Процесор - це одна з найголовніших частин комп'ютера, його мозок. Він керує його обчислювальною частиною, виконує коди програм. Інакше процесор називають мікропроцесором. А в перекладі з англійської абревіатури CPU означає центральний процесорний пристрій.

Перший процесор подібного роду був винайдену компанії Intel. Дата появи світ 15 листопада 1971 року. Це був перший чотирибітний процесор під назвою intel 4004. Він дуже відрізнявся від сучасних нащадків потужністю, дизайном. Мав тактову частотуне більше 740 кГц, шістнадцять чотирибітних виходів та стільки ж входів. Він активно використовувався у світлофорах, аналізаторах крові, а потім у зонді Піонер-10. Звичайно, у всіх перших ЦПУ було дуже слабке ядро ​​для операцій обчислення.

Що таке процесор

Процесор або CPU (як розшифровується абревіатура було написано раніше) обробляє отриману інформацію з інших пристроїв. Він робить це як у власній пам'яті, так і в пам'яті інших пристроїв. Крім цього пристрій може самостійно керувати роботоюінших елементів материнської плати, як вбудованих, і дискретних.

ЦП знаходиться не лише у материнській платі. У відеокартах є власні пристрої або GPU (графічні процесори). Вони відповідають за продуктивність відеота виведення на екран зображення. Можна зробити висновок, що там, де необхідні складні математичні обчислювальні роботи, де необхідне управління командами та взаємодією між електронними деталями пристроїв – завжди потрібен мозок, який збиратиме все воєдино і створюватиме правила, не дасть процесу текти хаотично. Цим мозком служить центральний процесорний пристрій (ЦПУ).

Потужність залежитьвід вкладеної виробником швидкості зіставлення команд, обробки даних. Швидкість та багато інших параметрів залежить від кількості транзисторів, що у пристрої, кількості ядер, його розрядності. А здатність виконувати певний набір команд називається архітектурою ЦПУ.

Що таке архітектура процесора

Під архітектурою ЦПУ мається на увазі сумісність пристроюз певним набором команд, способи виконання, структури. За кількістю та швидкості виділяються RISC та CISC.

RISCу перекладі означає комп'ютер зі скороченим набором команд. Для такої архітектури характерно збільшення швидкодії з допомогою спрощення інструкцій. Таким чином, збільшується тактова частота і підвищується розподіл їх між блоками.

Для ЦПУ із RISC архітектурою характерна фіксація довжиниінструкцій машини (32 біти), відсутність операцій «читати-записати-змінити». У мікропроцесорі з такою архітектурою не можна знайти мікропрограми усередині нього. Команди виконуються як стандартний машинний код.

CISCархітектура – ​​це комплексний набір команд. Слід сказати, що всі нинішні ЦП побудовані за цією архітектурою. Багато сучасні процесори створені з урахуванням даної архітектури але з RISC ядром. Від RISC її відрізняє нефіксоване число довжини команд, всі дії кодовані в одній команді, мала кількість регістрів.

Різновиди CPU

ЦП поділяються на видиза виробниками, по монтажу, за кількістю ядер за багатьма іншими параметрами. Все це умовно та досить складно. Розглянемо основні їх.

ЦПУ по виробникамділяться на Intel, AMD, VIA. ЦПУ від компанії Інтел поділяються на лінійки i3, i5, i7. Кожна лінійка має від двох ядер, наприклад, i3, до чотирьох і більше (i5, i7, i9). Кожна лінійка має у собі кілька поколіньЦПУ. Кожне покоління модифікується з допомогою додавання ядер, збільшення швидкості обчислювальних робіт. До цих пір ще не вийшли з використання більш старі лінійки від Інтел, такі як core 2 duo та інші.

ЦПУ від AMD відрізняються тим, що ця фірма випускає гібридні пристрої. А також включають графічний чіп. Тому часом дискретна відеокарта не потрібна. Це ефективні робочі конячки. Єдиний мінус – це швидке підвищення температури. Вони набагато гарячіші, ніж процесори фірми Intel.

CPU тайванської компанії VIA не такі популярні. Вони можуть скласти конкуренцію таким фірмам гігантам як Intel чи AMD.

Пристрої діляться за розрядністю. Розрядність – це обсяг обробки даних за один такт, якими ЦПУ обмінюється із ОЗУ. Їх всього дві – 32 розрядний та 64 розрядний. На комп'ютер з 32-розрядним ЦП встановлюється Windows лише 32 бітна. Обмеження оперативної пам'яті до 4 гігабайт. 64-розрядний процесор був випущений, як розширення першого. Тому на нього можна встановити як 32, так і 64 бітну систему. Обмеження з ОЗУ вже становить 16 терабайт.

за кількості ядерЦПУ ділиться на двоядерні, чотириядерні, шести-, восьми ядерні та ін. Що більше ядер, то більше потоків, отже продуктивність комп'ютера збільшується.

Купуючи процесор зі вбудованою відеокартою, користувачеві не потрібно додатково витрачатися на дискретну. Сучасні процесори із вбудованою відеокартою цілком дозволяють працювати з багатьма невибагливими програмами та грати у старі ігри. Для нових ігор або важких програм таких, як автокад, фотошоп, які посилено задіяють графічні обчислення, додаткова відеокарта все-таки знадобиться.

По архітектурі процесори можна розділити на RISC та CISC (які розглядалися раніше), а також буферний, препроцесор та процесор-клон. Буферний — використовується проміжної обробки інформації, тобто. виконує роль буфера між центральним процесором та пристроями. Препроцесор - або програма для попередньої обробки, або пристрій, який виконує ті ж функції, що буферний. Клони - це копії процесорів популярних фірм, які не завжди є повністю ідентичними, часто виробники їх удосконалять і додають свої технології.

З чого складається принцип роботи

Нижче на малюнку побачите внутрішню схему параметрів, у тому числі складається процесор. Зовні він уявляє собою кремнієву пластинуз мільярдами транзисторів, з допомогою яких обмінюється сигналами коїться з іншими пристроями.

Головними пристроями будь-якого ЦПУ є ядро ​​або кілька ядер, два або три рівні кеш-пам'яті, контролер оперативного пристрою, контролер системних шин.

Ядро включає в себе блок вибірки інструкцій, провісника переходів, блоків декодування, вибірки даних, виконання інструкцій, керуючого блоку, блок переривання, регістрів та лічильника команд.

Найважливішими є блок роботи з перериваннями. Він дозволяє зупиняти програми та своєчасно реагувати на події, що відбуваються. Тобто, цей блок відповідає за багатозадачність процесора.

Кеш-пам'ять відповідає за тимчасове зберігання інформації, до якої найчастіше звертається користувач. За рахунок неї збільшується швидкість доставки даних до регістру ЦПУ.

Контролер оперативно-запам'ятувального пристрою знаходиться у північному мості. Він відповідає за з'єднання ЦП із вузлами ОЗУ, графічного контролера.

Контролер системних шин відповідає за передачу двійкових кодів.

Так як процесор виконує практично всю роботу і сильно навантажений, відповідно повинна працювати система тепловідведення. Вимоги щодо тепловідведення або tdp прописані для кожного процесора. Вони показують не максимальні значення, а мінімальні за нормальних умов роботи. Якщо комп'ютер перегрівається, через погане охолодження температура піднімається. При спрацьовуванні сигналу перегрівукомп'ютер вимикається чи пропускає частину циклів роботи. Тобто, він може підвисати, повільно працювати.

