CPU

Intel 80486DX2 v keramickom PGA puzdre.

Intel Celeron 400 socket 370 v plastovom puzdre PPGA, pohľad zdola.

Intel Celeron 400 socket 370 v plastovom puzdre PPGA, pohľad zhora.

Intel Celeron 1100 socket 370 v balení FC-PGA2, pohľad zdola.

Intel Celeron 1100 socket 370 v balení FC-PGA2, pohľad zhora.

CPU (CPU; CPU- Angličtina. centrálna procesorová jednotka, doslova - centrálna výpočtová jednotka) - vykonávateľ strojových inštrukcií, súčasť hardvéru počítača alebo programovateľného logického ovládača, zodpovedný za vykonávanie operácií špecifikovaných programami.

Moderné CPU, vykonávané vo forme samostatných mikroobvodov (čipov), ktoré implementujú všetky funkcie obsiahnuté v tomto druhu zariadení, sa nazývajú mikroprocesory. Tie od polovice 80. rokov 20. storočia prakticky vytlačili iné typy CPU, v dôsledku čoho sa tento pojem čoraz častejšie stáva bežným synonymom slova „mikroprocesor“. Nie je to však tak: centrálne procesorové jednotky niektorých superpočítačov sú aj dnes zložité komplexy veľkých (LSI) a veľmi veľkých (VLSI) integrovaných obvodov.

Pôvodne termín Centrálna procesorová jednotka opísal špecializovanú triedu logických strojov určených na vykonávanie zložitých počítačových programov. Vďaka pomerne presnej zhode tohto označenia s funkciami vtedajších počítačových procesorov sa prirodzene prenieslo aj na samotné počítače. Začiatok používania termínu a jeho skratky vo vzťahu k počítačovým systémom bol položený v 60. rokoch 20. storočia. Zariadenie, architektúra a implementácia procesorov sa odvtedy niekoľkokrát zmenili, no ich hlavné spustiteľné funkcie zostali rovnaké ako predtým.

Prvé CPU boli navrhnuté ako jedinečné stavebné bloky pre jedinečné, ak nie jedinečné, počítačové systémy. Neskôr výrobcovia počítačov prešli od drahého spôsobu vývoja procesorov určených na vykonávanie jedného alebo niekoľkých vysoko špecializovaných programov k hromadnej výrobe typických tried viacúčelových procesorových zariadení. Trend štandardizácie počítačových komponentov vznikol v ére explozívneho rozvoja polovodičových prvkov, sálových počítačov a minipočítačov a s príchodom integrovaných obvodov sa stal ešte populárnejším. Vývoj mikroobvodov umožnil ďalšie zvýšenie zložitosti CPU a zároveň zníženie ich fyzickej veľkosti. Štandardizácia a miniaturizácia procesorov viedla k hlbokému prenikaniu digitálnych zariadení na nich založených do každodenného života. Moderné procesory možno nájsť nielen v high-tech zariadeniach, ako sú počítače, ale aj v autách, kalkulačkách, mobilných telefónoch a dokonca aj v detských hračkách. Najčastejšie sú to mikrokontroléry, kde sú okrem výpočtového zariadenia na čipe umiestnené aj ďalšie komponenty (rozhrania, I/O porty, časovače atď.). Moderné výpočtové možnosti mikrokontroléra sú porovnateľné s osobnými počítačmi spred desaťročia a častejšie dokonca výrazne prevyšujú ich výkon.

Architektúra von Neumanna

Väčšina moderných procesorov osobných počítačov je vo všeobecnosti založená na nejakej verzii cyklického sekvenčného spracovania informácií, ktoré vynašiel John von Neumann.

D. von Neumann prišiel v roku 1946 so schémou zostrojenia počítača.

Najdôležitejšie kroky v tomto procese sú zhrnuté nižšie. Pre rôzne architektúry a pre rôzne tímy môžu byť potrebné ďalšie kroky. Napríklad aritmetické inštrukcie môžu vyžadovať dodatočné prístupy do pamäte, počas ktorých sa čítajú operandy a zapisujú sa výsledky. Charakteristickým rysom von Neumannovej architektúry je, že inštrukcie a dáta sú uložené v rovnakej pamäti.

Etapy prevádzkového cyklu:

1. Procesor nastaví číslo uložené v registri počítadla príkazov na adresovú zbernicu a dá pamäti príkaz na čítanie;
2. Odkryté číslo je adresa pre pamäť; pamäť po prijatí adresy a príkazu na čítanie vystaví obsah uložený na tejto adrese dátovej zbernici a oznámi pripravenosť;
3. Procesor prijme číslo z dátovej zbernice, interpretuje ho ako inštrukciu (strojovú inštrukciu) zo svojej inštrukčnej sady a vykoná ju;
4. Ak posledná inštrukcia nie je inštrukcia vetvenia, procesor zvýši (za predpokladu, že dĺžka každej inštrukcie je jedna) číslo uložené v počítadle inštrukcií; v dôsledku toho sa tam vytvorí adresa nasledujúceho príkazu;
5. Krok 1 sa vykoná znova.

Tento cyklus sa vykonáva vždy a je to on, kto je povolaný proces(odtiaľ názov zariadenia).

Počas procesu procesor načíta sekvenciu inštrukcií obsiahnutých v pamäti a vykoná ich. Táto postupnosť príkazov sa nazýva program a predstavuje algoritmus pre užitočnú prácu procesora. Poradie čítania príkazov sa zmení, ak procesor prečíta príkaz skoku - potom sa adresa nasledujúceho príkazu môže ukázať ako iná. Ďalším príkladom zmeny procesu je prijatie príkazu stop alebo prepnutie na hardvérové ​​prerušenie.

Príkazy centrálneho procesora sú najnižšou úrovňou riadenia počítača, takže vykonanie každého príkazu je nevyhnutné a bezpodmienečné. Nekontroluje sa prípustnosť vykonaných úkonov, najmä sa nekontroluje možná strata cenných údajov. Aby sa zabezpečilo, že počítač bude robiť len to, čo dokáže, príkazy musia byť vhodne usporiadané do požadovaného programu.

Rýchlosť prechodu z jednej fázy cyklu do ďalšej je určená generátorom hodín. Generátor hodín generuje impulzy, ktoré fungujú ako rytmus pre centrálny procesor. Frekvencia hodinových impulzov sa nazýva hodinová frekvencia.

Architektúra dopravníkov

Architektúra dopravníka ( potrubia) bol zavedený do centrálneho procesora na zlepšenie výkonu. Na vykonanie každého príkazu je zvyčajne potrebné vykonať niekoľko operácií rovnakého typu, napríklad: načítanie inštrukcie z RAM, dešifrovanie inštrukcie, adresovanie operandu v RAM, načítanie operandu z RAM, vykonanie príkazu , zápis výsledku do RAM. Každá z týchto operácií je spojená s jedným stupňom dopravníka. Napríklad potrubie mikroprocesora MIPS-I obsahuje štyri stupne:

• načítať a dekódovať inštrukciu (Fetch)
• adresovanie a načítanie operandu z RAM (prístup do pamäte)
• Aritmetická operácia
• uloženie výsledku operácie (obchod)

Po oslobodení k stupni dopravníka, okamžite začne pracovať na ďalšom príkaze. Ak predpokladáme, že každý stupeň dopravníka strávi svojou prácou jednotku času, potom vykonanie príkazu na dopravníku s dĺžkou n podniknú kroky n jednotky času, avšak v najoptimistickejšom prípade bude výsledok vykonania každého ďalšieho príkazu získaný cez každú jednotku času.

V skutočnosti, ak neexistuje kanál, vykonanie príkazu bude trvať n jednotky času (keďže na vykonanie príkazu je stále potrebné vzorkovať, dešifrovať atď.) a vykonať m tímy budú potrebovať jednotky času; pri použití potrubia (v najoptimistickejšom prípade) na vykonanie m tímy potrebujú len n + m jednotky času.

Faktory, ktoré znižujú účinnosť dopravníka:

1. jednoduchý pipeline, keď sa niektoré stupne nepoužívajú (napríklad nie je potrebné adresovanie a načítanie operandu z RAM, ak príkaz pracuje s registrami);
2. čakanie: ak nasledujúci príkaz používa výsledok predchádzajúceho, potom sa posledný nemôže začať vykonávať skôr, ako sa vykoná prvý (toto sa prekonáva pri použití vykonávania mimo poradia);
3. čistenie potrubia, keď naň zasiahne inštrukcia vetvenia (tento problém možno vyriešiť pomocou predikcie vetvenia).

Niektoré moderné procesory majú viac ako 30 krokov v potrubí, čo zvyšuje výkon procesora, ale vedie k mnohým prestojom (napríklad v prípade chyby v predikcii podmienenej vetvy.)

Superskalárna architektúra

Schopnosť vykonať niekoľko strojových inštrukcií v jednom cykle procesora. Nástup tejto technológie viedol k výraznému zvýšeniu produktivity.

x86 (hoci už mnoho rokov sú tieto procesory CISC len na externej inštrukčnej sade).

John Cocke z.

Dvojjadrové procesory zahŕňajú pojmy ako prítomnosť logických a fyzických jadier: napríklad dvojjadrový procesor Intel Core Duo pozostáva z jedného fyzického jadra, ktoré je zase rozdelené na dve logické. Procesor Intel Core 2 Quad pozostáva zo štyroch fyzických jadier, čo výrazne ovplyvňuje rýchlosť jeho práce.

