Как устроен центральный процессор
Процессор — это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. Является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами. Современный микропроцессор — это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводков. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.
У процессора есть:
Тактовая частота процессора
Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах – количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Да, эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы вашего ПК, но производительность зависит далеко не только от неё. Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота. Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.
Разрядность процессора
Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может производиться машинная операция передачи информации.
Размерность технологического процесса
Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). С уменьшением размера уменьшается выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.
Сокет (разъем)
Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.
- PGA (Pin Grid Array) – корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты
- BGA (Ball Grid Array) – шарики припоя
- LGA (Land Grid Array) – контактные площадки
- Выработка
- Дешифрование
- Выполнение команды
- Обращение к памяти самого процессора
- Сохранение результатов
Кэш-память процессора
Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик, на которую стоит обратить внимание при выборе. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Этот вид памяти делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 — самый маленький и быстрый, L3 — самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.
Энергопотребление и тепловыделение
Чем выше энергопотребление процессора, тем выше его тепловыделение. TDP (Thermal Design Power) – параметр, указывающий на то количество тепла, которое способна отвести охлаждающая система от определенного процессора при наибольшей нагрузке. Значение представлено в ваттах при максимальной температуре корпуса процессора. ACP (Average CPU Power) – средняя мощность процессора, показывающая энергопотребление процессора при конкретных задачах.
Рабочая температура процессора
Наивысший показатель температуры поверхности процессора, при котором возможна нормальная работа (54-100 °С). Этот показатель зависит от нагрузки на процессор и от качества отвода тепла. При превышении предела компьютер либо перезагрузится, либо просто отключится. Это очень важная характеристика процессора, которая напрямую влияет на выбор типа охлаждения.
Множитель и системная шина
Front Side Bus – частота системной шины материнской платы. Тактовая частота процессора является произведением частоты FSB на множитель процессора. У большинства процессоров заблокирован разгон по множителю, поэтому приходится разгонять по шине.
Встроенное графическое ядро
Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.
Количество ядер (потоков)
Многоядерность одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Не так давно процессоры были одноядерными, их производительность на то время была достаточно хорошой, и не требовала увеличения мощности, когда процессоры уже уперлись в какой-то “потолок”. На замену одноядерным пришли процессоры с 2, 4 и 8 ядрами. Если 2 и 4-ядерные вошли в обиход очень быстро, процессоры с 8 ядрами пока не так востребованы. Для использования офисных приложений и серфинга в интернете достаточно 2 ядер, 4 ядра требуются для САПР и графических приложений, которым просто необходимо работать в несколько потоков. Что касается 8 ядер, очень мало программ поддерживают так много потоков, а значит, такой процессор для большинства приложений просто бесполезен. Обычно, чем меньше потоков, тем больше тактовая частота. Из этого следует, что если программа, адаптированная под 4 ядра, а не под 8, на 8-ядерном процессе она будет работать медленнее. Но этот процессор отличное решение для тех, кому необходимо работать сразу в большом количестве требовательных программ одновременно. Равномерно распределив нагрузку по ядрам процессора можно наслаждаться отличной производительностью во всех необходимых программ. В большинстве процессоров количество физических ядер соответствует количеству потоков: 8 ядер – 8 потоков. Но есть процессоры, где благодаря Hyper-Threading, к примеру, 4-ядерный процессор может обрабатывать 8 потоков одновременно.
Как это работает
Сам процессор представляет собой небольшую квадратную пластину (чип), внутри которой находятся миллионы транзисторов. Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру. Современные процессоры, как и первый, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие – операционную и операндную. Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра, которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:
Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти. Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления). Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают основные задачи: математические действия на основе арифметико-логического устройства; перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой; принятие решения по исполнению команды, и на его основе – выбор переключения на выполнения других наборов команд. Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ) В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт. Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя. Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще. Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор – «умирает» вся компьютерная система.
История создания. Дальнейшее развитие процессоров
В настоящее время технология развивается стремительно, каждый год появляется несколько новых микропроцессоров. Однако факторы, влияющие на это развитие, известны. Зная эти факторы, довольно уверенно можно предсказывать и основные пути развития процессоров в ближайшем будущем. Нам необходимо, выявить основную цель развития процессоров, определить ограничения, которые накладываются на процессоры, оценить существующие современные подходы построения микропроцессоров.