Основні характеристики ЦПУ

До основних характеристик CPU відносяться:

• кількість ядер. Вони відповідають за програми, що одночасно працюють. Але це не означає, що чим більше ядер, тим швидше працюватиме програма. Якщо утиліта оптимізована під два ядра, вона працюватиме на двох ядрах і трохи більше.
• ЧастотаCPUкерує швидкістю обміну інформацією процесора із системною шиною.
• Техпроцес. На даний момент дорівнює 22 нанометрам. Техпроцесом є обсяг транзисторів. Вони відповідають за продуктивність. Чим менший розмір, тим більше їх розмістити на кристалі ЦП.
• Тактова частота. Це кількість обчислень за одиницю часу. Чим більше тим краще. Але не слід забувати і про інші характеристики.
• Сокетобчислювального пристрою. Необхідно, щоб сокет збігався із сокетом материнської плати.

З кожним роком технологія все вдосконалюється та вдосконалюється. Тому дані можуть змінюватися рік у рік.

У цій статті ми розповімо, що таке центральний процесор і як він працює.

Центральний процесор або процесор – один із найважливіших компонентів, який ми можемо знайти практично у всіх сучасних високотехнологічних пристроях.

Однак у більшості з нас є досить погані уявлення про те, що вони роблять і як це роблять, про те, як вони стали складними технологічними чудесами, які основні сучасні типи.

Отже, сьогодні ми спробуємо докладно розповісти про найважливіші аспекти різних компонентів, які дають життя всім тим пристроям, які допомагають нам насолоджуватися вищою якістю життя.

Що таке центральний процесор?

Хоча не можна сказати, що в комп'ютері є одна найважливіша частина, оскільки більше одного з них абсолютно необхідні для його роботи, центральний процесор або процесор можна вважати наріжним каменем цих машин. І саме цей компонент відповідає за обчислення, впорядкування чи обробку, концепції, які визначають сучасні комп'ютери та ноутбуки.

На даний момент вони є складними технологіями, розробленими з використанням мікроскопічних архітектур, більшість з яких представлені у вигляді одного чіпа, досить невеликого, звідти вони називалися мікропроцесорами кілька десятиліть тому.

Сьогодні процесори знаходяться практично в кожному об'єкті, який ми використовуємо в наші дні: телевізори, смартфони, мікрохвильові печі, холодильники, автомобілі, звукове обладнання та, звичайно, персональні комп'ютери. Проте, це були не завжди чудеса технологій, якими вони зараз.

Історія виникнення процесорів

Був час, коли процесори складалися з величезних арматів, які могли заповнити кімнату. Ці перші кроки комп'ютерної інженерії здебільшого складалися з порожніх трубок, які, хоча на той час були значно потужнішими для альтернатив, утворених електромеханічними реле, сьогодні 4 МГц, які більшою мірою вони досягали, здавались нам сміхом.

З появою транзисторів у 50-х і 60-х роках почалося створення процесорів, на додаток до менших і потужніших, а також набагато надійніших, оскільки машини, створені вакуумними трубами, як правило, мали середню відмову кожні 8 годин.

Однак коли ми говоримо про скорочення, ми не маємо на увазі, що вони вписуються в долоню. І все ще великі процесори складалися з десятків друкованих плат, пов'язаних один з одним, щоб забезпечити життя одному процесору.

Після цього з'явився винахід інтегральної схеми, яка пов'язувала в основному все в одній друкованій платі або пластині, що стало першим кроком до досягнення сучасного мікропроцесора. Перші інтегральні схеми були дуже простими, оскільки вони могли групувати лише кілька транзисторів, але протягом багатьох років вдалося досягти експоненційного зростання числа транзисторів, які можна було б додати в інтегральну схему, до середини шістдесятих років. Ми мали перші складні процесори, які складалися з однієї пластини.

Перший мікропроцесор як такий буде представлений на ринку вже в 1971 році, це був Intel 4004, а відтоді - історія. Завдяки швидкій еволюції цих невеликих чіпів та їх великої гнучкості вони повністю монополізували комп'ютерний ринок, оскільки, крім дуже специфічних додатків, потребують високоспеціалізованого устаткування, є ядром майже всіх сучасних комп'ютерів.

Як працює центральний процесор (ЦП)?

Спрощення до крайності та у дидактичних термінах робота процесора дається чотирма фазами. Ці фази необов'язково завжди роздільні, але зазвичай перекриваються завжди відбуваються одночасно, але не обов'язково для конкретної функції.

На першому етапі процесор відповідає за завантаження коду з пам'яті. Іншими словами, прочитайте дані, які потрібно обробити пізніше. У цій першій фазі існує загальна проблема в архітектурі процесорів і полягає в тому, що існує максимум даних, які можуть зчитуватися за періодом часу і зазвичай поступаються тим, які можуть бути оброблені.

У другій фазі відбувається перший етап обробки як такої. Інформація, прочитана першому етапі, аналізується відповідно до набором інструкцій. Таким чином, в межах прочитаних даних будуть описові фракції для набору інструкцій, які вкажуть, що робити з іншою інформацією. Щоб навести практичний приклад, є код, який вказує, що дані пакета повинні бути додані разом з даними іншого пакета, причому кожен пакет є інформацією, яка описує число, за допомогою чого виходить загальна арифметична операція.

Потім йде фаза, яка продовжується з вільною обробкою, та відповідає за виконання команд, декодованих на другій фазі.

Зрештою, процес завершується фазою запису, де знову завантажується інформація, лише цього разу від процесора до пам'яті. У деяких випадках інформація може бути завантажена в пам'ять процесора, яка буде повторно використана пізніше, але як тільки обробка конкретної роботи буде завершена, дані завжди закінчуються записом в основну пам'ять, де вона може бути записана блок зберігання, в залежності від програми.

Основні сучасні архітектури процесорів

Як ми вже говорили, функція процесора полягає в інтерпретації інформації. Дані завантажуються з різних систем пам'яті у вигляді двійкового коду, і саме цей код має бути перетворений процесором на корисні дані додатками. Зазначена інтерпретація реалізується за допомогою набору інструкцій, що визначає архітектуру процесора.

В даний час в основному використовуються дві архітектури RISC та CISC. RISC дає життя процесорам, розробленим британською фірмою ARM, яка зі зростанням мобільних пристроїв значно зросла. Крім того, PowerPC, архітектура, яка дала життя комп'ютерам Apple, серверам та консолям Xbox 360 та PlayStation 3, заснована на RISC. CISC – це архітектура, що використовується у процесорах AMD Intel та X86-64 X86.

Що стосується архітектури, яка краще, то завжди говорилося, що бути більш чистим та оптимізованим RISC буде майбутнє обчислень. Тим не менш, Intel і AMD ніколи не піддавалися на вигині і зуміли створити дуже міцну екосистему навколо своїх процесорів, які, хоч і сильно забруднені застарілими елементами зворотної сумісності, завжди підтримували своїх конкурентів.

Загалом, завдяки своїй гнучкості та відносній простоті виробництва, протягом кількох років більше процесорів залишиться центральним елементом сучасних обчислень. Але ми завжди повинні пам'ятати, що з плином років розвиваються паралельні технології, які допомагають децентралізувати навантаження, і сьогодні більш ніж будь-коли графічні процесори, потужніші, але менш гнучкі, почали набувати майже такого ж значення.

Відео: Що таке CPU [Центральний процесор, ЦП] - Швидко і Зрозуміло!