V súčasnosti sú masívne dostupné dvoj- a štvorjadrové procesory, konkrétne Intel Core 2 Duo na 65 nm jadre Conroe (neskôr na 45 nm jadre Wolfdale) a Athlon64X2 na mikroarchitektúre K8. V novembri 2006 bol vydaný prvý štvorjadrový procesor Intel Core 2 Quad na jadre Kentsfield, čo je zostava dvoch kryštálov Conroe v jednom balení. Potomkom tohto procesora je Intel Core 2 Quad založený na jadre Yorkfield (45 nm), ktorý je architektonicky podobný Kentsfieldu, no má väčšiu veľkosť vyrovnávacej pamäte a prevádzkové frekvencie.

AMD išlo vlastnou cestou a vyrábalo štvorjadrové procesory v jednej matrici (na rozdiel od Intelu, ktorého procesory v skutočnosti lepia dva dvojjadrové kryštály dohromady). Napriek všetkej progresívnosti tohto prístupu sa prvý „štvorjadrový“ procesor spoločnosti s názvom AMD Phenom X4 ukázal ako málo úspešný. Jeho zaostávanie za modernými konkurenčnými procesormi bolo od 5 do 30 percent alebo viac, v závislosti od modelu a konkrétnych úloh.

V súčasnosti (Q1-Q2 2009) obe spoločnosti aktualizovali svoje rady štvorjadrových procesorov. Intel predstavil rodinu Core i7 pozostávajúcu z troch modelov pracujúcich na rôznych frekvenciách. Hlavnou výhodou tohto procesora je použitie trojkanálového pamäťového radiča (typ DDR-3) a emulačnej technológie ôsmich jadier (užitočné pre niektoré špecifické úlohy). Navyše vďaka všeobecnej optimalizácii architektúry bolo možné výrazne zlepšiť výkon procesora v mnohých typoch úloh. Slabou stránkou platformy používajúcej Core i7 sú jej nadmerné náklady, pretože inštalácia tohto procesora vyžaduje drahú základnú dosku na čipset Intel-X58 a trojkanálovú pamäťovú súpravu DDR3, ktorá je v súčasnosti tiež vysoká.

AMD zase predstavilo rad procesorov Phenom II X4. Pri jeho vývoji spoločnosť zohľadnila svoje chyby: zvýšil sa objem vyrovnávacej pamäte (jasne nedostatočný pre prvý „Fenom“) a výroba procesora prešla na 45 nm technický proces, čo umožnilo znížiť tvorbu tepla a výrazne zvýšiť prevádzkové frekvencie. Vo všeobecnosti sa AMD Phenom II X4 výkonom vyrovná predchádzajúcej generácii procesorov Intel (jadro Yorkfield) a výrazne zaostáva za Intel Core i7. Ak však vezmeme do úvahy mierne náklady na platformu založenú na tomto procesore, jej trhové vyhliadky vyzerajú oveľa lepšie ako jej predchodca.

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte

Ukladanie do vyrovnávacej pamäte je použitie dodatočnej vysokorýchlostnej pamäte (vyrovnávacej pamäte) na ukladanie kópií blokov informácií z hlavnej pamäte (s náhodným prístupom), ku ktorým sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti pristúpi.

Nachádzajú sa tu kešky 1., 2. a 3. úrovne. Cache 1. úrovne má najnižšiu latenciu (čas prístupu), ale malú veľkosť, okrem toho sa vyrovnávacie pamäte prvej úrovne často vyrábajú viacportové. Procesory AMD K8 boli teda schopné produkovať 64-bitový zápis + 64-bitové čítanie alebo dve 64-bitové čítania za cyklus hodín, AMD K8L dokáže produkovať dve 128-bitové čítania alebo zápisy v akejkoľvek kombinácii, procesory Intel Core 2 môžu vykonávať 128 -bitový zápis + 128-bitové čítanie na takt. Cache L2 má zvyčajne výrazne vyššie latencie prístupu, ale môže byť oveľa väčšia. Vyrovnávacia pamäť L3 je najväčšia a pomerne pomalá, ale stále oveľa rýchlejšia ako RAM.

Paralelná architektúra

Von Neumannova architektúra má nevýhodu v tom, že je konzistentná. Bez ohľadu na to, aké veľké množstvo údajov je potrebné na spracovanie, každý z jeho bajtov bude musieť prejsť centrálnym procesorom, aj keď sa na všetkých bajtoch vyžaduje rovnaká operácia. Tento efekt sa nazýva von Neumannov úzky krk.

Na prekonanie tohto nedostatku boli navrhnuté a sú navrhované architektúry procesorov, ktoré sa nazývajú paralelný... Paralelné procesory sa používajú v superpočítačoch.

Možné možnosti pre paralelnú architektúru sú (podľa Flynnovej klasifikácie):

Technológia výroby procesora

História procesora

Prvým verejne dostupným mikroprocesorom bol 4-bitový Intel 4004. Nahradený bol 8-bitovým Intel 8080 a 16-bitovým 8086, ktoré položili základy architektúry všetkých moderných desktopových procesorov. Ale kvôli rozšíreniu 8-bitových pamäťových modulov bol vydaný 8088, klon 8086 s 8-bitovou pamäťovou zbernicou. Potom nasledovala jeho modifikácia 80186. V procesore 80286 sa objavil chránený režim s 24-bitovým adresovaním, ktorý umožňoval využiť až 16 MB pamäte. Procesor Intel 80386 sa objavil v roku 1985 a priniesol vylepšený chránený režim, 32-bitové adresovanie, umožňujúce až 4 GB RAM a podporu mechanizmu virtuálnej pamäte. Tento rad procesorov je postavený na výpočtovom modeli založenom na registroch.

Paralelne sa vyvíjajú mikroprocesory, pričom základom je zásobníkový výpočtový model.

Moderná výrobná technológia

V moderných počítačoch sa procesory vyrábajú vo forme kompaktného modulu (asi 5 × 5 × 0,3 cm) vloženého do pätice ZIF. Väčšina moderných procesorov je implementovaná ako jeden polovodičový kryštál obsahujúci milióny a v poslednej dobe dokonca miliardy tranzistorov. V prvých počítačoch boli procesory objemné jednotky, ktoré niekedy zaberali celé skrinky a dokonca aj miestnosti a boli vyrobené na veľkom počte samostatných komponentov.

Začiatkom sedemdesiatych rokov minulého storočia, vďaka prelomu v technológii vytvárania LSI a VLSI (veľké a veľmi veľké integrované obvody), mikroobvodov, bolo možné umiestniť všetky potrebné komponenty CPU do jedného polovodičového zariadenia. Objavili sa takzvané mikroprocesory. Teraz sa slová mikroprocesor a procesor stali prakticky synonymami, ale vtedy to tak nebolo, pretože bežné (veľké) a mikroprocesorové počítače spolu pokojne existovali minimálne 10-15 rokov a až začiatkom 80. rokov mikroprocesory vytlačili svojich starších kolegov. Musím povedať, že prechod na mikroprocesory neskôr umožnil vznik osobných počítačov, ktoré dnes prenikli takmer do každej domácnosti.

Kvantové procesory

Procesory, ktorých práca je úplne založená na kvantových efektoch. V súčasnosti sa pracuje na vytvorení pracovných verzií kvantových procesorov.

Ruské mikroprocesory

Mikroprocesory v Rusku vyvíja spoločnosť ZAO MCST. Vyvinul a zaviedol do výroby univerzálne mikroprocesory RISC s konštrukčnými štandardmi 130 a 350 nm. Vývoj novej generácie superskalárneho procesora Elbrus bol ukončený. Hlavnými spotrebiteľmi ruských mikroprocesorov sú vojensko-priemyselný komplex.

História vývoja

Ďalšie národné projekty

Čína

pozri tiež

Poznámky (upraviť)

Odkazy

• Domáce viacjadrové procesory "Multicor", RISC + DSP, pre vojensko-priemyselný komplex
• Vláda zrušila clá pre spracovateľov 18.09.2007
• Intel predstavuje 80-jadrový procesor Ferra.ru, 12. februára 2007

Prednáška 6. Vývojový trend procesorov.MnOGoyadeNSthNSOcessORs anOvthTeNSnoloGaa viacjadrovýchRprácadannups

CPU

Centrálny procesor vo všeobecnosti obsahuje:

aritmetická logická jednotka;

dátové zbernice a adresové zbernice;

registre;

počítadlá príkazov;

cache - veľmi rýchla malá pamäť (od 8 do 512 KB);

matematický koprocesor pre čísla s pohyblivou rádovou čiarkou.

Moderné procesory sa vykonávajú vo forme mikroprocesory . Fyzicky je to mikroprocesor integrovaný obvod- tenká obdĺžniková doska z kryštalického kremíka s plochou len niekoľko štvorcových milimetrov, na ktorej sú umiestnené obvody realizujúce všetky funkcie procesora. Krištáľová doska je zvyčajne umiestnená v plastovom alebo keramickom plochom puzdre a pripojená zlatými drôtmi na kovové kolíky, aby sa dala pripevniť k základnej doske počítača.

1. Zlepšenie výkonu procesorov

Pokrok v oblasti mikroprocesorov bol dlho vlastne stotožňovaný s hodnotou taktovacej frekvencie. V roku 2001 korporátne plány výrobcov mikroprocesorov naznačovali, že do konca dekády bude prekonaná hranica 10 GHz. Bohužiaľ, tieto plány sa ukázali ako nesprávne. Ukázalo sa, že ten, kto vsadil na viacjadrové architektúry, mal pravdu.

