Процессор – это одна из самых главных частей компьютера, его мозг. Он управляет его вычислительной частью, выполняет коды программ. Иначе процессор называют микропроцессором. А в переводе с английского аббревиатуры CPU значит центральное процессорное устройство.

Первый процессор подобного рода был изобретен в компании Intel. Дата появления на свет 15 ноября 1971 года. Это был первый четырехбитный процессор под названием intel 4004. Он очень сильно отличался от современных потомков мощностью, дизайном. Имел тактовую частоту не более 740 кГц, шестнадцать четырехбитных выходов и столько же входов. Он активно использовался в светофорах, анализаторах крови, а затем в зонде Пионер-10. Конечно у всех первых ЦПУ было очень слабое ядро для операций вычисления.

Что такое процессор

Процессор или CPU (как расшифровывается аббревиатура было написано ранее) обрабатывает получаемую информацию из других устройств. Он делает это как в своей собственной памяти, так и в памяти других устройств. Кроме этого устройство может самостоятельно руководить работой других элементов материнской платы, как встроенных, так и дискретных.

ЦП находится не только в материнской плате. В видеокартах есть свои собственные устройства или GPU (графические процессоры). Они отвечают за производительность видео и вывод на экран изображения. Можно сделать вывод, что там, где необходимы сложные математические вычислительные работы, где необходимо управление командами и взаимодействием между электронными деталями устройств – всегда нужен мозг, который будет собирать все воедино и создавать правила, не даст процессу течь хаотично. Этим мозгом служит центральное процессорное устройство (ЦПУ).

Мощность зависит от вложенной производителем скорости сопоставления команд, обработки данных. Скорость и многие другие параметры зависят от количества транзисторов, находящихся в устройстве, количества ядер, его разрядности. А способность исполнять определенный набор команд называется архитектурой ЦПУ.

Что такое архитектура процессора

Под архитектурой ЦПУ подразумевается совместимость устройства с определенным набором команд, способы их исполнения, структуры. По количеству и скорости выделяются RISC и CISC.

RISC в переводе означает компьютер с сокращенным набором команд. Для такой архитектуры характерно увеличение быстродействия за счет упрощения инструкций. Таким образом увеличивается тактовая частота и повышается распределение их между блоками.

Для ЦПУ с RISC архитектурой характерна фиксация длины инструкций машины (32 бита), отсутствие операций «читать-записать-изменить». В микропроцессоре с такой архитектурой нельзя найти микропрограммы внутри него. Команды исполняются как обычный машинный код.

CISC архитектура – это комплексный набор команд. Следует сказать, что все нынешние ЦП построены по данной архитектуре. А многие современные процессоры созданы на базе данной архитектуры но с RISC ядром. От RISC ее отличает нефиксированное число длины команд, все действия кодированы в одной команде, малое количество регистров.

Разновидности CPU

ЦП подразделяются на виды по производителям, по монтажу, по количеству ядер по многим другим параметрам. Все это условно и достаточно сложно. Рассмотрим основные из них.

ЦПУ по производителям делятся на Intel, AMD, VIA. ЦПУ от фирмы Интел делятся на линейки i3, i5, i7. Каждая линейка имеет от двух ядер, например i3, до четырех и более (i5, i7, i9). Каждая линейка имеет в себе несколько поколений ЦПУ. Каждое поколение модифицируется за счет добавления ядер, увеличения скорости вычислительных работ. До сих пор еще не вышли из использования более старые линейки от Интел такие, как core 2 duo и другие.

ЦПУ от AMD отличаются тем, что эта фирма выпускает гибридные устройства . А также включают в себя графический чип. Поэтому порой дискретная видеокарта не требуется. Это эффективные, рабочие лошадки. Единственный минус — это быстрое повышение температуры . Они намного горячее, чем процессоры фирмы Intel.

CPU тайваньской компании VIA не так популярны. Они не могут составить конкуренцию таким фирмам гигантам как Intel или AMD.

Устройства делятся по разрядности . Разрядность – это размер обрабатывания данных за один такт, которыми ЦПУ обменивается с ОЗУ. Их всего две – 32 разрядный и 64 разрядный. На компьютер с 32 разрядным ЦП устанавливается Windows только 32 битная. Ограничение в оперативной памяти до 4 гигабайт. 64 разрядный процессор был выпущен, как расширение первого. Поэтому на него можно установить, как 32, так и 64 битную систему. Ограничения по ОЗУ уже составляет 16 террабайт.

По количеству ядер ЦПУ делится на двухъядерные, четырех-ядерные, шести-, восьми ядерные и т.д. Чем больше ядер, тем больше потоков, а значит производительность компьютера увеличивается.

Приобретая процессор со встроенной видеокартой , пользователю не нужно будет дополнительно тратиться на дискретную. Современные процессоры со встроенной видеокартой вполне позволяют работать со многими нетребовательными программами и играть в старые игры. Для более новых игр или тяжелых программ таких, как автокад, фотошоп, которые усиленно задействуют графические вычисления, дополнительная видеокарта все-таки понадобится.

По архитектуре процессоры можно разделить на RISC и CISC (которые рассматривались ранее), а также буферный, препроцессор и процессор-клон. Буферный — используется для промежуточной обработки информации, т.е. выполняет роль буфера между центральным процессором и устройствами. Препроцессор — либо программа для предварительной обработки, либо устройство, которое выполняет те же функции, что и буферный. Клоны — это копии процессоров популярных фирм, не всегда являются полностью идентичными, часто производители их усовершенствуют и добавляют свои технологии.