Користувачі комп'ютерів часто плутають між собою такі два поняття як системний блок і процесор, називаючи перший - другим. Це докорінно неправильно. Сам процесор - це пристрій, призначений керувати роботою по заздалегідь заданої послідовності команд, що називається програмою, й у виконання операцій із обробці інформації.

Крім того, є інші пристрої з схожою назвою. Наприклад, текстовий процесор призначений для створення документів та їх форматування. До такого типу програм належить Microsoft Word.

Що це таке?

А сам пристрій, що є мозком комп'ютера, називають мікропроцесором. Навіщо призначений процесор у комп'ютері? Це така, яка управляє роботою персонального комп'ютера. Створюється така схема одному чи кількох кристалах, зроблених з напівпровідника з допомогою дуже складної технології, що належить до сфери мікроелектроніки.

Все те, що може робити комп'ютер з інформацією, визначено самого процесора. Вони входять в інструкції з керування комп'ютером. Одна окрема команда - це одна операція, що виконується обчислювальною машиною. Наприклад, виконання арифметичних дій, визначення послідовності команд для виконання, передачі інформації з пам'яті одного пристрою в пам'ять іншого.

Така коротка у відповідь питання, навіщо призначений процесор.

Пристрій

Так як процесор - це пристрій, призначений для обробки даних, він складається з наступних елементів:

• арифметико-логічний устрій;
• пристрій керування;
• регістри пам'яті.

Пристрій управління, як відомо з його назви, за заданою програмою управляє всіма вузлами комп'ютера. Воно отримує кожну наступну команду з регістру, дізнається з неї, яку операцію необхідно виконати, і в якій послідовності. Це своєрідний диригент, який керує цілим оркестром. А музичною композицією є якраз програма.

Складові частини

Арифметико-логічний пристрій - це інструмент для обчислень, яке, виконуючи програми, виконує операції, пов'язані з арифметикою та логікою.

Регістри є внутрішньою пам'яттю центрального процесора. Один регістр можна порівняти з чернеткою, за допомогою якого пристрій робить розрахунки та зберігає їх результати. Кожен із регістрів має своє власне призначення.

Припустимо, процесор повинен скласти два якихось числа. Для виконання цієї операції в першу чергу йому потрібно взяти з пам'яті перше доданок, потім друге, скласти ці два значення, а суму знову переслати в оперативну пам'ять комп'ютера.

Зрозуміло, що обидва доданки та результат повинні процесором десь зберігатися. Для цієї мети призначений осередок, що входить безпосередньо в сам процесор, званий акумулятором або суматором. Так як процесор призначений для даних та їх обробки, він повинен розуміти, з якого осередку пам'яті потрібно брати наступну команду. Це він дізнається з іншого свого внутрішнього осередку, який називається лічильником. Команда, яка витягується з оперативної пам'яті, розміщується ще в одному осередку - регістрі команд. З нього результат виконаної команди можна перенести вже на оперативну пам'ять.

Види регістрів

Реєстри бувають кількох видів. Вони відрізняються один від одного видом операцій, які виконують. Найважливіші регістри мають власні назви:

• Лічильник команд – це регістр, що містить адресу наступної команди, яку потрібно виконати. Він служить для автоматичного вибору програми із набору пов'язаних осередків пам'яті.
• Суматор - бере участь у виконанні всіх операцій.
• Реєстр команд. У ньому зберігається команда той період часу, який необхідний виконання.

Шина даних

p align="justify"> Процесор комп'ютера призначений для роботи з інформацією. Усі його пристрої постійно нею між собою обмінюються. А роблять це за допомогою елемента, який називається внутрішня шина даних. У сучасних центральних процесорах є інші частини, але необхідним мінімумом є вищеописаний набір пристроїв.

Машинний цикл та його схема

Цей процес, як правило, складається з наступних кроків:

• Вибирається команда з комірки, адресу якої збережено у регістрі-лічильнику. Його вміст у своїй збільшується значення довжини цієї команди.
• Далі вона вирушає у пристрій управління, потрапляючи до його регістру команд.
• Адресне поле, що належить команді, розшифровується пристроєм керування.
• Останнє дає сигнал і дані зчитуються з оперативної пам'яті, потрапляючи вже в арифметико-логічний пристрій.
• Пристроєм управління розшифровується код виконуваної операції і арифметико-логічний пристрій подається сигнал про виконання цієї дії над даними, які в такому випадку називаються операндами.
• Результат виконання операції може зберегтися в самому центральному процесорі або передається в пам'ять, у випадку, коли є адреса, за яким повинен бути результат.
• Всі перераховані вище кроки виконуються до тих пір, поки не буде дано стоповий сигнал.

Характеристики

Отже, навіщо призначений процесор, зрозуміло: до виконання команд із заданої програми. Для цього він має наступні характеристики:

1. Тактова частота. Центральний процесор тісно пов'язаний з генератором, яким виробляються імпульси. Вони синхронізують роботу всіх елементів комп'ютера. Дорівнюється ця характеристика числу тактів за секунду. Один такт - це відрізок часу, що знаходиться між першим імпульсом та другим. Вимірюється тактова частота мегагерцах.
2. Розрядність. Це максимальне значення, що відповідає за число розрядів утвореного і переданого процесором одночасно. Ця характеристика визначена розрядністю його регістрів.
3. Адресний простір. До нього відноситься діапазон адрес, до яких звертається процесор, застосовуючи адресний код.

Завдяки сказаному вище можна чітко визначитися, для чого призначений процесор. Це мозок комп'ютера, без якого він ні до чого не придатний. Хіба що для прикраси інтер'єру.

Центральний процесор є ключовим компонентом будь-якого персонального комп'ютера. У цьому матеріалі ми розповімо про основні характеристики сучасних процесорів, їх технологічні особливості та базові функціональні можливості.

Вступ

Будь-який комп'ютер, будь то ноутбук, настільний ПК або планшет складається з декількох важливих компонентів, які відповідають за його функціональні можливості та працездатність в цілому. Але, мабуть, найважливішим із них є центральний процесор (ЦП, ЦПУ або CPU) - пристрій, що відповідає за всі основні обчислення та виконує машинні інструкції (код програм). Недарма саме процесор вважається мозком комп'ютера і головною частиною його апаратного забезпечення.

Як правило, вибираючи собі комп'ютер, ми в першу чергу звертаємо увагу на те, який саме процесор знаходиться в його основі, оскільки від його продуктивності безпосередньо залежатимуть можливості та функціональність вашого майбутнього ПК. Саме тому, людина, яка володіє інформацією про сучасних виробників процесорів та тенденції розвитку цього ринку, зможе грамотно визначити не лише можливості того чи іншого комп'ютерного пристрою, а й оцінити перспективність майбутньої купівлі нового ПК чи оновлення старого.

Цілком очевидно, що процесори, встановлені у всіляких комп'ютерних та електронних пристроях, відрізняються між собою не тільки своєю продуктивністю, а й конструктивними особливостями, а також принципами роботи. У рамках цього циклу ми з вами знайомитимемося з процесорами, побудованими на базі архітектуриx86, які лежать в основі більшості сучасних настільних комп'ютерів, ноутбуків і нетбуків, а також деяких планшетів.

Напевно, у багатьох читачів, особливо тих, хто тільки починає знайомитися з комп'ютером, існує певне упередження, що розумітися на всіх цих «процесорних премудростях» доля досвідчених користувачів, тому що це дуже складно. Але чи так проблематично насправді?