Prvý dvojjadrový procesor z rodiny Power bol vydaný spoločnosťou IBM Corporation. Viacjadrové procesory dnes ponúka Sun Microsystems (osemjadrový UltraSPARC T1), ale aj Intel a AMD.

Moorov zákon uvádza, že počet tranzistorov umiestnených na polovodičovom čipe sa každé dva roky zdvojnásobí, čo vedie na jednej strane k zvýšeniu produktivity a na druhej strane k zníženiu nákladov na výrobu čipov. Napriek dôležitosti a účinnosti tohto zákona na dlhé roky, pri posudzovaní vyhliadok na ďalší vývoj sa z času na čas predpovedalo jeho nevyhnutné fiasko.

Ako prekážky ďalšieho rozvoja sa uvádzajú faktory, ako sú obmedzenia spôsobené fyzickou veľkosťou, prudko stúpajúca spotreba energie a neúmerné výrobné náklady.

Po mnoho rokov bolo jediným spôsobom, ako zlepšiť výkon procesora, zvýšenie jeho taktovacej frekvencie. V priebehu rokov sa udomácnil názor, že práve taktovacia frekvencia procesora je hlavným ukazovateľom jeho výkonu. Zvýšenie taktovacích frekvencií v súčasnej fáze nie je ľahká úloha. Koniec pretekov o taktovacie frekvencie mikroprocesorov sa uskutočnil vďaka nevyriešenému problému zvodových prúdov a neprijateľnému zvýšeniu tepelných emisií z mikroobvodov.

Výkon procesora (Performance) je pomer celkového počtu vykonaných inštrukcií programového kódu k času ich vykonania alebo počtu inštrukcií vykonaných za sekundu (Instructions rate):

KomuolisanchezTvaNSTRpriKomučchid =NS O a zvuk d a T e eh n O s T b

vRem som vNSNSolneanisom

Keďže hlavná charakteristika procesora zvýšila jeho hodinovú frekvenciu, zavedieme frekvenciu do vzorca pre výkon procesora. Vynásobme čitateľa a názov čísla a počet mien, pre ktoré sú nasledujúce pokyny úplné:

NSOazvukdaTeehnOsTb= Komu oli sanchez T v a n s T R pri kts a th Komu oli h e s T v T a Komu T ov

KomuolisanchezTvTaKomuTOvReja vNSNSolneanisom

Prvou časťou výsledného produktu je počet inštrukcií vykonaných za cyklus (InstructionPer Clock, IPC), druhou časťou produktu je počet cyklov procesora za jednotku času (taktovacia frekvencia procesora, F alebo Frequency). Výkon procesora teda nezávisí len od jeho hodinovej frekvencie, ale aj od počtu inštrukcií vykonaných za hodinový cyklus (IPC):

NSOasvdaTeehnOsTb = (IPc)(F)

Výsledný vzorec určuje dve paznupsNSOdNSóda naprivelačoaniNSNSroodvdaTelbnOstiNSROcessopa. NSepvNSth - privelačoanie TaKomutovoy hodinapotom ty NSrocessopa, a druhý – privelačoanie Komuolasancheztwa vsTRpriktsith NSrogramnWowKomuoda, vNSNSolnsomjesťups sa odan taKomuT NSrocessopa.

Nárast taktovacej frekvencie nemôže byť nekonečný a je určený technológiou procesora. Zároveň zvýšenie výkonu nie je priamo úmerné zvýšeniu frekvencie hodín, to znamená, že existuje tendencia saturácie, keď sa ďalšie zvýšenie frekvencie hodín stáva nerentabilným.

Počet inštrukcií vykonaných počas jedného taktovacieho cyklu závisí od mikroarchitektúry procesora: od počtu vykonávacích jednotiek, od dĺžky pipeline a efektívnosti jej plnenia, od jednotky prefetch, od optimalizácie programového kódu pre danej mikroarchitektúry procesora.

Porovnanie výkonu procesorov na základe ich taktovacej frekvencie je preto možné len v rámci rovnakej architektúry (s rovnakou hodnotou počtu operácií vykonaných za sekundu - procesory IPC).

Porovnávanie výkonu procesorov s rôznymi architektúrami na základe taktovacej frekvencie nie je vhodné. Napríklad na základe taktovacej frekvencie je nesprávne porovnávať výkon procesorov s rôznou veľkosťou vyrovnávacej pamäte L2, alebo výkon procesorov, ktoré podporujú a nepodporujú H y p e r - T h re a din g.

V dôsledku špecifického zníženia nákladov na tranzistory bolo možné kompenzovať nedokonalosť architektúry procesora ich počtom, čo sa nakoniec stalo dôvodom na zachovanie schémy na organizovanie počítačových systémov navrhovaných vo vzdialených 40-tych rokoch, ktoré dostali jeho meno od Johna von Neumanna. Je ťažké si predstaviť akúkoľvek inú modernú technologickú oblasť, ktorá by síce deklarovala svoju účasť na technologickom pokroku, ale mala by taký konzervatívny charakter. O základných nedostatkoch von Neumannovej schémy sa toho popísalo veľa, ale bez ohľadu na to, čo sa o tejto téme hovorí, ani pred desiatimi rokmi nebolo možné postaviť sa proti presvedčeniu, že spracovateľský priemysel si zvolil jedinú správnu cestu založenú na kvantitatívnom raste. Stačí si spomenúť, s akou hrdosťou sa nové čísla vyslovovali; verilo sa, že ak milión tranzistorov nestačí, zarobíme miliardu - "žiadny problém", hlavné je zmenšiť veľkosť kryštálov a prepojení a zvýšiť taktovaciu frekvenciu. Za všetko však treba platiť. Každý tranzistor spotrebúva energiu a v dôsledku toho podľa IDC dnes náklady na elektrinu potrebnú na napájanie dátových centier predstavujú viac ako 80 % nákladov na nákup počítačového vybavenia a o pár rokov sa tieto čísla vyrovnajú.

Odstúpenie od postupného vykonávania príkazov a použitie niekoľkých vykonávacích blokov v jednom procesore umožňuje súčasne spracovávať niekoľko mikroinštrukcií procesora, teda organizovať NSaRallelodmnaprirovnomernevsTRpriktsith(InstructionLevelParallelism - jaLP), čo samozrejme zvyšuje celkový výkon.

Iný prístup k riešeniu tohto problému bol implementovaný v architektúre VLIW / EPIC IA-64 (veľmi dlhé príkazy), kde boli niektoré problémy prenesené z hardvéru na piler. Vývojári si však uvedomujú, že architektúra je dôležitejšia na dosiahnutie vysokého výkonu.

Pri veľkom počte funkčných blokov mikroobvodu a jeho veľkej veľkosti vzniká problém spojený s rýchlosťou šírenia signálu - v jednom cykle signály nestihnú dosiahnuť potrebné bloky. Ako možný výstup slúži tzv. KomulasTeRNS",kdepristrothstwahodinaTahnOdpriblapriekopaalasb, nOsapotom vnpritriKomulesoTepriekopa passhračkaanibol somjanyNSe... Dá sa povedať, že myšlienka budovania viacjadrových mikroprocesorov je vývojom myšlienky klastrov, ale v tomto prípade dpriblaRprieTssomcelukohm NSrocessopnoh jadro.

Ďalším predchodcom viacjadrového prístupu je technológia jantel- HrperThreading kde je aj malý dpriblapriekopaanae annaRaTpriry aasNSolbsovaanif dvpriNSNSotoKomuovvsTRpricts, asNSolbspriyuschax celkomee jadro.

Viacjadrový procesor má dve alebo viac „výkonných jadier“. JadroNSrocessorah mpohotovostný režimnO nasvabyť eth sasTempri asNSolaniTelnNSNS pristrothstv (nabór aRafmeTukO- denníkasanchezkiNS pristrothstv) , NSRednaznachennNSNS dla arrabomka dannNSNS... Operačný systém považuje každé z vykonávacích jadier za samostatný procesor so všetkými potrebnými výpočtovými prostriedkami. Preto architektúra smart-core procesora s podporou príslušného softvéru implementuje plne paralelné vykonávanie niekoľkých programových vlákien.

Do roku 2006 všetci poprední vývojári mikroprocesorov vytvorili dvojjadrové procesory. Ako prvé sa objavili dvojjadrové RISC procesory Sun Microsystems (UltraSPARCIV), IBM (Power4, Power5) a HP (PA-8800 a PA-8900).

AMD a Intel takmer pravidelne ohlásili vydanie dvojjadrových procesorov s architektúrou x86.

Architektúra procesorov dosiahla dostatočne vysokú zložitosť, preto sa prechod na viacjadrové procesory stáva hlavným smerom zvyšovania výkonu výpočtových systémov.

