным условиям.
Во-первых, рабочая жидкость должна иметь точку фазового перехода «жидкость — пар» в требуемом диапазоне рабочих
температур. Во-вторых, жидкость должна обладать достаточно большой удельной теплотой парообразования, так как чем
выше удельная теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. В-третьих, жидкость должна обладать
достаточно высокой теплопроводностью, чтобы свести к минимуму перепад температур между стенкой трубки и
поверхностью испарения. В данном случае предпочтительнее использование жидкостей с высоким поверхностным
натяжением, поскольку такая жидкость обладает ярко выраженным капиллярным эффектом. При охлаждении
процессоров в качестве рабочей жидкости используют воду (диапазон рабочих температур от 30° до 200 °С) или ацетон
(диапазон рабочих температур от 0° до 120 °С). Капиллярно-пористый материал, используемый в тепловых трубках,
должен быть достаточно мелкопористым для улучшения капиллярного эффекта, однако слишком мелкопористая
структура будет препятствовать проницаемости жидкости. Выбор капиллярно-пористого материала зависит как от
рабочих температур, так и от общей длины тепловой трубки.
Системы водного охлаждения отводящие тепло от кристалла с помощью принудительной циркуляции охлаждающей
жидкости. Комплект такой системы обычно состоит из медного теплообменника, крепящегося к процессору, водяного
насоса, медного радиатора, вентилятора и соединительных силиконовых трубок. В качестве жидкости рекомендуется ис-
пользовать дистиллированную воду. Принцип работы системы предельно прост: насос прокачивает воду через
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
теплообменник, который закреплен на кристалле. Нагретая вода поступает в радиатор, где охлаждается за счет
увеличения поверхности рассеивания тепла и обдува воздухом, нагнетаемым вентилятором. Испытания показывают, что
эффективность системы водяного охлаждения на 35-40% выше, чем у типовых систем воздушного охлаждения. Однако
уровень шума, создаваемого насосом и вентилятором, достигает 48-50 Дб, причем в неприятном для слуха диапазоне.
Также к минусам следует отнести высокую стоимость данной системы.
Принцип работы элементов Пельтье основан на явлении термоэлектрической эмиссии. Отметим, что для охлаждения
процессора с рассеиваемой мощностью 50-60Вт потребуется элемент Пельтье не меньшей мощности, с потребляемым
током 10—15 А, который так поднимет температуру внутри корпуса, что прочим компонентам компьютера станет невмо-
готу. Кроме того, для охлаждения «горячей» стороны термопары нужен мощный вентилятор. Причем его выход из строя
грозит расплавлением и модуля Пельтье, и процессора, и материнской платы. Поэтому целесообразно использовать
элементы Пельтье для охлаждения процессоров с тепловыделением 20—25 Вт и ниже.
Криогенные учтановки работают по тому же принципу, что и бытовые холодильники. Поэтому состав таких систем
вполне предсказуем: компрессор, испаритель, радиатор (расширитель) и соединительные элементы. Фирма Asetek
выпускает корпуса модели Vapochill со встроенным криогенным охладителем на фреоне. Естественно, что испаритель
выполнен миниатюрным и охлаждает только кристалл процессора. В результате мощность, потреблемая криогенной
системой охлаждения, не превышает 50-70 Вт. Вместе с тем надо понимать, что фирма запрашивает за такую систему
столько денег, что их хватило бы на покупку настоящего домашнего холодильника. Серийного производства криогенных
систем пока не налажено. Каждый раз создается по сути уникальная, единичная конструкция, нацеленная на достижение
рекордных результатов в разгоне процессора.
Билет №5. Конструкция системных плат, форм фактор ATX.
Материнская (системная) плата является важнейшим компонентом персонального компьютера, выступая интегратором
для всех других компьютерных устройств. Совместно с процессором и оперативной памятью она образует платформу,
определяющую основные функциональные возможности компьютера и его производительность. Форм-фактор, или
типоразмер системной платы, определяет ее габариты, параметры электропитания, расположение монтажных элементов
(отверстий, клипсов), размещение разъемов различных интерфейсов и т. д.