З одного боку, звичайно процесор – це дуже складний пристрій і досконало вивчити всі його технічні характеристики справді непросто. Ще більше погіршує ситуацію той факт, що кількість моделей ЦП, які ви зможете зараз знайти на сучасному ринку, дуже велика, оскільки одночасно у продажу присутні відразу кілька поколінь чіпів. Але з іншого боку, процесори мають лише кілька ключових характеристик, розібравшись у яких, рядовий користувач зможе самостійно оцінити можливості тієї чи іншої моделі процесора та зробити правильний вибір, не заплутавшись у всьому модельному розмаїтті.

Основні характеристики процесорів

Архітектура x86 вперше була реалізована у власних процесорах компанією Intel наприкінці 70-х років, а в її основу було покладено обчислення зі складним набором команд (CISC). Свою назву ця архітектура отримала від останніх двох цифр, якими закінчувалися кодові найменування моделей ранніх виробів Intel - користувачі зі стажем напевно пам'ятають ще 286 (80286), 386 (80386) і 486 (80486) «персоналки», що були мрією будь-якого комп'ютерника кінця 80-х, початку 90-х років.

На сьогоднішній день архітектура x86 була також реалізована і в процесорах компаній AMD, VIA, SiS, Cyrix та багатьох інших.

Основними характеристиками процесорів, якими їх прийнято розділяти на сучасному ринку, є:

• фірма виробник
• серія
• кількість обчислювальних ядер
• тип настановного роз'єму (сокет)
• тактова частота.

Виробник (бренд) . На сьогоднішній день усі центральні процесори для настільних комп'ютерів та ноутбуків розділені на два великі табори під марками Intel та AMD, які разом покривають близько 92% загального світового ринку мікропроцесорів. Незважаючи на те, що з них частка Intel становить приблизно 80%, ці дві компанії вже багато років зі змінним успіхом конкурують між собою, намагаючись залучити покупців під свої прапори.

Серія - є одним із ключових характеристик центрального процесора. Як правило, обидва виробника поділяють свою продукцію на кілька груп з їхньої швидкодії, орієнтації на різні категорії користувачів та різні сегменти ринку. Кожна з таких груп складає сімейство або серію зі своєю відмітною назвою, за якою можна зрозуміти не тільки цінову нішу продукту, а й загалом його функціональні можливості.

На сьогоднішній день в основі продукції компанії Intel лежать п'ять основних сімейств. Pentium (Dual-Core), Celeron (Dual-Core), Core i3, Core i5і Core i7. Перші три націлені на бюджетні домашні та офісні рішення, два останні лежать в основі продуктивних систем.

ПроцесорIntel Core i7

Декілька особняком від основних сімейств тримається лінійка чіпів Atom, що відрізняється від інших низьким енергоспоживанням та невисокою вартістю. Ці процесори призначені для встановлення в бюджетних системах, де не потрібна висока продуктивність, але потрібне мале споживання енергії. До таких належать нетбуки, неттопи, планшетні ПК та комунікатори.

Не можна не згадати і ще про одне сімейство процесорів компанії із Санта-Клара. Core 2. Не дивлячись на те, що воно вже не випускається, і знайти його у продажу можна лише на різних «барахолках», досі у користувачів ця родина користується заслуженою популярністю, а багато нинішніх домашніх комп'ютерів оснащені процесорами саме цієї серії.

Компанія AMD, шанувальникам своєї продукції, пропонує процесори серій Athlon II, Phenom II, A-Seriesі FX-Series. Шлях двох перших сімейств підходить до логічного завершення, останні два лише набирають обертів. Подекуди ще можна зустріти у продажу найбюджетніші процесори Sempron, хоч їхні дні практично пораховані.

ПроцесорAMD FX-Series

Як і Intel, AMD має також свою «мобільну» серію під назвою E-series, мікропроцесори якої характеризуються зниженим енергоспоживанням і призначені для встановлення в недорогі настільні та портативні ПК.

Кількість обчислювальних ядер . Ще минулого десятиліття поділ процесорів за кількістю ядер був зовсім, оскільки вони були одноядерними. Але часи змінюються і сьогодні одноядерні ЦП можна назвати анахронізмом, а на зміну їм прийшли багатоядерні побратими. Найпоширенішими з них є двох та чотириядерні чіпи. Дещо менше поширені процесори з трьома, шістьма і вісьма обчислювальними ядрами.

Наявність у процесорі відразу кількох ядер покликане збільшити його продуктивність, і як ви розумієте, що їх більше, тим вона вища. Щоправда, при роботі зі старим, неоптимізованим під багатоядерні обчислення, програмним забезпеченням це правило може і не працювати.

Тип роз'єму . Будь-який процесор встановлюється в системну плату, де для цього існує спеціальний роз'єм (гніздо) або по-іншому - сокет (Socket). Процесори різних виробників, серій та поколінь встановлюються у різні типи роз'ємів. Сьогодні, для настільних ПК, таких сім - чотири для чіпів Intel і три для AMD.

Основним і найпоширенішим сокетом для центральних процесорів Intel вважається LGA 1155. Найпродуктивніші та найпросунутіші рішення цієї компанії встановлюються в роз'єм LGA 2011. Інші два типи роз'ємів - LGA 775 і LGA 1156 доживають свої останні дні, тому що випуск процесорів під такі типи сокету практично припинено.

Серед виробів AMD, на сьогоднішній день типом роз'єму, що використовується, можна назвати Socket AM3. Як правило, в нього встановлюються більшість бюджетних та найбільш ходових продуктів компанії. Правда ця ситуація найближчим часом швидше за все зміниться, тому що всі новітні процесори та продуктивні рішення мають роз'єми Socket AM3+ та Socket FM1.

До речі процесори Intel і AMD можна дуже просто відрізнити за однією характерною ознакою, яку ви можливо вже помітили, дивлячись на фотографії. Вироби компанії AMD мають на задній частині велику кількість штирьків-контактів, за допомогою яких вони підключаються до системної плати (вставляються в роз'єм). Intel же використовує принципово інше рішення, так як контактні ніжки знаходяться не на самому процесорі, усередині роз'єму материнської плати.

Розглядати роз'єми тут для мобільних рішень ми не будемо, оскільки це не має практичного сенсу. Адже тип сокету для користувача важливий тільки в тому випадку, якщо ви плануєте самостійно провести заміну (апгрейд) процесора на вашому комп'ютері. У портативних пристроях це зробити досить важко, та й самі мобільні версії процесорів купити в роздріб практично неможливо.

Тактова частота - характеристика визначальна продуктивність процесора, що вимірюється в мегагерцах (МГц) чи гігагерцах (ГГц) і що показує кількість операцій, що він може зробити секунду. Щоправда, проводити порівняння продуктивності різних моделей процесорів лише за показником їх тактової частоти докорінно неправильно.

Справа в тому, що для виконання однієї операції різним чіпам може знадобитися різна кількість тактів. Крім того, сучасні системи при обчисленнях використовують конвеєрну та паралельну обробки, і можуть за один такт виконати відразу кілька операцій. Все це призводить до того, що різні моделі процесорів, що мають однакову тактову частоту, можуть показувати різну продуктивність.

Зведена таблиця сімейств процесорів для настільних ПК

Технологічний процес(технологія виробництва)

При виробництві мікросхем і зокрема кристалів мікропроцесорів у промислових умовах використовується фотолітографія – метод, яким за допомогою літографічного обладнання на тонку крем'яну підкладку наносяться провідники, ізолятори та напівпровідники, які й формують ядро ​​процесора. У свою чергу літографічне обладнання, що використовується, має певну роздільну здатність, яка і визначає назву застосовуваного технологічного процесу.