Modernizácia von Neumannovho okruhu

V skutočnosti von Neumannova počítačová architektúra nie je jediná možná, priestor realizovateľných riešení je oveľa širší. Takže na základe metód organizácie postupnosti vykonávania príkazov a výmeny údajov medzi procesorom a pamäťou možno všetky počítače rozdeliť do štyroch tried:

SISD (Single Instruction Single Data)- "jeden prúd príkazov, jeden prúd údajov";

SIMD (Single Instruction Multiple Data)- "jeden prúd príkazov, veľa tokov údajov";

MISD (Multiple Instruction Single Data)- "veľa tokov príkazov, jeden tok údajov";

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)- "veľa tokov príkazov, veľa tokov údajov";

Trieda SISD predpokladá, že jeden príkaz možno vykonať naraz a môže pracovať iba s tými časťami údajov, ktorých adresy sú priamo prítomné v operandoch tohto príkazu. Na rozdiel od toho trieda MIMD zahŕňa stroje, ktoré dokážu súčasne vykonávať mnoho príkazov pomocou mnohých údajov. Táto klasifikácia je známa ako Flynnova taxonómia a je pomenovaná po Michaelovi Flynnovi, významnom inžinierovi a vedcovi, ktorý je teraz profesorom na Stanfordskej univerzite, ktorý ju navrhol. Z toho vyplýva, že von Neumannov stroj je špeciálnym prípadom triedy SISD. Väčšina moderných počítačov sa riadi týmto vzorom; medzitým sú všetky superpočítače z prvej desiatky TOP500 postavené podľa schémy MIMD.

Bolo by nesprávne vysvetľovať zvýšenie výkonu procesora iba zvýšením kvantitatívnych ukazovateľov, je celkom prirodzené, že v priebehu desaťročí bolo navrhnutých niekoľko serióznych vylepšení, ktoré sú odchýlkami od von Neumannovej schémy, ale s obmedzeným rozsahom.

Historicky prvým bol vynález procesorov schopných vykonávať operácie nie s obsahom jedného alebo viacerých registrov, ale s väčšími kusmi údajov; podľa Flynnovej klasifikácie spadajú do triedy SIMD. Ich podoba je spojená s projektom Solomon (1962, Westinghouse).

Neskôr bol podobný princíp práce s dátami implementovaný do najproduktívnejšieho stroja svojej doby, ILLIAC IV (1972). Ak procesor pomocou jednej inštrukcie môže vykonávať akcie s vektormi, potom sa volá vektorový procesor(vektorový procesor) a ak cez polia, potom procesor poľa(procesor poľa). Následne Seymour Cray použil vektorové princípy pri vývoji svojich superpočítačov, počnúc Cray-1. Dnes je schéma SIMD široko používaná v špecializovaných procesoroch pre herné konzoly.

Po zavedení novej triedy vektorových procesorov boli bežné procesory nútené nazývať ich „skalárnymi“, aby sa odlíšili; preto sa v ďalšom kroku objavili riešenia s podivným názvom “ superskalárne procesory Myšlienka superskalarity spočíva v tom, že procesor sa pozerá na inštrukcie blížiace sa k vykonávaniu a vyberá z nich tie sekvencie, ktoré je možné vykonávať paralelne. Takéto procesory sú schopné vykonať niekoľko inštrukcií v jednom cykle a tento typ paralelizmu sa začal nazývať paralelizmus na úrovni príkazov(Paralelizmus na úrovni výučby, ILP). Je zrejmé, že pri danej frekvencii bude superskalárny procesor efektívnejší ako skalárny, pretože je schopný vybrať a súčasne vykonať niekoľko inštrukcií v podmnožine a rozdeliť ich medzi svoje funkčné zariadenia. Predchodcom myšlienky ILP bol ten istý Cray; implementoval ho v roku 1965 do počítača CDC 6600, potom bol ILP reprodukovaný v procesoroch Intel i960 (1988) a AMD 29050 (1990), superskalárny prístup bol vhodný najmä pre RISC procesory s ich zjednodušenou inštrukčnou sadou. Neskôr, počnúc Pentiom II, boli nájdené ILP a procesory s architektúrou CISC.

Približne v rovnakom čase - najskôr na sálových počítačoch a neskôr na minipočítačoch - sa objavili rýchla vyrovnávacia pamäť; Neskôr sa myšlienka ukladania do vyrovnávacej pamäte vyvinula vo viacúrovňových riešeniach, ktoré predpokladali prítomnosť vyrovnávacích pamätí prvej a druhej a potom tretej úrovne.

Ďalším významným vynálezom, ktorý urýchlil prácu procesorov, sa ukázal byť mimoriadnej exekúcii(exekucia mimo objednávky, OoO), čo je obmedzená implementácia myšlienky spracovania dátový tok(výpočet toku údajov). Hoci prvé pokusy v tomto smere boli urobené už pri návrhu počítačov CDC, skutočné prvé implementácie boli v IBM 360 a potom v procesoroch Power1. Jednou z najdôležitejších výhod vykonávania mimo poradia je, že táto technológia vám umožňuje zosúladiť vyššiu rýchlosť procesorov s pomalšou pamäťou, čím sa odstráni časť záťaže z vyrovnávacej pamäte.

Pozoruhodným míľnikom v sérii vylepšení von Neumannovej architektúry je paralelizácia vlákien(Thread Level Parallelism, TLP). Táto technológia existuje v niekoľkých verziách; medzi nimi - súbežné multithreading(Simultaneous Multithreading, SMT) a multithreading na úrovni čipu(Сhip-level Multithreading, CMT). Tieto dva prístupy sa v zásade líšia v koncepte toho, čo je to „prúd“, inými slovami, pokiaľ ide o zrnitosť tokov.

Chronologicky prvým procesorom s podporou multi-threadingu bol procesor DEC Alpha EV4 21064. Dramatický osud tejto rodiny procesorov bol a zostáva predmetom vážnych diskusií a aj keď sa na verzii EV7 výroba zastavila a EV8 a EV9 zostali na existuje dôvod domnievať sa, že jadro EV7 by sa mohlo znovu zrodiť v jednom z pripravovaných viacjadrových procesorov. Typickým predstaviteľom tábora SMT je Pentium 4 s jeho Technológia HTT(Hyper-Threading Technology). Procesor podporuje rozdelenie do dvoch prúdov inštrukcií, vybraných z jednej úlohy v režime SMT, čo poskytuje celkové zlepšenie výkonu o približne 30 %. V procesore UltraSPARC T1, predtým s kódovým označením Niagara, sa vlákna generujú z rôznych úloh; v tomto prípade nejde o simultánnosť, každé vlákno je jadrom virtuálneho procesora.

Zdá sa teda, že je všetko v poriadku, no výsledkom komplikácie logiky bol citeľný nepomer v nákladoch na produktívne a pomocné komponenty procesorov – samotná aritmeticko-logická jednotka zaberá menej ako 20 % plochy čipu na ich.

Centrálna procesorová jednotka je kľúčovým komponentom každého osobného počítača. V tomto článku budeme hovoriť o hlavných charakteristikách moderných procesorov, ich technologických vlastnostiach a základnej funkčnosti.

Úvod

Každé počítačové zariadenie, či už je to notebook, stolný počítač alebo tablet, pozostáva z niekoľkých dôležitých komponentov, ktoré sú zodpovedné za jeho funkčnosť a celkový výkon. Ale možno najdôležitejšou z nich je centrálna procesorová jednotka (CPU, CPU alebo CPU) - zariadenie zodpovedné za všetky základné výpočty a vykonávanie strojových inštrukcií (programový kód). Niet sa čomu čudovať, práve procesor je považovaný za mozog počítača a hlavnú časť jeho hardvéru.

Pri výbere počítača pre seba spravidla venujeme pozornosť predovšetkým tomu, na akom procesore je založený, pretože možnosti a funkčnosť vášho budúceho počítača budú priamo závisieť od jeho výkonu. Preto osoba, ktorá má informácie o moderných výrobcoch procesorov a vývojových trendoch tohto trhu, bude schopná správne určiť nielen možnosti konkrétneho počítačového zariadenia, ale aj posúdiť vyhliadky na budúci nákup nového počítača alebo aktualizáciu stary.

Je celkom zrejmé, že procesory inštalované vo všetkých druhoch počítačových a elektronických zariadení sa medzi sebou líšia nielen svojim výkonom, ale aj konštrukčnými vlastnosťami, ako aj princípmi fungovania. V rámci tohto cyklu sa zoznámime s procesormi založenými na architektúrax86 ktoré sú základom väčšiny moderných stolných počítačov, notebookov a netbookov, ako aj niektorých tabletov.

Určite mnohí čitatelia, najmä tí, ktorí sa s počítačom len začínajú zoznamovať, majú istý predsudok, že porozumieť všetkým týmto „procesorovým múdrostiam“ je údelom skúsených používateľov, pretože je to veľmi ťažké. Je však všetko naozaj také problematické?

Na jednej strane je, samozrejme, procesor veľmi zložité zariadenie a naozaj nie je jednoduché dôkladne preštudovať všetky jeho technické vlastnosti. Situáciu ďalej zhoršuje skutočnosť, že počet modelov CPU, ktoré teraz nájdete na modernom trhu, je veľmi veľký, pretože súčasne sa predáva niekoľko generácií čipov. Ale na druhej strane, procesory majú len niekoľko kľúčových charakteristík, po pochopení ktorých bude bežný používateľ schopný nezávisle posúdiť schopnosti konkrétneho modelu procesora a urobiť správnu voľbu bez toho, aby sa zmiatol v celej škále modelov.

Hlavné vlastnosti procesorov

Architektúra x86 bola prvýkrát implementovaná do vlastných procesorov Intelu koncom 70-tych rokov a bola založená na výpočte komplexných inštrukcií (CISC). Táto architektúra dostala svoj názov podľa posledných dvoch číslic, ktoré končili kódové názvy modelov skorých produktov Intel – skúsení používatelia si pravdepodobne ešte pamätajú 286. (80286), 386. (80386) a 486. (80486) osobné počítače, ktoré boli snom. akéhokoľvek počítačového vedca koncom 80., začiatkom 90. rokov.

