ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยี CPU

Technical Term and consultant by Puntudis Thong. M.D

Without his kindly explaination ,this long article can not finish

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยี CPU

เรื่องเล่าสนุกๆ ก็คือ ปี 1961 Intel ออกชิป 4004 และประกาศว่าชิปขนาดเล็กๆ ตัวเดียวนี่แหละทำงานได้เทียบเท่าเครื่อง ENIVAC ที่ผลิตในปี 1946 ซึ่งใช้หลอดสูญญากาศ 18000 ตัว และเรื่องเขายังเล่าต่อไปว่า ที่มาของ 4004 นั้นเกิดจากบริษัทญี่ปุ่นรายหนึ่งต้องการให้ Moore และเพื่อนพ้องผลิตชิป 12 ชิป สำหรับเครื่องคิดเลข 1 เครื่อง แทนที่จะผลิต 12 ชิป Moore แจ้งว่าแค่ชิปเดียวก็ใช้งานได้ ปัจจุบัน Chip เดียว แต่ไม่ได้ทำงานแค่คิดเลขอย่างเดียว ทำมากกว่านั้นอีกหลายอย่าง และนั่นเขาเรียกว่า CPU หรือ หน่วยประมวลผลกลาง

CPU ทำหน้าที่อะไร

เพิ่มความเร็วในการประมวลผล

ขีดจำกัดของซีพียูความเร็วสูงกับประสิทธิภาพของการประมวลผล

โครงสร้างของซีพียู

-ข้อมูลเชิงเทคนิคของซีพียู

-โครงสร้างภายในซีพียู

อุปสรรคและแนวทางการพัฒนาซีพียูรุ่นใหม่ๆ

- ความร้อนภายในตัวซีพียู

- Internal, External Cache ปัจจัยแห่งความเร็ว

- External BUS Speed หรือ FSB

คาดการณ์ในอนาคต

ข้อมูลเพิ่มเติม

CPU ทำหน้าที่อะไร

CPU หรือ Central Processing Unit เป็นหัวใจหลักในการประมวลของคอมพิวเตอร์ โดยพื้นฐานแล้วซีพียูทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลเชิงคณิตศาสตร์และข้อมูลเชิงตรรกะเท่านั้น แต่ทำไมการคำนวณขนาดนี้ ต้องมีการพัฒนาซีพียูกันไม่หยุดหย่อน

ย้อนกลับไปปี 1946 คอมพิวเตอร์ยุคแรกที่มีชื่อที่พอจะจำได้ก็คือ ENIVAC นั้นทำงานโดยใช้หลอดไดโอด ซึ่งสถานะการทำงานของหลอดพวกนี้ มีสองอย่าง คือ 1 กับ 0 จะมีค่าเป็น 1 เมื่อมีกระแสไหลผ่านและเป็น 0 เมื่อไม่มีกระแสไหลผ่าน นั่นจึงเป็นเหตุผลให้คอมพิวเตอร์ใช้เลขฐาน 2 ในการคำนวณ ครั้นต่อมาวิทยาการก้าวหน้าขึ้นเรื่อยๆ จากหลอดไดโอดก็พัฒนาเป็นทรานซิสเตอร์ และจากทรานซิสเตอร์ก็พัฒนาเป็นวงจรขนาดเล็ก ซึ่งรู้จักกันในชื่อของ IC และในที่สุดก็พัฒนาเป็น Chip อย่างที่เรารู้จักกันมาจนปัจจุบันนี้