Форм-фактор АТХ был предложен фирмой Intel в 1995 г. Особенности спецификации АТХ: размещение портов ввода-
вывода на системной плате; встроенный разъем типа PS/2; расположение IDE-разъемов и разъемов контроллера
дисководов ближе к самим устройствам (благодаря развороту платы, по сравнению с AT, на 90°); размещение гнезда про-
цессора в задней части платы, рядом с блоком питания (в последней версии — 24 контакта); использование единого 20-
контактного разъема питания. Предусмотрена возможность управления режимами работы блока питания со стороны
контроллера системной платы.
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
Рекомендации
специфи
кации
АТХ 2.3
системно
й
по размещению
компонентов платы
Билет №6. Конструкция системных плат, форм фактор BTX
Материнская (системная) плата является важнейшим компонентом персонального компьютера, выступая интегратором
для всех других компьютерных устройств. Совместно с процессором и оперативной памятью она образует платформу,
определяющую основные функциональные возможности компьютера и его производительность. Форм-фактор, или
типоразмер системной платы, определяет ее габариты, параметры электропитания, расположение монтажных элементов
(отверстий, клипсов), размещение разъемов различных интерфейсов и т. д.
Официальное представление спецификации The Balanced Technology Extended (ВТХ) 1.0 Public Release состоялось в июле
2004 г. Назначение ВТХ официально сформулировано следующим образом: спецификации разработаны с целью
стандартизации интерфейсов и определения форм-факторов для настольных вычислительных систем в области их
электрических, механических и термических свойств. Спецификации описывают механические и электрические
интерфейсы для разработки системных плат, шасси, блоков питания и других системных компонентов. Главные
преимущества форм-фактора ВТХ перед АТХ выглядят так:
- возможность применения низкопрофильных компонентов для сборки миниатюрных систем;
- продуманное размещение элементов системы внутри корпуса с учетом путей прохождения потоков воздуха и
термобаланса;
- масштабируемость в рамках доступных модификаций — полноформатного ВТХ, microBTX, picoBTX;
- возможность использования небольших блоков питания;
- оптимизированная конструкция крепления системной платы, качественные механические элементы для установки
массивных компонентов.
Билет №7. Конструкция системной платы, сокеты, слоты расширения
Материнская (системная) плата является важнейшим компонентом персонального компьютера, выступая интегратором
для всех других компьютерных устройств. Совместно с процессором и оперативной памятью она образует платформу,
определяющую основные функциональные возможности компьютера и его производительность. Ключевой элемент си-
стемной платы — набор микросхем системной логики (НМСЛ), который обеспечивает взаимодействие других
компонентов и функционирование базовых интерфейсов. Помимо НМСЛ системная плата содержит базовую систему
ввода-вывода (BIOS), цепи электрического питания компонентов, механические элементы для монтажа в корпус.
Основными параметрами системной платы являются:
• форм-фактор;
• поддерживаемый интерфейс процессора;
• тип и максимальный объем поддерживаемой оперативной памяти;
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
Рекомендации
специфи
кации
АТХ 2.3
системно
й
Размещение компонентов платформы ВТХ в
корпусе Tower
• поддерживаемые интерфейсы;
• тип и возможности BIOS.
Основные функции системной платы обеспечивают логические элементы, интегрированные в одной-двух микросхемах,
образующих набор микросхем системной логики. НМСЛ для настольных компьютеров в большинстве случаев
реализованы в двух микросхемах.
В качестве дополнительных параметров часто выступают встроенные графические, звуковые, коммуникационные
возможности.
Особого обсуждения требует процессорный разъем (Socket). Разъем для процессора — не просто механическое
устройство на системной плате. Спецификация разъема описывает не только его конструктив, но и электрические
параметры, и назначение контактов, предопределяет порядок взаимодействия с шинами данных, питания, особенности
работы с оперативной памятью и многие другие показатели.