Устремления и ограничения — общая цель, которую стремятся достичь все разработчики микропроцессоров – получить процессор максимальной производительности с наименьшими затратами как в разработке, так и в производстве. При этом процессор должен быть как можно более универсален. Лишь при достаточно большой массовости производства можно разделить все расходы по разработке модели на такое количество выпущенных экземпляров, что цена одного процессора будет иметь разумный размер. Если же процессор найдет весьма узкое применение, то львиную долю его стоимости будут составлять расходы по собственно разработке процессора, а не расходы по его производству. Именно поэтому так дороги уникальные серверные и процессорные платформы, применяемые для нужд обороны и прочих малораспространенных задач. В общем случае, расходы по разработке, скажем, новой модели Celeron и какой-либо сложной специализированной структуры весьма сопоставимы. Однако цена специализированной системы будет превышать цену обычной в десятки раз.
Проще всего создать процессор, оптимизированный под одну-единственную задачу. В рамках этой задачи можно достичь пика производительности для данной элементной базы. Но в связи с универсальностью происходят потери в производительности. Борьба противоположных требований, при всей своей простоте, является основным фактором влияния. Другим фактором, является удобство применения процессора для разработки приложений. При разработке любого сложного проекта на каком-то этапе сама технология производства оказывается делом первостепенной важности. Качественная реализация проекта оказывается невозможной без применения специальных средств для контроля за качеством производимых программных продуктов. Именно в этом заключаются корни популярности объектно-ориентированного подхода в языках высокого уровня. В той же мере и на уровне машинных кодов удобство системы команд может оказывать большое влияние на качество работы. Чем удобнее окажется процессор для разработчиков, тем больше будет выпущено программных продуктов именно для этой платформы, и тем привлекательней окажется эта платформа для конечных пользователей. Процессор должен обладать максимальной производительностью, при этом он должен сохранять свою относительную универсальность, обеспечивающую массовость производства. Также процессор должен быть достаточно удобен для разработки сложных приложений. С учетом всех этих требований можно рассматривать ныне существующие модели, оценивать их перспективность и, до некоторой степени, предсказывать их дальнейшее развитие.
Самым существенным фактором, влияющим на архитектурные решения современных процессоров, является постоянное совершенствование технологии производства. Как следствие,- рост уровня интеграции, уменьшение задержек в транзисторах и связях, снижение энергопотребления при переключении транзистора.С ростом уровня интеграции увеличиваются ресурсы на кристалле и повышается тактовая частота работы, что позволяет повышать производительность процессоров. Первое направление связано с увеличением объёма внутренней кэш-памяти. Второе направление связано с реализацией в процессорах принципов конвейеризации и параллельной обработки в нескольких конвейерах на разных стадиях выборки и выполнения команд.
Практически все накопленные в процессе конкуренции различных фирм архитектурные решения находят своё воплощение в новых архитектурах. В архитектуре современных процессоров различных производителей много общего, и ставится вопрос об унификации архитектур. Современный процессор – это 64-разрядный суперконвейерный, суперскалярный процессор с RISC-операционным ядром и большим числом дополнительных блоков, реализующий динамическое исполнение команд. Для эффективной обработки данных мультимедиа и графики система команд современных процессоров расширяется за счёт специализированных команд мультимедийной обработки.
Для унификации структур обработки данных в структуры некоторых современных процессоров включают специальные преобразователи исходных кодов команд во внутренние машинные команды «исполнительного процессора». Масштабные исследования ведутся по созданию процессорных элементов и компьютеров в целом с использованием принципиально иной элементной базы: биполярных молекул, молекул ДНК, квантовых кубитов и света.
Что такое тактовая частота процессора? Немного о гигагерцах.
О дним из самых главных параметров, которые могут рассказать о мощности процессора является его «тактовая частота». Чтобы было более понятно, давайте рассмотрим, что такое «такт», как он возникает и каким образом определяется тактовая частота процессора.