Intel

Чим же такий важливий технологічний процес, за допомогою якого виготовляються процесори? Постійне вдосконалення технологій дозволяє пропорційно зменшувати розміри напівпровідникових структур, що сприяє зменшенню розміру процесорних ядер та їх енергоспоживання, а також зниженню їхньої вартості. У свою чергу зниження енергоспоживання зменшує тепловиділення процесора, що дозволяє збільшувати їхню тактову частоту, а значить і обчислювальну потужність. Також невелике тепловиділення дозволяє застосовувати більш продуктивні рішення в мобільних комп'ютерах (ноутбуки, нетбуки, планшети).

Кремнієва пластина з чіпами процесорівAMD

Перший процесор Intel з архітектурою x86, що досі є основною для всіх сучасних ЦП, був зроблений наприкінці 70-х років за допомогою техпроцесу, що дорівнює 3 мкм (мікрометра). До початку 2000-х років практично всі провідні виробники мікросхем, включаючи компанії AMD та Intel, освоїли 0,13 мкм або 130 нм – технологічний процес. Більшість сучасних процесорів виготовляються за 32 нм – техпроцесом, а з середини 2012 року та за 22 нанометровими технологіями.

Перехід більш тонкий техпроцес завжди є значною подією для виробників мікропроцесорів. Адже це, як було зазначено раніше, призводить до зниження вартості виробництва чіпів і поліпшення їх ключових характеристик, а значить, робить продукцію розробника, що випускається, більш конкурентоспроможною на ринку.

Енергоспоживання та тепловиділення

На ранній стадії свого розвитку мікропроцесори споживали невелику кількість енергії. Але зі зростанням тактових частот і кількості транзисторів в ядрі чіпів цей показник став стрімко зростати. Фактично не врахований спочатку фактор енергоспоживання на сьогоднішній день має колосальний вплив на еволюцію процесорів.

Чим вище енергоспоживання процесора, тим більше він виділяє тепла, яке може призвести до перегріву і виходу з ладу, як самого процесора, так і мікросхем, що його оточують. Для відведення тепла використовуються спеціальні системи охолодження, розмір яких безпосередньо залежить від кількості тепла, що виділяється процесором.

На початку 2000-х років тепловиділення деяких процесорів зросло вище 150 Вт, а для їхнього охолодження доводилося використовувати масивні та галасливі вентилятори. Більш того, середня потужність блоків живлення того часу становила 300 Вт, а це означає, що більше половини її мало йти на обслуговування «ненажерливого» процесора.

Саме тоді стало зрозуміло, що подальше нарощування обчислювальної потужності процесорів неможливе без зниження їхнього енергоспоживання. Розробники були змушені кардинально переглянути процесорні архітектури та почати активно впроваджувати технології, що сприяють зниженню тепловиділення.

Процесори, що працюють на надвисоких тактових частотах, доводиться остуджувати такими гігантськими системами охолодження.

Для оцінки тепловиділення процесорів було введено величину, що характеризує вимоги до продуктивності систем охолодження та назва TDP. TDP вказує на відведення якої кількості тепла має бути розрахована та чи інша система охолодження при використанні з певною моделлю процесора. Наприклад, TDP процесорів для мобільних ПК має бути менше 45 Вт, оскільки використання в ноутбуках або нетбуках великих та важких систем охолодження неможливе.

На сьогоднішній день, в епоху розквіту портативних пристроїв (ноутбуки, неттопи, планшети), розробникам вдалося досягти колосальних результатів на терені зниження енергоспоживання. Цьому посприяли: перехід на більш тонкий технологічний процес при виробництві кристалів, впровадження нових матеріалів для зниження струмів витоку, зміна компонування процесорів, застосування різноманітних датчиків та інтелектуальних систем, що відстежують температуру та напругу, а також впровадження інших технологій енергозбереження. Всі ці заходи дозволяють розробникам продовжувати нарощувати обчислювальні потужності процесорів та використовувати більш продуктивні рішення у компактних пристроях.

На практиці, враховувати теплові характеристики процесора при покупці варто, якщо ви хочете зібрати безшумну компактну систему, або наприклад, бажаєте, щоб майбутній ноутбук працював якомога довше від акумулятора.

Архітектура процесорів та кодові імена

В основі кожного процесора лежить так звана процесорна архітектура - набір якостей та властивостей, властивий цілому сімейству мікрочіпів. Архітектура безпосередньо визначає внутрішню конструкцію та організацію процесорів.

За традицією, що склалася, компанії Intelи AMD дають своїм різним процесорним архітектурам кодові імена. Це точніше дозволяє систематизувати сучасні процесорні рішення. Наприклад, процесори одного сімейства з однаковою тактовою частотою та кількістю ядер можуть бути виготовлені із застосуванням різного технологічного процесу, а отже мати різну архітектуру та продуктивність. Також застосування звучних імен у назвах архітектур дає можливість виробникам ефектніше презентувати, нам користувачам, свої нові розробки.

Розробки Intel носять географічні назви місць (гір, річок, міст тощо), що знаходяться неподалік місць розміщення її виробничих структур, відповідальних за розробку відповідної архітектури. Наприклад, перші процесори Core 2 Duo були збудовані на архітектурі Conroe (Конрой), яка отримала свою назву на честь міста, розташованого в американському штаті Техас.

Компанія AMD якоїсь чіткої тенденції формування імен для своїх розробок не має. Від покоління до покоління тематична спрямованість може змінюватись. Наприклад, нові процесори компанії носять кодові імена Liano та Trinity.

Багаторівневий кеш

У процесі виконання обчислень мікропроцесору необхідно постійно звертатися до пам'яті для читання або запису даних. У сучасних комп'ютерах функцію основного зберігання даних та взаємодії з процесором виконує оперативна пам'ять.

Не дивлячись на високу швидкість обміну даними між цими двома компонентами, процесору часто доводиться простоювати, чекаючи запитану в пам'яті інформацію. У свою чергу це призводить до зниження швидкості обчислень та загальної продуктивності системи.

Для поліпшення цієї ситуації, всі сучасні процесори мають кеш - невеликий проміжний буфер пам'яті з дуже швидким доступом, що використовується для зберігання даних, що найбільш часто запитуються. Коли процесору стають необхідні дані, він спочатку шукає їх копії в кеші, оскільки звідти вибірка необхідної інформації відбудеться набагато швидше, ніж з оперативної пам'яті.

Більшість мікропроцесорів для сучасних комп'ютерів мають багаторівневий кеш, що складається із двох або трьох незалежних буферів пам'яті, кожен з яких відповідає за прискорення певних процесів. Наприклад, кеш першого рівня (L1) може відповідати за прискорення завантаження машинних інструкцій, другого (L2) - прискорення запису та читання даних, а третього (L3) - прискорення трансляції віртуальних адрес у фізичні.

Однією з основних проблем, що стоять перед розробниками, є знаходження оптимальних розмірів кешу. З одного боку, великий кеш може містити більше даних, отже відсоток те, що процесор знайде у тому числі потрібні - вище. З іншого боку, що більше розмір кеша, то більше вписувалося затримка під час вибірки даних із нього.

Тому, кеші різних рівнів мають різний розмір, при цьому кеш першого рівня – найменший, але й найшвидший, а третього – найбільший, але й найповільніший. Пошук даних у них відбувається за принципом від меншого до більшого. Тобто процесор спочатку намагається знайти необхідну йому інформацію в кеші L1, потім L2 і потім в L3 (за його наявності). За відсутності необхідних даних переважають у всіх буферах відбувається звернення до оперативної пам'яті.