สิ่งที่ผู้ผลิตซีพียูพยายามเพิ่มก็คือ ประสิทธิภาพในการประมวลผลของซีพียู เมื่อกล่าวถึงซีพียูและการประมวลผล สิ่งหนึ่งที่เราต้องเข้าใจคือภายในซีพียูไม่มีหน่วยเก็บข้อมูลสำหรับเก็บข้อมูลปริมาณมากๆ และซีพียูในยุคแรกๆ ก็ไม่มี Cache ด้วยซ้ำไป ปัจจัยที่มีผลต่อความเร็วของซีพียูก็คือ ความเร็วในการประมวลผลและความเร็วในการโอนย้ายข้อมูล ซีพียูในยุคแรกๆ นั้นประมวลผลด้วยความเร็ว 4.77 MHz และมีบัสซีพียู (CPU BUS) ความกว้าง 8 บิต เรียกกันว่าซีพียู 8 บิต (Intel 8080 8088) นั้นก็คือซีพียูเคลื่อนย้ายข้อมูลครั้งละ 1 ไบต์ ยุคต่อมาเป็นซีพียู 16 บิต 32 บิต และ 64 บิต ปัจจุบันโดยเฉพาะซีพียูรุ่นใหม่ๆ เคลื่อนย้ายข้อมูลครั้งละ 128 บิต ในการเคลื่อนย้ายข้อมูลนั้น เกิดขึ้นจากการควบคุมสัญญาณนาฬิกา ซึ่งนับสัญญาณเป็น Clock 1 เช่น ซีพียู 100 MHz หมายความว่าเกิดสัญญาณนาฬิกา 100 ครั้งต่อวินาที

เพิ่มความเร็วในการประมวลผล

เมื่อภายในคอมพิวเตอร์ไม่ได้มีองค์ประกอบหลักเฉพาะซีพียูเท่านั้น แต่มีอุปกรณ์นำข้อมูลเข้า (Input Devices) และอุปกรณ์รับข้อมูลหรือผลลัพธ์ (Output Devices) โดยมีหน่วยความจำหลัก (RAM = RANDOM Access Memory) เป็นตัวประสานงาน ระหว่างที่มีการประมวลผล จะมีข้อมูลเป็นปริมาณมากถูกส่งเข้าซีพียู และหลังจากประมวลผลเสร็จแล้ว ซีพียูก็ส่งข้อมูลออกอีก การประมวลผลของซีพียูจึงเกี่ยวข้องกับความเร็วและการขนส่งข้อมูลระหว่างซีพียูและอุปกรณ์รอบข้าง หลักของการขนส่งให้มีประสิทธิภาพก็คือ บรรทุกวัตถุหรือสิ่งของต่อ 1 เที่ยวรถบรรทุกให้ได้มากที่สุด ถนนกว้างหลายเลนก็ทำให้รถส่งของวิ่งไปได้พร้อมกันคราวละหลายๆคัน ในการประมวลทางคอมพิวเตอร์แล้วซีพียูก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยดังกล่าวเช่นกัน

ขีดจำกัดของซีพียูความเร็วสูงกับประสิทธิภาพของการประมวลผล

เมื่อเทียบประสิทธิภาพระหว่างซีพียูและบัสหน่วยความจำ (Memory BUS) โดยคิดเทียบความเร็วของ PCI 66 เมกะเฮิร์ต ความกว้างบัส 32 บิต (4 ไบต์) จะสามารถส่งข้อมูลได้สูงสุด 200 เมกะไบต์/วินาที (66 MHz x 4 Byte) ซึ่งเป็นค่าสูงสุดทางทฤษฎี ซึ่งในความเป็นจริงจะได้แค่ 132 MB/sec เพราะเวลาของ overhead แต่ถ้าหากมองไปที่ซีพียู ซึ่งสมมุติเป็น 80486 DX2 66 MHz สามารถประมวลได้ 400 MBytes/sec (66Mhz x 8 bytes) จะมองเห็นว่าลำพังซีพียูและหน่วยความจำหลักนั้น การประมวลผลของซีพียูจะมีประสิทธิภาพกว่าการส่งข้อมูลจากบัสหน่วยความจำหลักมาก นั่นก็คือ ซีพียูจะต้องรอจนให้ข้อมูลถูกส่งมาจากหน่วยความจำหลัก