Тактом называется промежуток времени между двумя последовательными импульсами, которые подаёт «генератор тактовых частот» (ГТЧ) — (произошло от англ. «clocker, clock generator») специальная микросхема, которая формирует тактовые частоты для процессора и материнской платы.
«ГТЧ» посылает специальные импульсы, которые проходят через все части архитектуры компьютера и синхронизируют их работу. Чем чаще он генерирует тактовые импульсы, тем выше быстродействие компьютера.
Вот такое удивительное устройство, без которого невозможна нормальная работа компьютера. Прикиньте сами, насколько медленнее будет работать компьютер, если все его части будут реагировать на команды пользователя в разное время – такая работа не понравится никому.
Тактовую частоту измеряют в мега (МГц) и гигагерцах (ГГц), 1МГц равен 1000000 тактов в сек., а 1ГГц равен тысяче МГц. Может быть, в скором времени появятся процессоры в 1 ТГц (терагерц — 1000 ГГц).
Каждая производимая операция занимает какое-то количество тактов. Поэтому чем выше тактовая частота процессора, тем быстрее он выполняет задачу или задачи.
При производстве процессора его тестируют на различных режимах тактовой частоты при изменяющихся температурах и давлении. Результатом тестов и является максимальная тактовая частота процессора, которая будет указана в маркировке и документации. То есть с такой тактовой частотой процессор будет работать в стандартных условиях.
На любой современной материнской плате можно регулировать возможность выбора тактовых частот в определенных пределах. Однако в целом любой процессор может работать на различных тактовых частотах, поэтому он легко синхронизируется с частотой материнской платы, в которую будет установлен.
Эта информация не исчерпывающая, но я надеюсь, что она позволила вам понять суть такой характеристики, как «тактовая частота» и вы больше не будете теряться в догадках, что она означает.
Гигагерцы в ноутбуке, насколько они играют роль, как параметр?
Гигагерцы — это параметр скорости "соображалки" процессора. Чем больше этих гигагерц, тем быстрее думает комп. Но вот есть некие границы. Например, для работы в Инете вполне пойдет скорость от 1,6 до 2 гигагерц при двухядерном процессоре. А вот для игры в крутые игры хотелось бы "соображалку" побыстрее, например, от 2,4 гигагерц и выше при четырехядерном процессоре.
Все зависит от задач, которые вы решаете.
PS Я намеренно не затрагивал другие части компьютера, ибо вопрос был про процессор.
Гигагерцы играют роль, как параметр, не только в ноутбуке, но и в компьютере.
В Гигагерцах прежде всего измеряется рабочая частота процессора: чем она больше, тем быстрее работает процессор. При этом следует учитывать, что компьютер с такими же параметрами работает быстрее ноутбука.
Когда я попробовал поработать на нетбуке своей племянницы с процессором Intel Atom с частотой 1,6 Гигагерц, то это была не работа, а издевательство! Всё то и дело зависало! Нетбук работал медленно.
А вот в моём ноутбуке процессор двухядерный Intel Core i5 с частотой 2,5 Гигагерц — этот работает гораздо быстрее!
При выборе ноутбука я не стал бы покупать его с процессором ниже 2,2 Гигагерц. Иначе это может оказаться не ноутбук, а "тормоз"!
На быстродействие также могут влиять и Гигабайты — оперативную память следует ставить не менее 4 Гигабайт. Ещё способ повысить быстродействие ноутбука — заменить обычный жёсткий диск на твердотельный диск SSD.
Но 2 последних параметра в вопросе не затронуты, поэтому я упомянул о них вкратце.
P.S. В моём ноутбуке Lenovo G-580 установлено 8 Гигабайт оперативки и диск SSD. О процессоре я написал выше. Замена ОЗУ и жёсткого диска ещё больше подняла его быстродействие.
Всё относительно. Есть такая точка зрения, что в ноутбуке гигагерцы являются "обратным параметром". То есть, чем больше гигагерц, тем хуже для экономичности.