Обычно системный набор создается конструкторами с ориентацией на конкретное семейство процессоров. То есть
обеспечивается поддержка определенного процессорного интерфейса. В это понятие включают тип разъема и системной
шины, электрические параметры (разводка контактов, напряжение питания ядра и блоков ввода-вывода процессора), воз-
можности BIOS по поддержке конкретных моделей процессоров.
Таблица Типы процессорных интерфейсов и соответствующие им модели процессоров
Тип итерфейса Модели процессоров
Slot 1 Intel Celeron, Intel Pentium II, Intel Pentium III (Deshutes)
Slot 1/1,65V* Intel Pentium III (Coppermine)
Slot 2 Intel Xeon
Slot A AMD Athlon
Socket 7 Intel Pentium MMX, AMD K6-2 (66 МГц), AMD K6-III (66 МГц)
SuperSocket 7 AMD K6-2 (100 МГц), AMD K6-III (100 МГц)
Socket 8 Intel Pentium Pro
Socket 370 Intel Pentium III (Coppermine), Intel Celeron, VIA C3
Socket 370 FC-PGA Intel Pentium III (Tualatin), Intel Celeron, VIA C3
Socket A AMD Duron, AMD Athlon, AMD Athlon XP, AMD Sempron
Socket 423 Intel Pentium 4 (Willamette), Intel Celeron
Socket 478 Intel Pentium 4 (Northwood), Intel Celeron
Socket 754 AMD Athlon 64 (Newcastle), AMD Sempron (Paris)
Socket 775 Intel Pentium 4 (Prescott), Intel Celeron-D
Socket 939 AMD Athlon 64 (Winchester), Athlon FX
Socket 940 AMD Opteron (SledgeHammer)
Билет №8. Набор микросхем системной логики (НМСЛ/чипсет). Параметры и
конструкция
Основные функции системной платы обеспечивают логические элементы, интегрированные в одной-двух микросхемах,
образующих набор микросхем системной логики. НМСЛ для настольных компьютеров в большинстве случаев
реализованы в двух микросхемах. Одна из них, традиционно называемая северным мостом, отвечает за поддержку
системной шины, шины памяти и шины графического контроллера. Вторая микросхема, традиционно называемая
южным мостом, поддерживает интерфейсы накопителей, устройств ввода-вывода и шины для подключения мультимедиа
и периферии.
а) Северный мост (North Bridge) отвечает за поддержку процессора, памяти и графической подсистемы. Параметры
северного моста определяют платформенную ориентацию (тип поддерживаемых процессоров и памяти) и
масштабируемость (возможность модернизации платформы без замены чипсета). Функционально северный мост
включает в себя следующие компоненты:
- интерфейс системной шины;
- интерфейс шины памяти и контроллер памяти;
- интерфейс межмостовой шины;
- интерфейс шины AGP или PCI Express16;
- контроллер питания;
- контроллер тактовых частот и системные часы.
б) Южный мост (South Bridge) содержит интерфейсы внутренних и внешних устройств, а также шин ввода \ вывода.
Группы интерфейсов:
- интерфейсы необходимые и достаточные (PCI – для подключения плат расширения, IDE-ATA \ ATAPI, USB – для
работы с внешними устройствами, АС’97 - аудио);
- интерфейсы для расширения функциональности (IEEE 1394, Ethernet);
- устаревающие интерфейсы (COM, LPT, PS/2, Game/MIDI, IrDA);
- интерфейсы, символизирующие будущее (SATA, PCI Express, Hyper Transport, SAS, SCSI);
- интерфейсы, передовые технические решения (Bluetooth, WiFi, ADSL, HOME PNA).
Конструктивно северный мост располагается ближе к процессору. Если повернуть системную плату так, чтобы панель
ввода \ вывода располагалась вверху, то северный мост будет находится выше южного.
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК
УПРАВЛЯЮЩИЙ
ЗАТВОР
ПЛАВАЮЩИЙ
ЗАТВОР
ДИЭЛЕКТР
ИК