เริ่มจากสมัยเมื่อสามสิบปีก่อนหน้านี้ IBM ได้สาธิตการใช้เมนเฟรมที่สามารถประมวลได้เร็วกว่า หากมี "Cache Memory" ซึ่งเป็นหน่วยความจำประเภทความเร็วสูง สำหรับเก็บข้อมูลและคำสั่งที่มักถูกเรียกใช้งานโดยซีพียูบ่อยๆ ซึ่งหากคำสั่งหรือข้อมูลดังกล่าวอยู่ในแคช ก็จะสามารถเรียกมาใช้งานได้เร็วกว่า Intel 486 มีแคช 8 กิโลไบต์ ซึ่งเป็นแคชระดับ 1 (Level 1 cache หรือเรียกอีกชื่อว่าแคชภายใน (Internal Cache) ที่เรียกว่าแคชภายใน เพราะอยู่ภายในตัวซีพียูนั่นเอง และแคชระดับสอง (Second Level Cache) หรือแคชภายนอก (External Cache) ที่เรียกว่าแคชภายนอก เพราะเป็นแคชที่ติดตั้งลงบนเมนบอร์ดนั่นเอง แคชนี้จะมาช่วยทำให้การประมวลของซีพียูเร็วขึ้น ทั้งแคชภายในและภายนอก จะเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า หน่วยความจำสแตติก (Static Memory) ซึ่งหากเป็นแคชภายใน จะมีบัสความกว้างเท่ากับซีพียูและทำงานที่ความเร็วเท่ากับซีพียูด้วย ส่วนแคชภายนอกยังคงทำงานที่ความเร็วบัสของหน่วยความจำไดนามิก (66 MHz) และมีความกว้างของบัสเท่ากับหน่วยความจำไดนามิก แต่ข้อได้เปรียบของ External Cache ก็คือ มี BUS Memory Address แยกออกมาต่างหากและมีอัตราการเข้าถึงข้อมูลต่ำกว่า (5 - 15 ns) นอกจากจะได้ Internal Cache กับ External Cache มาช่วยให้การประมวลผลมีประสิทธิภาพมากขึ้น สถาปัตยกรรมของ Branch Prediction ซึ่งช่วยในการพยากรณ์ล่วงหน้ามา ลำดับขั้นต่อไปของคำสั่งที่จะถูกนำมาประมวลนั้นคืออะไร เพื่อจะได้จัดเตรียมข้อมูลเข้ามาให้พร้อม นอกจากนี้ซีพียูสมัยใหม่ บางรุ่นยังใช้หลักการของ Pipeline , SuperScalar เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการประมวลข้อมูล Pipeline ช่วยในการเพิ่มความเร็วในการโอนถ่ายข้อมูล ขณะที่ SuperScalar ทำให้การประมวลของซีพียูมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ทั้ง Internal , External Cache , Branch Prediction ที่ทำให้การประมวลผลข้อมูลเร็วขึ้นนั้น ล้วนแล้วแต่มีที่มาจากการพัฒนาเทคโนโลยีแทบทั้งสิ้น

ขนาดเล็ก กินไฟน้อย ประสิทธิภาพสูง เป็นเป้าหมายของการออกแบบซีพียูในขั้นต้น

โครงสร้างของซีพียู

หลายๆ คนอาจจะสงสัยว่าที่จริงแล้วซีพียูประกอบด้วยอะไร และมีโครงสร้างอย่างไร เมื่อจับตัวซีพียูมาดู เราจะพบว่ามันมีรูปร่างแบบนี้

ด้านบนหรือด้าน Label ของซีพียู ขึ้นอยู่กับยี่ห้อ ข้อมูลที่แสดงไม่เหมือนกัน Intel ไม่มีข้อมูลอะไรมากนัก