У цілому нині, ефективність роботи кешу, особливо 3-го рівня, залежить від характеру звернення програм до пам'яті та архітектури процесора. Наприклад, в деяких додатках наявність кеша L3 може принести 20% приріст продуктивності, а в деяких не позначитися зовсім. Тому на практиці навряд чи варто керуватися характеристиками багаторівневого кешу, при виборі процесора для свого комп'ютера.

Вбудована графіка

З розвитком технологій виробництва і, як наслідок, зменшенням розмірів чіпів, у виробників з'явилася можливість розміщувати всередині процесора додаткові мікросхеми. Першою з таких стало графічне ядро, що відповідає за виведення зображення на монітор.

Таке рішення дозволяє знизити загальну вартість комп'ютера, тому що в цьому випадку немає необхідності використовувати готельну відеокарту. Очевидно, що гібридні процесори орієнтовані використання у бюджетних системах і корпоративному секторі, де продуктивність графічної складової вторинна.

Перший приклад інтеграції відеопроцесора до «нормального» ЦП продемонструвала компанія Intel на початку 2010 року. Звичайно, жодної революції це не принесло, тому що до цього моменту графіка вже давно і успішно інтегрувалася в чіпсети материнських плат.

Колись різниця по функціоналу між інтегрованою та дискретною графікою була принциповою. На сьогоднішній день можна говорити лише про різну продуктивність цих рішень, оскільки вбудовані відеочіпи здатні виводити зображення на кілька моніторів у будь-яких доступних дозволах, виконувати 3D-прискорення та апаратне кодування відео. По суті, інтегровані рішення щодо своєї продуктивності та можливостей можна порівняти з молодшими моделями відеокарт.

Компанія Intel інтегрує у свої процесори графічне ядро ​​під нехитрою назвою IntelHDGraphics власної розробки. При цьому процесори Core 2, Celeron та старші моделі Core i7 вбудованих графічних ядер не мають.

AMD, здійснивши злиття у 2006 році з гігантом з виробництва відеокарт, канадською компанією ATI, вбудовує у свої рішення відеочіпи сімейства Radeon HD. Більш того, деякі нові процесори компанії являють собою об'єднання процесорних ядер x86 і графічних Radeon на одному кристалі. Єдиний елемент, створений шляхом злиття центрального (CPU) та графічного (GPU) процесорів, отримав назву APU, Accelerated Processor Unit (прискорений процесорний елемент). Саме так (APU) тепер і називають процесори A та E-серій.

Загалом, інтегровані графічні рішення від компанії AMD є більш продуктивними, ніж Intel HD і виглядають краще в ігрових програмах.

РежимTurbo

Багато сучасних процесорів оснащені технологією, що дозволяє їм у деяких випадках автоматично збільшувати тактову частоту вище за номінальну, що призводить до збільшення продуктивності додатків. Фактично, дана технологія є «саморозгоном» процесора. Час роботи системи в режимі Turbo залежить від умов експлуатації, робочого навантаження та конструктивних особливостей платформи.

Компанія Intel використовує власну технологію інтелектуального розгону під назвою Turbo Boost. Використовується вона у продуктивних сімействах Core i5 та Core i7.

Відстежуючи параметри, пов'язані з навантаженням на ЦПУ (напруга та сила струму, температура, потужність), вбудована система управління підвищує тактову частоту ядер у разі, коли максимальний тепловий пакет (TDP) процесора ще не досягнуто. За наявності незавантажених ядер вони відключаються та звільняють свій потенціал для тих, що використовуються додатками. Чим менше ядер задіяно у обчисленнях, тим вище піднімається тактова частота чипів, що беруть участь у обчисленнях. Для однопотокових додатків прискорення може становити 667 МГц.

AMD також має свою технологію динамічного розгону найбільш навантажених ядер і застосовує її лише у своїх 6 та 8-ядерних чіпах, до яких відносяться серії Phenom II X6 та FX. Називається вона Turbo Core і здатна працювати тільки в тому випадку, якщо в процесі обчислень кількість завантажених ядер складає менше половини їх загального числа. Тобто у випадку 6-ядерних процесорів кількість неактивних ядер має бути не менше трьох, а 8-ядерних - чотирьох. На відміну від Intel Turbo Boost, у цій технології на приріст частоти не впливає кількість вільних ядер, і він завжди однаковий. Його величина залежить від моделі процесора та коливається від 300 до 600 МГц.

Висновок

На закінчення давайте спробуємо застосувати практично отримані знання з користю. Наприклад, в одному популярному магазині комп'ютерної електроніки продаються два процесори Intel Core i5 з тактовою частотою 2.8 ГГц. Давайте подивимося на їхні описи, взяті з сайту магазину, і спробуємо розібратися в їх відмінностях.

Якщо уважно подивитися на скріншоти, то незважаючи на те, що обидва процесори відносяться до одного сімейства спільного у них не так багато: тактова частота та кількість ядер. Інші характеристики відрізняються, але перше на що варто звернути увагу - це типи роз'ємів, в які встановлюються обидва процесори.

Intel Core i5 760 має роз'єм Socket 1156, а значить відноситься до застарілого покоління процесорів. Купівля його буде виправдана тільки в тому випадку, якщо у вас вже стоїть у комп'ютері материнська плата з таким гніздом, і ви не хочете міняти її.

Новіший Core i5 2300 виготовлений вже за більш тонким техпроцесом (32 нм проти 45 нм), а значить, має і більш досконалу архітектуру. Незважаючи на дещо менший L3 кеш і «саморозгін» цей процесор напевно не поступиться продуктивності своєму попереднику, а наявність вбудованої графіки дозволить обійтися без придбання окремої відеокарти.

Незважаючи на те, що в обох процесорів тепловиділення вказано однаковим (95 Вт), Core i5 2300 в рівних умовах буде холоднішим за свого попередника, тому що ми вже знаємо, що більш сучасний технологічний процес забезпечує менше енергоспоживання. У свою чергу, це збільшує його розгінний потенціал, що не може не тішити комп'ютерних ентузіастів.

А тепер розглянемо приклад на базі процесорів AMD. Тут ми вибрали спеціально процесори з двох різних сімейств – Athlon II X4 та Phenom II X4. По ідеї лінійка Phenom є більш продуктивною, ніж Athlon, але давайте подивимося на їх характеристики і вирішимо, чи так однозначно.

З характеристик видно, що обидва процесори мають однакові тактову частоту і кількість обчислювальних ядер, практично ідентичне тепловиділення, а також у обох відсутні вбудоване графічне ядро.

Перша відмінність, яка відразу впадає в око - процесори встановлюються в різні роз'єми. Незважаючи на те, що обидва вони (роз'єми) на даний момент активно підтримуються виробниками системних плат, з цієї пари Socket FM1 виглядає дещо кращим з точки зору майбутньої модернізації, оскільки можна встановити нові процесори (APU) A-серії.

Ще одним плюсом Athlon II X4 651 є більш тонкий і сучасний технологічний процес, яким він був зроблений. Phenom II відповідає наявністю Turbo-режиму та кешу третього рівня.

У результаті ситуація складається неоднозначна і тут ключовим фактором може стати роздрібна ціна, яка у процесора з лінійки Athlon II на 20-25% менше, ніж у Phenom II. А з урахуванням перспективнішої платформи (Socket FM1) покупка Athlon II X4 651 виглядає більш привабливою.