Что такое ноутбук? — Это портативный компьютер, который таскают с собой для решения оперативных вычислительных задач. И чем экономичнее энергопотребление ноутбука, тем больше часов он проработает после зарядки его аккумулятора. А экономичность находится в обратной зависимости от частоты процессора — чем выше частота, тем ниже его экономичность и тем быстрее он разрядит аккумулятор. Кроме процессора (его частоты, модели), другие компоненты тоже играют важную роль в экономичности энергопотребления. Поэтому и говорят, что все относительно, что надо выбирать ноутбук применительно к своим задачам.
Конечно, это всего одна из точек зрения. Есть и другие, например ноутбук покупается для игр дома и изредка для мобильных применений. Тогда на первый план выступает не его экономичность, а соответствие его параметров для тех игр, которые будут установлены на нем. И, уж конечно, чем выше скорость работы процессора, его рабочая частота, тем лучше будет для игр.
Интересные цифры. Как росла частота процессоров
Процессоры для персональных компьютеров прошли огромный путь с 70-х годов прошлого века и до наших дней. Давайте вспомним самые интересные процессоры и то, как росла их тактовая частота год за годом, от 2-4 МГц в 70-х и до 5000 МГц в 2019 году.
Что значат "МГц" процессора?
Тактовая частота процессоров — это одна из их главных характеристик. Она характеризует производительность процессора, через количество выполняемых операций в секунду. Однако процессоры с одной и той же тактовой частотой нельзя сравнивать "в лоб", они могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться различное количество тактов.
Яркий пример — процессоры AMD и Intel, иногда отличающиеся по частотам на 30-40% при сопоставимой производительности.
70-е годы
В конце 70-х годов прошлого века произошел бурный рост рынка процессоров для домашних компьютеров. В те годы еще не были оформлены стандарты компьютерных платформ и каждый производитель старался создать уникальный компьютер. Еще в 1974 году компания Intel выпустила 8-битный микропроцессор Intel 8080, работающий на частоте от 2 до 4 МГц.
Другие производители не заставили себя долго ждать, Motorola представила процессор 6800, работающий на частоте 2 МГц, а годом спустя компания MOS Technology выпускает процессор 6502 с частотой лишь 1 МГц.
В 1976 году на рынок был выпущен процессор Zilog Z80 с частотами от 2,5 до 8 МГц. Это был уже серьезный прирост частоты.
Несмотря на то, что названия этих процессоров мало что говорят современному пользователю ПК, на них была построена масса популярных компьютеров и игровых приставок: микрокомпьютер Altair-8800, Dendy (Nintendo Entertainment System), Apple I, Apple II, Commodore PET и популярнейший Sinclair ZX-Spectrum.
В 1978 году компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086 с частотами 4 МГц — 10 МГц, его можно назвать прадедушкой процессоров, работающих в наших ПК и основателем платформы PC компьютеров.
80-е годы
Далее произошел скачек производительности процессоров с выходом Intel 80286 в 1982 году. Он работал на невысоких частотах — от 6 МГц, до 12,5 МГц. А вот последующий за ним Intel 80386 в 1985 году принес большой рост и производительности, и частоты, которая доходила до 40 МГц. AMD уже тогда выпускала конкурентов — процессор Am386DX на 40 МГц.
В 1989 году выходит Intel 80486 с частотами 25 МГц — 50 МГц.
90-е годы
Знаменитые процессоры Pentium, на базе архитектуры P5, выходят в 1993 году с частотами 60 МГц или 66 МГц и достигают огромных, по тем меркам, частот в 100-233 МГц у Pentium MMX, к концу 90-х годов. Параллельно развиваются процессоры PowerPC, DEC Alpha и некоторые другие, но они мало интересны пользователям ПК.
Постепенно накапливающиеся технологические и инженерные успехи приводят в 1995 году к смене архитектур и на рынок выходит архитектура P6 — CISC-платформа с RISC-ядром. На ней работает знакомый многим Pentium II, вышедший в 1997 году и имевший частоты до 450 МГц. А Pentium III, пришедший ему на смену в 1998 году, уже работал на частоте от 600 МГц (ядро Katmai), до 1130 МГц на ядре Coppermine в 1999 году.