Architektúra x86 bola doteraz implementovaná aj v procesoroch od AMD, VIA, SiS, Cyrix a mnohých ďalších.

Hlavné charakteristiky procesorov, podľa ktorých sa zvyčajne delia na modernom trhu, sú:

• výrobca spoločnosti
• séria
• počet výpočtových jadier
• typ inštalačného konektora (zásuvka)
• frekvencia hodín.

Výrobca (značka) ... Dnes sú všetky CPU pre stolné a prenosné počítače rozdelené do dvoch veľkých táborov pod značkami Intel a AMD, ktoré spolu tvoria asi 92 % celkového globálneho trhu mikroprocesorov. Napriek tomu, že podiel Intelu na nich je približne 80 %, tieto dve spoločnosti si už dlhé roky so striedavým úspechom konkurujú a snažia sa pod svoje hlavičky nalákať kupcov.

séria - je jednou z kľúčových charakteristík centrálneho procesora. Obidvaja výrobcovia spravidla rozdeľujú svoje produkty do niekoľkých skupín podľa výkonu, pričom cielia na rôzne kategórie používateľov a rôzne segmenty trhu. Každá z týchto skupín tvorí rodinu alebo sériu s vlastným príznačným názvom, pod ktorým možno chápať nielen cenovú niku produktu, ale vo všeobecnosti aj jeho funkčnosť.

Dnes sú produkty Intel založené na piatich hlavných rodinách - Pentium (dvojjadrové), Celeron (dvojjadrový), Core i3, Core i5 a Core i7... Prvé tri sú zamerané na lacné domáce a kancelárske riešenia, posledné dve sú jadrom systémov produktivity.



CPUIntel Core i7

Rad čipov sa drží trochu oddelene od hlavných rodín Atóm, ktorý sa od ostatných líši nízkou spotrebou energie a nízkymi nákladmi. Tieto procesory sú určené na inštaláciu v lacných systémoch, kde sa nevyžaduje vysoký výkon, ale vyžaduje sa nízka spotreba energie. Patria sem netbooky, nettopy, tablety a komunikátory.

Nemožno nespomenúť ďalšiu rodinu procesorov od spoločnosti Santa Clara - jadro 2... Napriek tomu, že sa už nevyrába a v predaji ho nájdete len na rôznych blších trhoch, doteraz sa táto rodina teší zaslúženej obľube medzi používateľmi a procesormi práve tejto série je vybavených mnoho súčasných domácich počítačov.

AMD fanúšikom svojich produktov ponúka procesory série Atlon II, Fenom II, Séria a Séria FX... Cesta prvých dvoch rodín speje k logickému záveru, zatiaľ čo posledné dve len naberajú na obrátkach. Niekde inde nájdete najlacnejšie procesory na predaj Sempron hoci ich dni sú prakticky spočítané.



CPUAMD radu FX

Podobne ako Intel, aj AMD má svoju vlastnú „mobilnú“ sériu tzv E-séria je mikroprocesor s nízkou spotrebou energie určený pre lacné stolové a prenosné počítače.

Počet výpočtových jadier ... Ani v poslednom desaťročí vôbec neexistovalo oddelenie procesorov počtom jadier, keďže všetky boli jednojadrové. Časy sa však menia a dnes možno jednojadrové CPU nazvať anachronizmom a nahradili ich viacjadrové príbuzné. Najbežnejšie z nich sú dvojjadrové a štvorjadrové čipy. O niečo menej bežné sú procesory s tromi, šiestimi a ôsmimi procesorovými jadrami.

Prítomnosť niekoľkých jadier v procesore naraz je určená na zvýšenie jeho výkonu a ako viete, čím viac je, tým je vyšší. Pri práci so starým softvérom, ktorý nie je optimalizovaný pre viacjadrové výpočty, však toto pravidlo nemusí fungovať.

Typ konektora ... Akýkoľvek procesor je nainštalovaný na základnej doske, na ktorej je na to špeciálny konektor (zásuvka) alebo inými slovami zásuvka (Socket). Procesory rôznych výrobcov, sérií a generácií sú inštalované v rôznych typoch pätíc. Teraz je ich pre stolné počítače sedem – štyri pre čipy Intel a tri pre AMD.

Za hlavnú a najrozšírenejšiu päticu pre centrálne procesory Intel sa považuje LGA 1155. Najproduktívnejšie a najpokročilejšie riešenia tejto spoločnosti sú inštalované v pätici LGA 2011. Zvyšné dva typy pätíc - LGA 775 a LGA 1156 sú vo svojich posledných dní, odkedy je vydanie procesorov pre tieto typy pätíc prakticky ukončené.

Spomedzi produktov AMD je dnes najpoužívanejším typom konektora Socket AM3. Spravidla je v ňom nainštalovaná väčšina rozpočtu a najobľúbenejších produktov spoločnosti. Je pravda, že táto situácia sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti zmení, pretože všetky najnovšie procesory a vysokovýkonné riešenia majú zásuvky Socket AM3 + a Socket FM1.

Mimochodom, procesory Intel a AMD sa dajú veľmi jednoducho rozlíšiť podľa jednej charakteristickej vlastnosti, ktorú ste si už mohli všimnúť pri pohľade na fotografie. Produkty AMD majú na zadnej strane množstvo pinov, pomocou ktorých sú pripojené k základnej doske (vložené do konektora). Intel používa zásadne odlišné riešenie, keďže kontaktné kolíky sa nenachádzajú na samotnom procesore, vo vnútri konektora základnej dosky.

Nebudeme tu uvažovať o konektoroch pre mobilné riešenia, pretože to nemá praktický zmysel. Koniec koncov, typ zásuvky je pre používateľa dôležitý iba vtedy, ak plánujete nezávisle vymeniť (upgradovať) procesor vo vašom počítači. V prenosných zariadeniach je to dosť ťažké a je takmer nemožné kúpiť mobilné verzie samotných procesorov v maloobchode.

Frekvencia hodín - charakteristika, ktorá určuje výkon procesora, meraný v megahertzoch (MHz) alebo gigahertzoch (GHz) a ukazuje počet operácií, ktoré môže vykonať za sekundu. Je pravda, že je zásadne nesprávne porovnávať výkon rôznych modelov procesorov iba z hľadiska ich taktovacej frekvencie.

Faktom je, že na vykonanie jednej operácie môžu rôzne čipy vyžadovať rôzny počet hodinových cyklov. Okrem toho moderné systémy využívajú na výpočty zreťazené a paralelné spracovanie a môžu vykonávať niekoľko operácií naraz v jednom cykle. To všetko vedie k tomu, že rôzne modely procesorov s rovnakou taktovacou frekvenciou môžu vykazovať úplne odlišný výkon.

Súhrnná tabuľka rodín procesorov pre stolné počítače



Technologický proces(výrobná technológia)

Pri výrobe mikroobvodov a najmä mikroprocesorových kryštálov v priemyselnom prostredí sa využíva fotolitografia - metóda, pri ktorej sa pomocou litografických zariadení nanášajú vodiče, izolanty a polovodiče na tenký kremíkový substrát, ktorý tvorí jadro procesora. Použité litografické zariadenie má zasa určité rozlíšenie, ktoré určuje názov aplikovaného technologického postupu.



Intel

Prečo je technologický proces, ktorým sa vyrábajú procesory, taký dôležitý? Neustále zlepšovanie technológií umožňuje úmerne znižovať veľkosť polovodičových štruktúr, čo pomáha znižovať veľkosť jadier procesorov a ich spotrebu energie, ako aj znižovať ich náklady. Zníženie spotreby energie zase znižuje rozptyl tepla procesora, čo umožňuje zvýšiť ich taktovaciu frekvenciu a tým aj výkon spracovania. Malý odvod tepla tiež umožňuje používať produktívnejšie riešenia v mobilných počítačoch (notebooky, netbooky, tablety).



Kremíkový plátok s procesorovými čipmiAMD

Prvý x86 procesor Intel, ktorý je stále nosným prvkom všetkých moderných CPU, bol vyrobený koncom 70-tych rokov pomocou 3 mikrónovej (mikrometrovej) výrobnej technológie. Začiatkom roku 2000 takmer všetci poprední výrobcovia čipov, vrátane AMD a Intel, zvládli technologický proces 0,13 mikrónu alebo 130 nm. Väčšina moderných procesorov sa vyrába pomocou 32 nm – technického procesu a od polovice roku 2012 aj 22 nm technológie.

Prechod na jemnejšiu procesnú technológiu je pre výrobcov mikroprocesorov vždy významnou udalosťou. Koniec koncov, ako už bolo uvedené, vedie to k zníženiu nákladov na výrobu čipov a zlepšeniu ich kľúčových charakteristík, čo znamená, že produkty vývojára sú na trhu konkurencieschopnejšie.

Spotreba energie a odvod tepla

V počiatočných fázach svojho vývoja mikroprocesory spotrebovali veľmi málo energie. Ale s nárastom taktovacích frekvencií a počtu tranzistorov v jadre čipov toto číslo začalo rýchlo rásť. Faktor spotreby, ktorý sa spočiatku prakticky nezohľadňuje, má obrovský vplyv na vývoj procesorov súčasnosti.

