Процессор

Центральный процессор

Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

История Создания

intel 4004

В 60-х годах появились первые интегральные микросхемы которые на долгое время стали неотъемлемой частью любого вычислительного устройства. Началом эпохи современных CPU можно смело назвать 1971-й год. Первым однокристальным микропроцессором считается 4-битный Intel 4004, вышедший 15 ноября 1971 года. Компания Intel только начинала свой путь становления и ее создатели, Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув, потратили немало сил на процесс развития. Благодаря вкладу итальянского физика Федерико Фаджина, инженерам компании удалось разместить ключевые компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004. Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92 600 операций в секунду). Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти доходил до 4 Кб, разрядность шины — 4 бита. Площадь кристалла составляла 12 мм2.

intel 8008

В начале 70-х компания выпустила первый 8-битный центральный процессор Intel 8008. Он разрабатывался одновременно с 4004 под заказ для Computer Terminal Corporation (в последствии Datapoint). Но компания отказалась от CPU (как и от сотрудничества с Intel) из-за того, что процесс создания микросхемы вышел за пределы установленных сроков, а его характеристики не соответствовали ожиданиям.

По технических характеристикам микропроцессор 8008 во многом соответствовал предыдущей версии. Он производился по тому же 10-мкм техпроцессу и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем памяти был 16 Кб. Тактовая частота оказалась ниже, чем у 4004, она составляла 500 кГц. По скорости 8-битный процессор Intel отставал от 4-битного. Разрядность шины была 8-бит. Процессор мог обратиться к 8 портам ввода и 24 портам вывода.

MOS Technology 6502

В 1975 году компания MOS Technology представила 8-разрядный микропроцессор 6502. По сути, этот процессор был обновленной версией 6501, потерпевшей неудачу из-за совместимости по выводам с Motorola 6800. По характеристикам CPU уступал конкурентам 8080 и 6800. У него была 16-битная адресная шина, 64 Кб оперативной памяти. Тактовая частота составляла всего 1 МГц. Процессор имел CISC-архитектуру.

Преимуществом данной модели была цена — всего $25 (в разы дешевле чем у Intel и Motorola). Это поспособствовало стремительному росту продаж процессора.

6502 использовался в таких ПК, как Apple I, Apple II, Commodore PET и т.д. Также процессоры данной серии нашел применение в видеоиграх, начиная с приставки Atari 2600, использующую модель 6507 с меньшим количеством выводов и возможностью адресации только 8 Кб памяти.

MOS Technology предоставили лицензии компаниями Rockwell, Synertek на производство процессоров и применение 6502. Существовал советский аналог 4К602ВМ1.

Intel i386

В 1985 году вышел 32-битный процессор с архитектурой x86 третьего поколения Intel 80386 (или i386). Процессор сохранил обратную совместимость с 8086 и 80286. Производился по 1,5-мкм — 1,0-мкм техпроцессу. Через страничное преобразование процессор мог адресовать до 4 Гб физической памяти и до 64 Гб виртуальной памяти. Тактовая частота составляла 12 МГц — 40 МГц. Процессор Intel i386 представлялся в разных модификациях, отличающихся между собой производительностью, потребляемой мощностью, разъемами, корпусами и другими характеристиками. Модели: 386DX (DX — Double-word eXternal), 386SX, 386SL и 386EX (модификация процессора 386SX).

Первым компьютером, использующим процессор, стал Compaq Deskpro 386. Также модель была первым 32-разрядным процессором для настольных и портативных IBM PC. i386 было довольно много клонов, которые производились компаниями AMD, Cyrix и IBM. Топовая модель компании AMD была Am386DX, которая не уступала в производительности, стоила дешевле и имела тактовую частоту 40 МГц. Клоны компании Cyrix 86SLC и 486DLC также хорошо воспринялись пользователями. Наиболее известные клоны компании IBM были процессоры 386SLC и 386DLC, которые использовались в настольных компьютерах IBM PS/2 и PS/ValuePoint.

Закон Мура

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так: Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается. Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция. Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов

кэш-памяти конвейера встроенного сопроцессора множителя

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее. Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур

SPARC ARM PowerPC Intel P5 AMD K5 Intel P6. В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы.

Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров. В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

Будущее и настоящие

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов

• Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.
• Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

Xарактеристики

Производители процессоров

На рынке процессоров два крупных, лидирующих производителя: Intel и AMD. Характеристики процессоров у разных производителей различны. Многое зависит от совершенства технологий, использованных материалов, компоновки и других нюансов.

Тактовая частота процессора

Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах (ГГц) – 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 не только он 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 единовременно может производиться машинная операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем выше производительность процессора. Сейчас большинство процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ. Это одна из основных характеристик процессора, но далеко не единственная, при выборе нужно руководствоваться не только ей.

Размерность технологического процесса

Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). Если меньше размер, значит меньше площадь, а значит и выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах, чем меньше этот показатель, тем лучше.

Сокет или разъем

Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа ЦП в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров, сверьте сокет выбранного процессора с вашей материнской платой, она должна ему соответствовать.

• Тип гнездового разъема:
  • PGA (Pin Grid Array) – корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты.
  • BGA (Ball Grid Array) – шарики припоя.
  • LGA (Land Grid Array) – контактные площадки.

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. Чем больше объем кэш-памяти, тем лучше. 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. Нужно позаботиться о достаточном охлаждении.

• 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.

Значение параметра ACP на практике всегда ниже TDP.

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

Эти параметры необходимы скорее тем, кто со временем планирует разогнать свой камень. 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. Стоит ознакомиться с этой характеристикой процессора более детально, если вы через какой-то промежуток времени захотите увеличить производительность программным способом, без апгрейда железа.

Встроенное графическое ядро

Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на ваш 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 на средних настройках такой видеокарты вполне достаточно, и это Intel.Что касается процессоров от компании AMD, их встроенные графические процессоры более производительные, что делает процессоры от AMD приоритетнее для любителей игровых приложений, желающих сэкономить на покупке дискретной видеокарты.

Количество ядер (потоков)

• Многоядерность одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Да, сейчас уже нужно постараться, чтобы найти рабочие одноядерные процессоры, они себя благополучно изжили. 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.

Цены

в данной таблице представлены цены на новейшие процессоры ведущих производителей:

Архитектура(Наиболее популярная)

Архитекту́ра проце́ссора — количественная составляющая компонентов микроархитектуры вычислительной машины (процессора компьютера) (например, регистр флагов или регистры процессора), рассматриваемая IT-специалистами в аспекте прикладной деятельности.

CISC

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64). В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров. Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex). В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее. Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине. Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах. Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.

VLIW

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам. Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор. Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Устройство процессора

В состав процессора входят следующие устройства

• Устройство управления (УУ) - управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе. УУ извлекает очередную команду из регистра команд, определяет, что надо делать с данными, а затем задает последовательность действий выполнения поставленной задачи. (Функцию устройства управления можно сравнить с работой дирижера, управляющего оркестром. Своеобразной "партитурой" для УУ является программа.)
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ)- вычислительный инструмент процессора; это устройство выполняет арифметические и логические операции по командам программы.
• Регистры процессорной памяти - это внутренняя память процессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. Предположим, что у процессора возникла необходимость сложить два числа. Для этого ему нужно считать из памяти первое слагаемое, затем - второе слагаемое, сложить их и, если необходимо, отправить результат снова в оперативную память. Стало быть, процессору необходимо где-то хранить первое и второе слагаемое, а затем и результат. Для этого служит внутренняя ячейка самого процессора, называемая сумматор, или аккумулятор. Кроме того, процессору необходимо знать, из какой ячейки оперативной памяти считывать очередную команду. Об этом ему сообщает содержимое его внутренней ячейки , называемой счетчиком команд. Сама команда после извлечения из оперативной памяти помещается в ячейку - регистр команд. Полученный после выполнения команды результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например

• сумматор - регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
• счетчик команд - регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
• регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения.

Все устройства процессора обмениваются между собой информацией с помощью внутренней шины данных. Современные процессоры имеют и другие части, но три перечисленные выше, вместе со связующим звеном - внутренней шиной данных - необходимый минимум.

Схема машинного цикла

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы

1. Из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды
2. Выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
3. Устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
4. По сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
5. УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
6. Результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
7. Все предыдущие этапы повторяются до достижения команды "стоп".

Полезные ссылки

intel AMD