1000 МГц был впечатляющей планкой в 1999 году и перепрыгнуть ее первой старались и Intel и AMD. AMD выпустила новейший процессор Athlon, работающий на частоте 1000 МГц, 6 марта 2000 года и первой покорила рубеж 1000 МГц. Intel не хватило всего 2 дня для победы, она выпустила процессор Pentium III с частотой 1000 МГц 8 марта 2000 года.
2000-е годы
В 2001 году процессоры Pentium III получили ядро Tualatin и частоты до 1400 МГц. У AMD в это время были очень удачные процессоры Athlon и Duron на ядре Thunderbird с частотами до 1400 МГц. Поскольку частоты перевалили за 1000 МГц, теперь проще называть их гигагерцами (ГГц).
Дальше началась захватывающая война между Pentium 4 от Intel и Athlon XP от AMD. Pentium 4 начал с 1.4 ГГц в 2000 году и быстро дошел до 2 ГГц в 2001 году. Athlon XP в 2001 году смог покорить 1,6 ГГц. Так как производительность на МГц у него была выше, AMD ввела так называемый P-рейтинг, который показывал производительность процессоров Athlon XP относительно сопоставимого по мощности процессора Pentium 4 от Intel. Поэтому модель с реальной частотой 1.6 ГГц имела обозначение 1900+.
В 2002 году Pentium 4 достигли частот 3 ГГц, в 2003 — 3.2 ГГц, в 2004 — 3.4 ГГц, в 2005 — 3.8 ГГц. На этом диапазоне частот хотелось бы заострить внимание, во-первых, заметно резкое замедление прироста частот. Процессоры уперлись в технологический потолок, даже сейчас большинство выпускаемых моделей имеют частоты из диапазона 3.2-3.8 ГГц, а ведь достигнуты они были 15 лет назад.
С трудом современные массовые процессоры перевалили потолок в 4 ГГц и сейчас штурмуют 5 ГГц. Intel Core i9-9900KS — первый процессор, который с заводскими настройками работает на частоте 5 ГГц по всем ядрам.
В 2006 году процессор Intel Pentium D960 работал на частоте 3.6 ГГц, Athlon 64 FX-60 на ядре Toledo, на 2.6 ГГц. Гонка частот практически остановилась.
Последующие Core 2 Duo и Core 2 Quad работали все на тех же частотах, что и предшественники. Процессоры Intel Core i3/i5/i7 на микроархитектуре Bloomfield, Gulftown, Sandy Bridge, Ivy Bridge, тоже работали на частотах до 4 ГГц.
2010-е годы
У AMD сменились процессоры Athlon 64 X2, Athlon II, Phenom, Phenom II, не выходя за рамки 4 ГГц. В 2011 году процессоры на архитектуре Bulldozer смогли в турбобусте покорить частоты выше 4 ГГц. У Intel первыми это смогли сделать Core i7 4790K, на ядре Haswell, в 2014 году.
AMD и Intel вели жестокую борьбу за рынок процессоров и цифра 5 ГГц была очень важна. Битва за нее развернулась нешуточная, и победила в ней AMD с FX-9590 на ядре Vishera в 2013 году.
Но это была чисто маркетинговая победа, FX-9590 имел ужасающее энергопотребление в 220 ватт и плачевную производительность. Это не позволило ему стать массовым. Intel смогла достичь заветной цифры в 5 ГГц процессором Core i7-8086K на ядре Coffee Lake лишь в 2018 году.
Наши дни
На сегодняшний день массовые процессоры AMD Ryzen 3000-й серии и Intel Coffee Lake Refresh имеют частоты по всем ядрам в районе 3.9-4.7 ГГц и постепенно подбираются к 5 ГГц при нагрузке на все ядра. 2020 год обещает быть насыщенным в плане анонса новых процессоров, посмотрим, какие частоты покажут AMD Ryzen 4000-й серии и Intel Core десятого поколения.
Может быть, цифра 5 ГГц наконец-то станет массовой, и процессоры начнут покорять 6 ГГц?
В следующих блогах цикла "Интересные цифры" я расскажу о росте частот графических процессоров, объема ОЗУ и жестких дисков персональных компьютеров.