Čím vyššia je spotreba procesora, tým viac generuje teplo, čo môže viesť k prehriatiu a poruche ako samotného procesora, tak aj okolitých mikroobvodov. Na odvod tepla sa používajú špeciálne chladiace systémy, ktorých veľkosť priamo závisí od množstva tepla generovaného procesorom.

Začiatkom roku 2000 stúpol odvod tepla niektorých procesorov nad 150 W a na chladenie museli použiť masívne a hlučné ventilátory. Priemerný výkon zdrojov v tom čase bol navyše 300 W, čo znamená, že viac ako polovicu z neho mala minúť na obsluhu „nenásytného“ procesora.

Vtedy sa ukázalo, že ďalšie zvyšovanie výpočtového výkonu procesorov je nemožné bez zníženia ich spotreby energie. Vývojári boli nútení radikálne revidovať architektúry procesorov a začať aktívne implementovať technológie, ktoré pomáhajú znižovať tvorbu tepla.



Procesory pracujúce pri ultra vysokých frekvenciách musia byť chladené takýmito gigantickými chladiacimi systémami.

Pre posúdenie odvodu tepla procesorov bola zavedená hodnota, ktorá charakterizuje požiadavky na výkon chladiacich systémov a je tzv. TDP... TDP ukazuje, koľko tepla by mal byť navrhnutý konkrétny chladiaci systém na odvádzanie pri použití s ​​konkrétnym modelom procesora. Napríklad TDP procesorov pre mobilné počítače by malo byť nižšie ako 45 W, pretože veľké a ťažké chladiace systémy nemožno použiť v notebookoch alebo netbookoch.

Dnes, v dobe rozkvetu prenosných zariadení (notebooky, nettopy, tablety), sa vývojárom podarilo dosiahnuť ohromné ​​výsledky v oblasti znižovania spotreby energie. Uľahčili to: prechod na tenší technologický proces pri výrobe kryštálov, zavedenie nových materiálov na zníženie zvodových prúdov, zmena rozmiestnenia procesorov, použitie všetkých druhov senzorov a inteligentných systémov, ktoré monitorujú teplotu resp. napätia, ako aj zavádzanie ďalších technológií na úsporu energie. Všetky tieto opatrenia umožňujú vývojárom naďalej zvyšovať výpočtový výkon procesorov a využívať výkonnejšie riešenia v kompaktných zariadeniach.

V praxi sa oplatí pri kúpe zohľadniť tepelné vlastnosti procesora, ak si chcete zostaviť tichý kompaktný systém, alebo napríklad ak chcete, aby váš budúci notebook išiel čo najdlhšie na batériu.

Architektúra procesora a kódové označenia

Srdcom každého procesora je takzvaná architektúra procesora – súbor vlastností a vlastností, ktoré sú vlastné celej rodine mikročipov. Architektúra priamo určuje vnútorný dizajn a organizáciu procesorov.

Intel a AMD tradične označujú svoje rôzne procesorové architektúry kódovým označením. To umožňuje presnejšie systematizovať moderné procesorové riešenia. Napríklad procesory rovnakej rodiny s rovnakým taktom a počtom jadier môžu byť vyrobené iným technologickým procesom, čo znamená, že majú odlišnú architektúru a výkon. Tiež použitie zvučných mien v názvoch architektúr umožňuje výrobcom efektívnejšie prezentovať ich nový vývoj nám používateľom.

Vývoj spoločnosti Intel sú geografické názvy miest (hory, rieky, mestá atď.), ktoré sú blízko umiestnení jej priemyselných štruktúr zodpovedných za vývoj zodpovedajúcej architektúry. Napríklad prvé procesory Core 2 Duo boli postavené na architektúre Conroe, ktorá bola pomenovaná podľa mesta ležiaceho v americkom štáte Texas.

AMD nemá jasnú tendenciu vytvárať mená pre svoj vývoj. Tematické zameranie sa môže meniť z generácie na generáciu. Napríklad nové procesory spoločnosti nesú kódové označenie Liano a Trinity.

Viacúrovňová vyrovnávacia pamäť

V procese vykonávania výpočtov musí mikroprocesor neustále pristupovať k pamäti, aby mohol čítať alebo zapisovať údaje. V moderných počítačoch funkciu hlavného ukladania údajov a interakciu s procesorom vykonáva pamäť RAM.

Napriek vysokej rýchlosti výmeny dát medzi týmito dvoma komponentmi musí procesor často nečinne čakať na informácie požadované z pamäte. To zase vedie k zníženiu rýchlosti výpočtov a celkového výkonu systému.

Na zlepšenie tejto situácie majú všetky moderné procesory cache – malú medzipamäťovú vyrovnávaciu pamäť s veľmi rýchlym prístupom, slúžiacu na ukladanie najčastejšie požadovaných údajov. Keď procesor potrebuje nejaké dáta, najprv hľadá ich kópie vo vyrovnávacej pamäti, pretože odtiaľ sa potrebné informácie získajú oveľa rýchlejšie ako z hlavnej pamäte.

Väčšina mikroprocesorov pre moderné počítače má viacúrovňovú vyrovnávaciu pamäť, ktorá pozostáva z dvoch alebo troch nezávislých vyrovnávacích pamätí, z ktorých každá je zodpovedná za zrýchlenie určitých procesov. Napríklad vyrovnávacia pamäť prvej úrovne (L1) môže byť zodpovedná za zrýchlenie načítania strojových inštrukcií, druhá (L2) - zrýchlenie zápisu a čítania dát a tretia (L3) - zrýchlenie prekladu virtuálnych adries na fyzické tie.

Jednou z najväčších výziev, ktorým vývojári čelia, je nájdenie optimálnej veľkosti vyrovnávacej pamäte. Na jednej strane môže veľká vyrovnávacia pamäť obsahovať viac údajov, čo znamená, že percento, ktoré medzi nimi procesor nájde tých správnych, je vyššie. Na druhej strane, čím väčšia je veľkosť vyrovnávacej pamäte, tým väčšia je latencia pri získavaní údajov z nej.

Preto majú vyrovnávacie pamäte rôznych úrovní rôzne veľkosti, pričom vyrovnávacia pamäť prvej úrovne je najmenšia, ale zároveň aj najrýchlejšia a tretia je najväčšia, no zároveň aj najpomalšia. Vyhľadávanie údajov v nich prebieha podľa princípu od najmenšieho po najväčšie. To znamená, že procesor sa najprv pokúsi nájsť potrebné informácie vo vyrovnávacej pamäti L1, potom v L2 a potom v L3 (ak je k dispozícii). Ak požadované údaje chýbajú vo všetkých vyrovnávacích pamätiach, pristúpi sa k RAM.

Vo všeobecnosti účinnosť vyrovnávacej pamäte, najmä 3. úrovne, závisí od charakteru prístupu programu k pamäti a architektúry procesora. Napríklad v niektorých aplikáciách môže prítomnosť L3 cache priniesť 20% nárast výkonu a v niektorých to neovplyvní vôbec. Preto sa v praxi pri výbere procesora pre váš počítač sotva oplatí riadiť charakteristikami viacúrovňovej vyrovnávacej pamäte.

Integrovaná grafika

S rozvojom výrobných technológií a v dôsledku toho so znížením veľkosti čipov majú výrobcovia možnosť umiestniť do procesora ďalšie mikroobvody. Prvým z nich bolo grafické jadro, ktoré má na starosti zobrazovanie obrazu na monitore.

Toto riešenie vám umožňuje znížiť celkové náklady na počítač, pretože v tomto prípade nie je potrebné používať hotelovú grafickú kartu. Je zrejmé, že hybridné procesory sú zamerané na využitie v rozpočtových systémoch a podnikovom sektore, kde je výkon grafickej zložky až druhoradý.

Prvý príklad integrácie video procesora do „normálneho“ CPU predviedol Intel začiatkom roku 2010. To samozrejme neprinieslo žiadnu revolúciu, keďže grafika bola doteraz úspešne integrovaná do čipsetov základných dosiek.

Kedysi bol rozdiel vo funkčnosti medzi integrovanou a diskrétnou grafikou zásadný. Dnes môžeme hovoriť len o rozdielnom výkone týchto riešení, keďže vstavané video čipy sú schopné zobrazovať obraz na viacerých monitoroch v akomkoľvek dostupnom rozlíšení, vykonávať 3D akceleráciu a hardvérové ​​kódovanie videa. V skutočnosti sa integrované riešenia z hľadiska ich výkonu a možností dajú porovnať s grafickými kartami nižšej triedy.

Intel do svojich procesorov integruje grafické jadro pod nenáročným názvom IntelHDGraphics vlastnej konštrukcie. Zároveň Core 2, procesory Celeron a staršie modely Core i7 nemajú integrované grafické jadrá.

AMD, ktoré v roku 2006 uskutočnilo fúziu s gigantom na výrobu grafických kariet, kanadskou spoločnosťou ATI, do svojich riešení vkladá video čipy z rodiny Radeon HD. Niektoré z nových procesorov spoločnosti navyše kombinujú procesorové jadrá x86 a grafiku Radeon na jednej matrici. Jedna jednotka vytvorená zlúčením centrálneho (CPU) a grafického (GPU) procesora sa nazýva APU, Accelerated Processor Unit. Presne tak sa (APU) teraz nazývajú procesory série A a E.

Vo všeobecnosti je integrovaná grafika od AMD výkonnejšia ako Intel HD a zdá sa, že je preferovaná pre herné aplikácie.