Звичайно, що більш однозначно говорити про переваги тих чи інших моделей процесорів, необхідно знати на базі якої архітектури вони виготовлені, а так само їх реальну продуктивність в різних додатках, виміряну на практиці. У наступному матеріалі, ми розглянемо докладно сучасні модельні ряди мікропроцесорів Intel та AMD для настільних ПК, познайомимося з характеристиками різних сімейств CPU, а також наведемо порівняльні результати їхньої продуктивності.

Лекція 6. Тенденція розвитку процесорів.Многоядернїпроцесоріновїтехнологіі багатоядерної проработкиданних

центральний процесор

Центральний процесор у загальному випадку містить у собі:

арифметико-логічний устрій;

шини даних та шини адрес;

регістри;

лічильники команд;

кеш – дуже швидку пам'ять малого обсягу (від 8 до 512 Кбайт);

математичний співпроцесор чисел з плаваючою точкою.

Сучасні процесори виконуються у вигляді мікропроцесорів . Фізично мікропроцесор є інтегральну схему- тонку пластинку кристалічного кремнію прямокутної форми площею всього кілька квадратних міліметрів, на якій розміщені схеми, що реалізують всі функції процесора. Кристал-пластинка зазвичай міститься в пластмасовий або керамічний плоский корпус і з'єднується золотими проводками з металевими штирьками, щоб його можна було приєднати до системної плати комп'ютера.

1. Підвищення продуктивності процесорів

Протягом тривалого часу прогрес у мікропроцесорів фактично ототожнювався зі значенням тактової частоти. У 2001 році у корпоративних планах виробників мікропроцесорів значилося, що вже до кінця десятиліття буде подолано бар'єр 10 ГГц. На жаль, ці плани виявилися невірними. Прав же виявився той, хто зробив ставку на багатоядерні архітектури.

Перший двоядерний процесор у сімействі Power випустила корпорація IBM. Сьогодні багатоядерні процесори пропонує Sun Microsystems (восьмиядерний UltraSPARC T1), а також Intel та AMD.

Закону Мура говорить, що кількість транзисторів, розміщених на напівпровідниковій мікросхемі, подвоюється кожні два роки, що призводить, з одного боку, до підвищення продуктивності, а з іншого боку, до зниження вартості виробництва мікросхем. Незважаючи на важливість і дієвість цього закону протягом довгих років, оцінюючи перспективи подальшого розвитку, іноді передбачали його неминуче фіаско.

Як перешкоди на шляху подальшого розвитку називаються такі фактори, як обмеження через фізичні розміри, стрімке зростання енергоспоживання та надмірно високі витрати на виробництво.

Протягом багатьох років для підвищення продуктивності процесора використовувався єдиний шлях - підвищення його тактовою частотою. За ці роки укорінилася думка, що тактова частота процесора є основним показником його продуктивності. Нарощування тактових частот на сучасному етапі не просте завдання. Кінець гонці тактових частот мікропроцесорів був покладений завдяки невирішеній проблемі струмів витоку та неприйнятному зростанню тепловиділення мікросхем.

Продуктивність процесора (Performance) - це відношення загальної кількості виконаних інструкцій програмного коду до часу їх виконання або кількість інструкцій, що виконуються за секунду (Instructions rate):

дооличествоінструдоцій =пр о і зво д і т е ль н о з т ь

врем я выполненія

Так як основною характеристикою процесу зростала його тактова частота, то введемо частоту у формулу продуктивність процесора. Помножимо числник і зна мен е т іль н а к о л і к т ок тів, за ко торі викона ні і інструкції:

проізводітельнозть= до оли чес т во і н з т р у кц і й до оли год е з т во т а до т ів

дооличествотадотоуремя выполненія

Перша частина отриманого твору – кількість інструкцій, що виконуються за один такт (InstructionPer Clock, IPC), Друга частина твору – кількість тактів процесора в одиницю часу (тактова частота процесора, F або Frequency). Таким чином, продуктивність процесора залежить не тільки від його тактової частоти, але і від кількості інструкцій, що виконуються за такт (IPC):

проізводітельнозть = (IPC)(F)

Отримана формула визначає два разнихподхода доувеліченіюпрозводітельнозтипроцесора. Первый - увеліченіе тадотвій годинато ти процесора, а другий – увеліченіе доолічества інзтрукцій программногодоода, выполняїмих за одін тадот процесора.

Збільшення тактової частоти може бути нескінченним і визначається технологією виготовлення процесора. При цьому зростання продуктивності не є прямо пропорційним зростанню тактової частоти, тобто спостерігається тенденція насичуваності, коли подальше збільшення тактової частоти стає нерентабельним.

Кількість інструкцій, виконуваних протягом одного такту, залежить від мікроархітектури процесора: від кількості виконавчих блоків, від довжини конвеєра та ефективності його заповнення, від блоку передвиборки, від оптимізації програмного коду до даної мікроархітектури процесора.

Тому порівняння продуктивності процесорів на підставі їх тактової частоти можливе тільки в межах однієї і тієї ж архітектури (при однаковому значенні кількості виконуваних операцій усієї секунди - IPC процесорів).

Порівняння продуктивності процесорів з різною архітектурою на основі тактової частоти неправомірно. Приміром, ґрунтуючись на тактовій частоті, некоректно порівнювати продуктивності процесорів з різним розміром кешпам'яті рівня L2, або продуктивності процесорів, що підтримують і не підтримують а т е х н ологію H y p e r - T h re a din g .

Через питому здешевлення транзисторів відкрилася можливість компенсувати недосконалість процесорної архітектури їх кількістю, що зрештою і спричинило консервацію запропонованої в далекі 40-ті роки схеми організації комп'ютерних систем, яка отримала свою назву на ім'я Джона фон Неймана. Важко уявити ще якусь із сучасних технологічних галузей, яка, декларуючи свою причетність до технічного прогресу, була б настільки консервативною за своєю суттю. Про вроджені недоліки фон-нейманівської схеми написано чимало, але, що б зараз не говорили на цю тему, ще років десять тому ніякі аргументи неможливо було протиставити переконання в тому, що процесорна індустрія обрала єдино правильний шлях, заснований на кількісному зростанні. Досить, з якою гордістю вимовлялися нові цифри; вважалося, що, якщо не вистачить мільйона транзисторів, зробимо мільярд – «немає проблем», головне зменшити розміри кристалів та міжз'єднань та підвищити тактову частоту. Але за все доводиться платити. Кожен транзистор споживає енергію, в результаті, за даними IDC, сьогодні витрати на електрику, необхідну для живлення центрів обробки даних, становлять понад 80% витрат на придбання комп'ютерного обладнання, а через кілька років ці показники зрівняються.

Відхід від послідовного виконання команд і використання кількох виконуючих блоків в одному процесорі дозволяють одночасно обробляти кілька процесорних мікрокоманд, тобто організовувати параллелзмнаурівніінзтрукцій(InstructionLevelParallelism - ILP), що, зрозуміло, збільшує загальну продуктивність.

Ще один підхід до вирішення даної проблеми був реалізований в VLIW / EPIC - архітектурі IA-64 (дуже довгих команд), де частина проблем перекладена з апаратури на компілятор. І все ж таки розробники визнають, що для досягнення високої продуктивності архітектура важливіша.

При великому числі функціональних блоків мікросхеми і великому її розмірі виникає проблема, пов'язана зі швидкістю поширення сигналів - за один такт сигнали не встигають досягти необхідні блоки. В якості можливого виходу в мікропроцесорах Alpha були введені так звані " долазтеры",деузтройзтвагодинатігоднодублірівалізь, нозато внутридоластерів рассто янія булименьше. Можна сказати, що ідея побудови багатоядерних мікропроцесорів є розвитком мідеї кластерів, але в даному випадку дубліруетзяцелічом процесорное ядро.