ด้านล่างของซีพียู ที่เห็นเป็นสีทองๆ คือ ขา (PIN) การแสดงข้อมูลขึ้นกับยี่ห้อเช่นเดียวกัน

-ข้อมูลเชิงเทคนิคของซีพียู

มีข้อมูลเชิงเทคนิคของซีพียูใดบ้างที่ผู้ผลิตซีพียูมักนำเสนอ? ประการแรกก็คือ ใช้ทรานซิสเตอร์กี่ตัว เป็นซีพียูแบบกี่ไมครอน ใช้กระแสไฟฟ้าเท่าไร ความเร็วเท่าไร และท้ายที่สุดออกแบบมาสำหรับความเร็วบัสเท่าไร ทั้งหมดที่กล่าวมานี้ต่างก็เป็นปัจจัยที่นำมาเพื่อพิจารณาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการผลิตซีพียูแทบทั้งสิ้น

- โครงสร้างภายในซีพียู

การออกแบบซีพียูนั้น ผู้ออกแบบจะคำนึงถึงประสิทธิภาพของซีพียูก่อน ซีพียูที่มีประสิทธิภาพสูงๆ หรือมีความเร็วสูงๆ ต้องการปริมาณทรานซิสเตอร์เพื่อใช้ในการทำงาน ประกอบเป็นหน่วยประมวลผลด้วย จำนวนทรานซิสเตอร์ในซีพียูครั้งหนึ่งเคยเพิ่มขึ้นตามกฎของมัวร์ (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 ตัว AMD K6-3D มีกว่า 9.1 ล้านตัว เจ้าทรานซิสเตอร์นี้เรียงตัวอยู่ที่ไหน ทรานซิสเตอร์ที่ว่านี้เกิดจากสารกึ่งตัวนำ(เซมิคอนดัคเตอร์) ประเภท P และ N มาประกอบกัน สารประกอบกึ่งตัวนำเหล่านั้นถูกจับอัดลงอยู่บนเวเฟอร์ (Wafer)

เวเฟอร์ก็คือแผ่นซิลิกอนที่นำเอามาทำชิป ลักษณะแผ่นกลมๆ บางๆ เหมือนโรตี (จึงไม่น่าแปลกใจว่าในวงการไมโครชิปและพวกชิปต่างๆ ความสำเร็จในเทคโนโลยีใหม่ๆ จะขึ้นอยู่กับ Silicon Technology เสมอ เวเฟอร์ที่ดีย่อมได้มาซึ่งชิปที่ดี เวเฟอร์เหล่านี้ถูกผลิตจากโรงงานผลิต เรียกชื่อกันย่อๆว่า FAB (Semiconductor - manufacturing Facility) 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
6.1	Pentium II	233-400	134,000	0.35

สิ่งที่วิศวกรผู้ผลิตชิปต่างก็ให้ความสนใจก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์ควรมีขนาดเล็ก กินกระแสไฟฟ้าต่ำ และสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้จำนวนมากตัว ทำให้เกิดการสร้างซีพียูที่ขนาด Conductive Layer ต่ำๆ จากซีพียูแบบ .52 .47 ไมครอนมาเป็นซีพียูขนาด .35 ไมครอน (Pentium , Pentium MMX , AMD K5 , Cyrix M1,M2) และปัจจุบัน .25 ไมครอน (AMD K6 , Pentium II) ปัจจุบันมีห้องทดลองหลายแห่งประกาศว่าสามารถผลิตชิปที่มี Conductive Layer ขนาด .20 ไมครอนได้ การที่ conductive channel ซึ่งเป็น"ช่อง"ที่ต่อระหว่างสาร dope ตระกูลเดียวกันเล็กลงทำให้สัญญาณเดินทางได้เร็วขึ้น และในชิปหนึ่งอันบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากตัวขึ้น