RežimTurbo

Mnohé moderné procesory sú vybavené technológiou, ktorá im v niektorých prípadoch umožňuje automaticky zvýšiť rýchlosť hodín nad nominálnu, čo vedie k zvýšeniu výkonu aplikácie. V skutočnosti je táto technológia „samopretaktovaním“ procesora. Doba chodu Turbo sa bude líšiť v závislosti od prevádzkových podmienok, pracovného zaťaženia a dizajnu platformy.

Intel vo svojich procesoroch používa vlastnú technológiu inteligentného pretaktovania s názvom Turbo Boost. Používa sa v produktívnych rodinách Core i5 a Core i7.

Zabudovaný riadiaci systém sledovaním parametrov súvisiacich so zaťažením CPU (napätie a prúd, teplota, výkon) zvyšuje taktovaciu frekvenciu jadier v prípade, že maximálny tepelný paket (TDP) procesora nedosahuje ešte dosiahnuté. V prítomnosti uvoľnených jadier sú deaktivované a uvoľňujú svoj potenciál pre tie, ktoré používajú aplikácie. Čím menej jadier je zapojených do výpočtov, tým vyššia je rýchlosť hodín čipov zapojených do výpočtov. Pri jednovláknových aplikáciách môže byť zrýchlenie až 667 MHz.

AMD má aj vlastnú technológiu na dynamické pretaktovanie najviac zaťažovaných jadier a používa ju len vo svojich 6 a 8-jadrových čipoch, medzi ktoré patria série Phenom II X6 a FX. Nazýva sa Turbo Core a môže fungovať iba vtedy, ak je počet zaťažených jadier v procese výpočtu menší ako polovica ich celkového počtu. To znamená, že v prípade 6-jadrových procesorov by počet neaktívnych jadier mal byť najmenej tri a 8-jadrové procesory - štyri. Na rozdiel od Intel Turbo Boost táto technológia neovplyvňuje zvýšenie frekvencie o počet voľných jadier a je vždy rovnaké. Jeho hodnota závisí od modelu procesora a pohybuje sa od 300 do 600 MHz.

Záver

Na záver sa pokúsme prakticky nadobudnuté poznatky s prínosom aplikovať. Napríklad populárny obchod s počítačovou elektronikou predáva dva procesory Intel Core i5 s rovnakým taktom 2,8 GHz. Poďme sa pozrieť na ich popisy prevzaté z webovej stránky obchodu a pokúsime sa pochopiť ich rozdiely.




Ak sa pozriete pozorne na snímky obrazovky, napriek tomu, že oba procesory patria do rovnakej rodiny, nemajú toľko spoločného: frekvenciu hodín a počet jadier. Ostatné charakteristiky sa líšia, ale prvá vec, ktorú by ste mali venovať pozornosť, sú typy konektorov, v ktorých sú oba procesory nainštalované.

Intel Core i5 760 má Socket 1156, čo znamená, že patrí k zastaranej generácii procesorov. Jeho kúpa bude opodstatnená iba vtedy, ak už základnú dosku s takouto zásuvkou v počítači máte a nechcete ju meniť.

Novší Core i5 2300 sa už vyrába tenšou procesnou technológiou (32 nm oproti 45 nm), čo znamená, že má dokonalejšiu architektúru. Napriek o niečo menšej vyrovnávacej pamäti L3 a „samo-pretaktovaniu“ tento procesor výkonovo svojmu predchodcovi určite neustúpi a prítomnosť integrovanej grafiky si vystačí s kúpou samostatnej grafickej karty.

Napriek tomu, že oba procesory majú rovnaký odvod tepla (95 W), Core i5 2300 bude v rovnakých podmienkach chladnejší ako jeho predchodca, keďže už vieme, že modernejší technologický postup poskytuje nižšiu spotrebu. To zase zvyšuje jeho potenciál pretaktovania, čo je dobrá správa pre počítačových nadšencov.

Teraz sa pozrime na príklad založený na procesoroch AMD. Tu máme špeciálne vybrané procesory z dvoch rôznych rodín – Athlon II X4 a Phenom II X4. Teoreticky je línia Phenom produktívnejšia ako Athlon, ale poďme sa pozrieť na ich charakteristiky a rozhodnúť, či je všetko také jednoduché.



Z charakteristiky je vidieť, že oba procesory majú rovnakú taktovaciu frekvenciu a počet výpočtových jadier, takmer identický odvod tepla a tiež obom chýba integrované grafické jadro.

Prvý rozdiel, ktorý vás okamžite upúta, je, že procesory sú inštalované v rôznych zásuvkách. Napriek tomu, že oba (konektory) sú v súčasnosti výrobcami základných dosiek aktívne podporované, Socket FM1 vyzerá z pohľadu budúcich upgradov z tejto dvojice o niečo lepšie, keďže sa tam dajú osadiť nové procesory série A (APU).

Ďalšou výhodou Athlonu II X4 651 je tenší a modernejší technologický postup, akým bol vyrobený. Phenom II reaguje režimom Turbo a vyrovnávacou pamäťou L3.

Situácia je teda nejednoznačná a kľúčovým tu môže byť maloobchodná cena, ktorá je pri procesore z radu Athlon II o 20 – 25 % nižšia ako pri Phenom II. S prihliadnutím na perspektívnejšiu platformu (Socket FM1) vyzerá kúpa Athlonu II X4 651 atraktívnejšie.

Samozrejme, aby ste mohli jednoznačnejšie hovoriť o výhodách určitých modelov procesorov, musíte vedieť, na akej architektúre sú založené, ako aj ich skutočný výkon v rôznych aplikáciách, meraný v praxi. V ďalšom článku sa bližšie pozrieme na modernú zostavu mikroprocesorov Intel a AMD pre stolné počítače, zoznámime sa s charakteristikami rôznych rodín CPU a poskytneme aj porovnávacie výsledky ich výkonu.

Čo je to procesor? Tu si môžete prečítať malú terminológiu tohto pojmu. Pozrieme sa na to, z čoho sa skladá, aké je jadro procesora, systémová zbernica, vyrovnávacia pamäť procesora, aké má procesor konektory, ako aj populárni výrobcovia. Teraz poďme k veci.

Procesor (CPU respCPU) Je zariadenie alebo obvod, ktorý vykonáva strojové inštrukcie (inštrukcie). Je to najdôležitejšia súčasť každého počítača a notebooku. Vykonáva akékoľvek, logické aj aritmetické operácie. Tiež ovláda všetky zariadenia pripojené k PC.

V súčasnosti sú procesory obvod (mikroprocesor) a sú to malé tenké dosky štvorcového tvaru. Tento diagram obsahuje prvky, ktoré zabezpečujú funkčnosť samotného procesora a PC ako celku. Takúto platničku chráni plastové alebo keramické puzdro, spojené zlatými drôtikmi s kovovými očkami. Tento dizajn umožňuje pripojenie procesora k základnej doske.

Z čoho je vyrobený procesor?

• Registre
• Aritmetická logická jednotka
• Dátové a adresové zbernice
• Rýchla vyrovnávacia pamäť
• Matematický koprocesor

Pre špecialistov rôznych profesií je koncept architektúry procesora mierne odlišný. Napríklad programátori si myslia, že architektúra procesora je vtedy, keď je procesor schopný vykonávať sady strojových kódov. Počítačoví dizajnéri uvažujú inak, a to tak, že architekt procesora odráža niektoré vlastnosti a kvality, ktoré sú vlastné celej rodine procesorov (inými slovami, organizácia procesorov alebo ich vnútorný dizajn). Napríklad existuje taká architektúra ako Intel Pentium, je označená ako P5. Napríklad Pentium IV sa označuje ako NetBurst.

Model architektúry procesora Pentium 4

Aj keď sú procesory rovnakej architektúry, môžu sa líšiť. V prvom rade je to, samozrejme, rozdiel v procesore, ktorý dáva samotnému procesoru akékoľvek vlastnosti. Samozrejme sa môžu líšiť ako veľkosťou cache, tak aj rozdielmi vo frekvencii systémovej zbernice. Pojem jadro procesora v skutočnosti nemá jasnú definíciu, ale umožňuje zvýrazniť vlastnosti akéhokoľvek modelu.


Ak dôjde k výmene jadra, s najväčšou pravdepodobnosťou bude potrebné vymeniť päticu procesora, čo so sebou prináša určité ťažkosti spojené s kompatibilitou základných dosiek. Samozrejme, vývojári neustále pracujú na vylepšovaní jadier. Takéto inovácie sa nazývajú základné revízie a sú zase označené abecednými a číselnými hodnotami.

Čo je to systémová zbernica?

Systémová alebo procesorová zbernica (FSB) - je súbor signálnych vedení, kombinovaných podľa ich účelu. Jednoducho povedané, systémová zbernica spája všetky komponenty počítača s procesorom, či už, alebo. Procesor je pripojený iba na systémovú zbernicu, ostatné zariadenia sú pripojené cez špeciálne ovládače.




Čo je to zásuvka procesora (zásuvka)?

Existujú dva typy konektorov (zásuviek) - hniezdenie a štrbinový... Aj keď sa dá považovať za jednu päticu, pretože je určená len na inštaláciu procesora. Soket výrazne uľahčuje výmenu procesora. Tiež by mohol byť odstránený na dobu opravy počítača. Mimochodom, ak niečo, tento konektor sa nachádza na. Intel a AMD majú svoje vlastné typy konektorov, ktoré je možné zobraziť.