Іншим попередником багатоядерного підходу можна вважати технологію Intel- HyperThreadingде також є невелике дубліріваніе аппаратури іізпользіваніе двухпотодоівінзтрукцій, ізпользующіх загее ядро.

Багатоядерний процес має два або більше "виконавчих ядер". Ядромпроцесрепетування можно назвать его зізтему ізполнітельных узтройзтв (набір аріфметічо- логіческіх узтройзтв) , предназначенных для обработкі данных. Операційна система розглядає кожне з виконавчих ядер, як дискретний процесор з усіма необхідними обчислювальними ресурсами. Тому багатоядерна архітектура процесора, за підтримки відповідного програмного забезпечення, здійснює повністю паралельне виконання кількох програмних потоків.

До 2006 року всі провідні розробники мікропроцесорів створили двоядерні процесори. Першими з'явилися двоядерні RISC-процесори Sun Microsystems (UltraSPARCIV), IBM (Power4, Power5) та HP (PA-8800 і PA-8900).

Про випуск двоядерних процесорів з архітектурою х86 фірми AMD і Intel оголосили майже двадцять років.

Архітектура процесорів досягла досить високої складності, тому перехід до багатоядерних процесорів стає основним напрямом підвищення продуктивності обчислювальних систем.

Модернізація схеми фон Неймана

Насправді фон-нейманівська архітектура комп'ютера не є єдино можливою, простір допустимих рішень набагато ширший. Так, виходячи зі способів організації послідовності виконання команд та обміну даними між процесором та пам'яттю, всі комп'ютери можна розділити на чотири класи:

SISD (Single Instruction Single Data)- "один потік команд, один потік даних";

SIMD (Single Instruction Multiple Data)- "один потік команд, багато потоків даних";

MISD (Multiple Instruction Single Data)- «багато потоків команд, один потік даних»;

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)- «багато потоків команд, багато потоків даних»;

Клас SISD передбачає, що одночасно може бути виконана одна команда, і може оперувати лише тими порціями даними, адреси яких безпосередньо присутні у операндах цієї команди. Навпаки, у клас MIMD потрапляють машини, які можуть одночасно виконувати безліч команд, використовуючи у своїй безліч фрагментів даних. Ця класифікація відома як «таксономія Флінна», вона названа так на ім'я Майкла Флінна, що запропонував її, видатного інженера і вченого, що нині є професором Стендфордського університету. З неї випливає, що фон-нейманівська машина є окремим випадком, що потрапляє до класу SISD. Більшість сучасних комп'ютерів збудовано саме за цією схемою; Проте всі суперкомп'ютери з першої десятки TOP500 побудовані за схемою MIMD.

Було б некоректно пояснювати зростання продуктивності процесорів лише нарощуванням кількісних показників, цілком природно, що протягом десятиліть було запропоновано кілька серйозних модернізацій, які є відступами від схеми фон Неймана, але обмеженими масштабом.

Історично першим виявився винахід процесорів, здатних виконувати операції не над вмістом одного або декількох регістрів, а над більшими фрагментами даних; за класифікацією Флінна вони потрапляють до класу SIMD. Їхню появу пов'язують із проектом Solomon (1962 рік, компанія Westinghouse).

Пізніше аналогічний принцип роботи з даними був реалізований у продуктивній машині свого часу ILLIAC IV (1972). Якщо процесор, використовуючи одну команду, може виконувати дії над векторами, його називають векторним процесором(vector processor), а якщо над масивами, то процесором масивів(Array processor). Згодом Сеймур Крей використовував векторні принципи розробки своїх суперкомп'ютерів, починаючи з Cray-1. Сьогодні схема SIMD широко використовується у спеціалізованих процесорах, призначених для ігрових консолей.

Після запровадження нового класу векторних процесорів звичайні процесори стали змушено розрізняти, називати «скалярними»; саме тому на наступному кроці з'явилися рішення з дивною назвою. суперскалярні процесориІдея суперскалярності полягає в тому, що процесор переглядає наближення до виконання команди і вибирає з них ті послідовності, які можуть бути виконані паралельно. Такі процесори здатні виконувати кілька інструкцій за один такт, а такий вид паралелізму почали називати паралелізмом на рівні команд(Instruction-Level Parallelism, ILP). Очевидно, що при заданій частоті суперскалярний процесор буде продуктивніше скалярного, оскільки він здатний виділити в підмножину і одночасно виконати кілька команд, розподіливши їх за своїми функціональними пристроями. Родоначальником ідеї ILP був той самий Крей; він реалізував її в 1965 році в комп'ютері CDC 6600, потім ILP була відтворена в процесори Intel i960 (1988 рік) і AMD 29050 (1990), особливо "вчасно" суперскалярний підхід припав для RISC-процесорів з їхньою спрощеною системою команд. Пізніше, починаючи з Pentium II, знайшли ILP і процесори з архітектурою CISC.

Приблизно в той же час – спочатку на мейнфреймах, а потім і на міні-ЕОМ – з'явилася кеш-пам'ять; надалі ідея кешування отримала розвиток у багаторівневих рішеннях, що передбачали наявність кешів першого та другого, а потім і третього рівня.

Ще одним істотним винаходом, який прискорив роботу процесорів, виявилося позачергове виконання(out-of-order execution, OoO), що є обмеженою реалізацією ідеї обробки потоку даних(Data flow computation). Хоча перші спроби в цьому напрямку були зроблені ще при проектуванні комп'ютерів CDC, але реально перші впровадження були IBM 360, а потім в процесорах Power1. Одна з найважливіших переваг позачергового виконання полягає в тому, що дана технологія дозволяє узгодити вищу швидкість роботи процесорів з менш швидкодією пам'яттю, знявши частину навантаження з кеш-пам'яті.

Помітною віхою у ряді удосконалень фон-нейманівської архітектури стоїть розпаралелювання потоків(Thread Level Parallelism, TLP). Ця технологія існує у кількох версіях; серед них - одночасна багатопоточність(Simultaneous Multithreading, SMT) та багатопоточність на рівні кристала(Сhip-level Multithreading, CMT). Ці два підходи переважно різняться уявленням у тому, що є «потік», інакше кажучи, за рівнем гранулярності потоків.

Хронологічно першим процесором, що підтримує багатопоточність, був процесор DEC Alpha EV4 21064. Драматична доля цього процесорного сімейства була і залишається предметом серйозних обговорень, і хоча на версії EV7 виробництво припинилося, а EV8 і EV9 залишилися на папері, є підстави вважати, що ядро ​​EV7 може відродитися в одному з багатоядерних процесорів, що готуються до випуску. Типовим представником табору SMT є Pentium 4 з його технологією HTT(Hyper-Threading Technology). Процесор підтримує поділ на два потоки команд, що вибираються з одного завдання в режимі SMT, що забезпечує сумарне підвищення продуктивності приблизно на 30%. У процесорі UltraSPARC T1, відомому раніше під кодовою назвою Niagara, потоки утворюються з різних завдань; ніякої одночасності у разі немає, кожен потік є віртуальне ядро ​​процесора.

Отже, все ніби чудово, але результатом ускладнення логіки виявилася помітна диспропорція у витратах на продуктивну і допоміжну складові процесорів - власне арифметико-логічний пристрій займає на них менше 20% площі кристала.