อย่างไรก็ตาม เพียงแค่ชิปหนึ่งชิปนั้นบรรจุทรานซิสเตอร์ได้จำนานมากไม่เพียงพอ วิธีการที่จะทำให้ซีพียูมีขนาดเล็กแต่บรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายตัวก็คือ การวางชิปซ้อนกัน แต่การวางซ้อนกันนั้น จะต้องมีองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องก็คือ สายสัญญาณระหว่างชิป และแผ่นซีลิกอนอ๊อกไซด์เพื่อคั่นระหว่างชิป ในขั้นตอนนี้ยังมีกระบวนการเตรียมอีกหลายขั้น เมื่อเสร็จแล้ว จะเกิดชิปซ้อนกันเป็นชั้นๆ เรียกว่า metal layer ชิปรุ่นใหม่ๆ ปัจจุบันมี 4-5 เลเยอร์ ในอนาคตคาดว่าจำนนชั้นจะมากขึ้น metal layer เป็นเส้นสายโลหะซึ่งชิปรุ่นก่อนและชิปรุ่นปัจจุบันยังคงใช้อะลูมิเนียมเป็นตัวเชื่อมสัญญาณระหว่างชั้น ปัญหาก็คือ อลูมิเนียมนั้นเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดีนักและรีดเป็นเส้นขนาดเล็กได้ไม่ดีเท่ากับทองแดง การใช้ทองแดงเป็นสายสัญญาณจึงเป็นการพัฒนาอีกขั้นหนึ่งที่บรราดาผู้ผลิตซีพียูต่างก็กล่าวถึง โดยผู้ผลิตซีพียูหลายรายกล่าวว่า หากใช้ทองแดงทำแทน 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 กิโลไบต์

ในที่สุดแคชก็เป็นอีกส่วนหนึ่งที่ผู้พัฒนาซีพียูเห็นความสำคัญและพัฒนา 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 แต่เป็นที่น่าสังเกตว่ายังไม่มีผู้ผลิตซีพียูรายใด ผนวกแคชระดับสองเข้าไปในซีพียู เพราะปัญหาเรื่องความร้อนและขนาดของชิปจะใหญ่ขึ้น ถึงแม้เพนเทียม ทู และเพนเทียมโปรของ Intel ก็ทำได้แค่ย้ายตำแหน่งของแคชระดับสองเข้าไปใกล้ตัวซีพียูเท่านั้นเอง ไม่ถึงกับอยู่ในแผ่นเวเฟอร์เดียวกัน

- External BUS Speed หรือ FSB (Front Side BUS)

จากเมนบอร์ดความเร็ว 50 60 66 MHz มาสู่ความเร็ว 75/83 MHz แต่ก็ดูเหมือนว่า ความเร็วขนาดนั้นยังไม่เพียงพอต่อการประมวลผลของซีพียู

จากตัวอย่างที่แสดงให้ดูข้างบน 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 ออกมาสนับสนุน

ทำไมต้อง 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

คาดการณ์ในอนาคต

คงไม่ได้เป็นการกล่าวเกินไปที่ว่าอีกไม่เกินปี 2000 เราจะมีโอกาสได้เห็นซีพียูความเร็ว 1000 MHz หรือ 1 กิกะเฮิร์ต หรือซีพียูที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์เกิน 13 ล้านตัว หรือซีพียูที่ใช้เทคโนโลยี .15 ไมครอน.. แต่ขอให้เป็นเพียงความก้าวหน้าในเทคโนโลยีซีพียูเถอะ ในด้านผู้ใช้งานหรือการใช้งาน.. ผมไม่แน่ใจว่าผมควรกล่าวคำนี้หรือไม่.. พร้อมหรือยังที่จะสัมผัสความเร็วระดับนั้น

ภาษาอังกฤษวันละคำ - CPU

แนวทางการเลือกซื้อซีพียู

บนเส้นทางไมโครโปรเซสเซอร์ความเร็วสูง

พิมพ์ครั้งแรก 7 กรกฎาคม 2541