Čo je to register procesora?

Register v procesore je blok buniek, ktoré tvoria ultrarýchlu pamäť s náhodným prístupom. Túto pamäť využíva iba procesor.

Čo je vyrovnávacia pamäť procesora?

Kesh Je to technológia, ktorá je povinná vo všetkých moderných procesoroch, nazýva sa aj rýchla pamäť. Technológia vyrovnávacej pamäte je vyrovnávacia pamäť medzi procesorom a radičom, čo je pomalá pamäť. Buffer je úložisko dátových blokov, ktoré sa práve spracúvajú, takže procesor nemusí kontaktovať správcu. Táto vlastnosť veľmi dobre zvyšuje výkon procesora.

V súčasnosti existuje niekoľko úrovní vyrovnávacej pamäte. L1 - vyrovnávacia pamäť prvej úrovne, je najrýchlejší a pracuje priamo s jadrom. Ďalej prichádza vyrovnávacia pamäť L2 ktorý komunikuje s L1. Veľkosť tejto vyrovnávacej pamäte je oveľa väčšia ako veľkosť L1. Niekedy sa môže vyskytnúť a vyrovnávacia pamäť tretej úrovne - L3... Je dosť pomalý a má ešte väčší objem ako L2, ale opäť je rýchlejší ako systémová pamäť.

Tiež cache je rozdelená na exkluzívne a nie exkluzívne.

Prvým typom je vyrovnávacia pamäť, v ktorej sú dáta rozdelené na pôvodné dáta v prísnom poradí. Nevýhradná vyrovnávacia pamäť sa vzťahuje na vyrovnávaciu pamäť, ktorej údaje sa môžu opakovať na všetkých úrovniach vyrovnávacej pamäte. Napríklad Intel nepoužíva exkluzívny typ, ale AMD používa zodpovedajúci exkluzívny. Ťažko povedať, čo je lepšie, obe majú výhody aj nevýhody.

V dnešnej dobe hrajú procesory zvláštnu rolu len v reklame, snažia sa zo všetkých síl presvedčiť, že práve procesor v počítači je rozhodujúcim komponentom, najmä taký výrobca ako Intel. Vynára sa otázka: čo je moderný procesor a čo je to procesor vo všeobecnosti?

Dlhú dobu, presnejšie až do 90. rokov, to bol procesor, ktorý určoval výkon počítača. Všetko určoval procesor, no dnes to už celkom neplatí.

Nie všetko určuje centrálna procesorová jednotka a procesory od Intelu nie sú vždy uprednostňované pred tými od AMD. V poslednej dobe sa úloha iných počítačových komponentov výrazne zvýšila a domáce procesory sa zriedka stávajú prekážkou, ale rovnako ako iné počítačové komponenty si vyžadujú ďalšie zváženie, pretože bez nich nemôže existovať žiadny počítač. Samotné procesory už dávno nie sú údelom viacerých typov počítačov, keďže rôznorodosť počítačov sa rozrástla.

Procesor (centrálna procesorová jednotka) je veľmi zložitý mikroobvod, ktorý spracováva strojový kód, ktorý je zodpovedný za vykonávanie rôznych operácií a ovládanie počítačových periférií.

Pre krátke označenie centrálneho procesora sa používa skratka - CPU a tiež veľmi rozšírený CPU - Central Processing Unit, čo sa prekladá ako centrálna procesorová jednotka.

Použitie mikroprocesorov

Zariadenie, akým je procesor, je integrované takmer do každého elektronického zariadenia, čo povedať o zariadeniach, ako je televízor a videoprehrávač, dokonca aj v hračkách a samotné smartfóny sú už počítače, aj keď s iným dizajnom.

Viaceré jadrá CPU môžu nezávisle na sebe vykonávať úplne odlišné úlohy. Ak počítač vykonáva iba jednu úlohu, jej vykonávanie sa zrýchli v dôsledku paralelizácie typických operácií. Výkon môže nabrať celkom jasnú čiaru.

Interný frekvenčný multiplikačný faktor

Signály môžu cirkulovať vo vnútri kryštálu procesora s vysokou frekvenciou, hoci procesory zatiaľ nedokážu spracovať externé komponenty počítača na rovnakej frekvencii. V tomto ohľade je frekvencia, s ktorou základná doska pracuje, jedna a frekvencia procesora je iná, je vyššia.

Frekvenciu, ktorú procesor prijíma zo základnej dosky, môžeme nazvať referenčnou, on ju zase násobí vnútorným koeficientom, čoho výsledkom je vnútorná frekvencia, nazývaná interný multiplikátor.

Schopnosti interného frekvenčného multiplikátora veľmi často využívajú overlockery na uvoľnenie potenciálu pretaktovania procesora.

CPU cache

Procesor prijíma údaje pre následnú prácu z pamäte RAM, ale vo vnútri mikroobvodov procesora sa signály spracovávajú veľmi vysokou frekvenciou a samotné volania do modulov RAM sú mnohokrát menej časté.

Vysoký koeficient interného frekvenčného multiplikátora je efektívnejší, keď sú v ňom všetky informácie, napríklad v porovnaní s RAM, teda zvonku.

Procesor má málo buniek na spracovanie dát, nazývaných registre, do ktorých väčšinou neukladá takmer nič a na zrýchlenie práce procesora a s ním aj počítačového systému bola integrovaná technológia cachovania.

Malý súbor pamäťových buniek možno nazvať vyrovnávacou pamäťou, ktorá zase funguje ako vyrovnávacia pamäť. Keď dôjde k čítaniu zo zdieľanej pamäte, vo vyrovnávacej pamäti CPU sa zobrazí kópia. Je to potrebné, aby ste v prípade potreby rovnakých údajov mali prístup k nim hneď po ruke, teda vo vyrovnávacej pamäti, čo zvyšuje výkon.

Vyrovnávacia pamäť v súčasných procesoroch je pyramídová:

1. Cache 1. úrovne je veľkosťou najmenšia, no zároveň najrýchlejšia v rýchlosti, je súčasťou kryštálu procesora. Vyrába sa pomocou rovnakých technológií ako registre procesora, je veľmi drahý, ale stojí za rýchlosť a spoľahlivosť. Hoci sa meria v stovkách kilobajtov, čo je veľmi málo, hrá obrovskú úlohu vo výkone.
2. Cache pamäť 2. úrovne – rovnako ako 1. úroveň, je umiestnená na kryštáli procesora a pracuje na frekvencii jeho jadra. V moderných procesoroch sa meria od stoviek kilobajtov po niekoľko megabajtov.
3. Cache pamäť 3. úrovne je pomalšia ako predchádzajúce úrovne tohto typu pamäte, ale je rýchlejšia ako RAM, čo je dôležité, a meria sa v desiatkach megabajtov.

Veľkosti vyrovnávacej pamäte L1 a L2 ovplyvňujú výkon aj náklady na procesor. Tretia úroveň vyrovnávacej pamäte je akýmsi bonusom pri prevádzke počítača, no ani jeden z výrobcov mikroprocesorov sa neponáhľa s jej zanedbaním. Vyrovnávacia pamäť 4. úrovne existuje a ospravedlňuje sa vo viacprocesorových systémoch, preto ju nebude možné nájsť na bežnom počítači.

Inštalačná zásuvka procesora (Soket)



Pochopiac, že ​​moderné technológie nie sú také pokročilé, že procesor bude schopný prijímať informácie na diaľku, nemal by byť variabilne pripevnený, pripevnený k základnej doske, inštalovaný do nej a interagovať s ňou. Tento držiak sa nazýva Soket a je vhodný len pre konkrétny typ alebo rodinu procesorov, ktoré sa navyše líšia od rôznych výrobcov.

Čo je to procesor: architektúra a technologický proces

Architektúra procesora je jeho vnútorná štruktúra, rozdielne usporiadanie prvkov určuje aj jeho vlastnosti. Samotná architektúra je vlastná celej rodine procesorov a vykonané zmeny a zamerané na zlepšenie alebo opravu chýb sa nazývajú krokovanie.

Technologický postup určuje veľkosť komponentov samotného procesora a meria sa v nanometroch (nm) a menšia veľkosť tranzistorov určuje menšiu veľkosť samotného procesora, k čomu smeruje vývoj budúcich CPU.

Spotreba energie a odvod tepla

Samotná spotreba energie priamo závisí od technológie, ktorou sú procesory vyrábané. Menšie rozmery a vyššie frekvencie sú priamo úmerné spotrebe energie a odvodu tepla.

Na zníženie spotreby energie a odvodu tepla je k dispozícii energeticky úsporný automatický systém na úpravu zaťaženia procesora v prípade, že nie je potrebný výkon. Vysokovýkonné počítače majú nevyhnutne dobrý systém chladenia procesora.

Zhrnutie materiálu článku - odpoveď na otázku, čo je spracovateľ:

Dnešné procesory majú schopnosť viackanálovej práce s RAM, postupne sa objavujú nové inštrukcie, vďaka ktorým sa zvyšuje ich funkčná úroveň. Schopnosť spracovávať grafiku samotným procesorom poskytuje nižšie náklady ako pre samotné procesory, tak aj vďaka nim pre kancelárske a domáce počítačové zostavy. Pre praktickejšie rozloženie výkonu sa objavujú virtuálne jadrá, vyvíjajú sa technológie a s nimi aj počítač a taká jeho súčasť, akou je centrálny procesor.