Из чего состоит и принцип работы

Ниже на рисунке увидите внутреннюю схему параметров, из которых состоит процессор. Внешне он представляет из себя кремниевую пластину с миллиардами транзисторов, с помощью которых он обменивается сигналами с другими устройствами.

Главными устройствами любого ЦПУ являются ядро или несколько ядер, два или три уровня кэш-памяти, контроллер оперативно-запоминающего устройства, контроллер системных шин.

Ядро включает в себя блок выборки инструкций , предсказателя переходов, блоков декодирования, выборки данных, выполнения инструкций, управляющего блока, блок прерывания, регистров и счетчика команд.

Самыми важными являются блок работы с прерываниями. Он позволяет останавливать программы и своевременно реагировать на происходящий события. То есть этот блок отвечает за многозадачность процессора.

Кэш-память отвечает за временное хранение информации , к которой чаще всего обращается пользователь. За счет нее увеличивается скорость доставки данных в регистры ЦПУ.

Контроллер оперативно-запоминающего устройства находится в северном мосте . Он отвечает за соединение ЦП с узлами ОЗУ, графического контроллера.

Контроллер системных шин отвечает за передачу двоичных кодов .

Так как процессор выполняет практически всю работу и сильно нагружен, то соответственно должна работать система теплоотвода. Требования по теплоотводу или tdp прописаны для каждого процессора. Они показывают не максимальные значения, а минимальные при нормальных условиях работы. Если компьютер перегревается, из-за плохого охлаждения, температура поднимается. При срабатывании сигнала перегрева компьютер выключается или пропускает часть циклов работы. То есть он может подвисать, медленно работать.

Основные характеристики ЦПУ

К основным характеристикам CPU относятся:

• Количество ядер . Они отвечают за одновременно работающие программы. Но это не значит, что чем больше ядер, тем быстрее будет работать программа. Если утилита оптимизирована под два ядра, то она будет работать на двух ядрах и не более.
• Частота CPU руководит скоростью обмена информации процессора с системной шиной.
• Техпроцесс . На данный момент равен 22 нанометрам. Техпроцессом является размер транзисторов. Они отвечают за производительность. Чем меньше размер, тем больше их разместиться на кристалле ЦП.
• Тактовая частота . Это количество вычислений за единицу времени. Чем больше, тем лучше. Но не следует забывать и о других характеристиках.
• Сокет вычислительного устройства. Необходимо, чтобы сокет совпадал с сокетом материнской платы.

С каждым годом технология все совершенствуется и совершенствуется. Поэтому данные могут изменяться из года в год.

В данной статье мы расскажем о том, что такое центральный процессор и как он работает.

Центральный процессор или процессор – один из самых важных компонентов, который мы можем найти практически во всех современных высокотехнологичных устройствах.

Однако у большинства из нас есть довольно плохие представления о том, что они делают и как они это делают, о том, как они стали сложными технологическими чудесами, каковы основные современные типы.

Итак, сегодня мы попытаемся подробно рассказать о самых важных аспектах различных компонентов, которые дают жизнь всем тем устройствам, которые помогают нам наслаждаться более высоким качеством жизни.

Что такое центральный процессор?

Хотя нельзя сказать, что в компьютере есть одна самая важная часть, так как более одного из них абсолютно необходимы для его работы, центральный процессор или процессор можно считать краеугольным камнем этих машин. И именно этот компонент отвечает за вычисления, упорядочивание или обработку, концепции, которые определяют современные компьютеры и ноутбуки.

В настоящий момент они представляют собой сложные технологии, разработанные с использованием микроскопических архитектур, большинство из которых представлены в виде одного чипа, довольно небольшого, оттуда они назывались микропроцессорами несколько десятилетий назад.

Сегодня процессоры находятся практически в каждом объекте, который мы используем в наши дни: телевизоры, смартфоны, микроволновые печи, холодильники, автомобили, звуковое оборудование и, конечно же, персональные компьютеры. Тем не менее, это были не всегда чудеса технологий, которыми они являются сейчас.

История возникновения процессоров

Было время, когда процессоры состояли из огромных арматов, которые вполне могли заполнить комнату. Эти первые шаги компьютерной инженерии в основном состояли из пустых трубок, которые, хотя в то время были значительно более мощными для альтернатив, образованных электромеханическими реле, сегодня 4 МГц, которые, по большей мере, они достигали, казались нам смехом.

С появлением транзисторов в 50-х и 60-х годах началось создание процессоров, в дополнение к меньшим и более мощным, а также намного более надежным, поскольку машины, созданные вакуумными трубами, как правило, имели средний отказ каждые 8 ​​часов.

Однако, когда мы говорим о сокращении, мы не имеем в виду, что они вписываются в ладонь. И все еще большие процессоры состояли из десятков печатных плат, которые были связаны друг с другом, чтобы обеспечить жизнь одному процессору.

После этого появилось изобретение интегральной схемы, которая в основном связывала все в одной печатной плате или пластине, что стало первым шагом к достижению современного микропроцессора. Первые интегральные схемы были очень простыми, поскольку они могли группировать только несколько транзисторов, но на протяжении многих лет получилось добиться экспоненциального роста числа транзисторов, которые можно было бы добавить в интегральную схему, к середине шестидесятых годов. Мы уже имели первых сложные процессоры, которые состояли из одной пластины.

Первый микропроцессор как таковой будет представлен на рынке уже в 1971 году, это был Intel 4004, а с тех пор остальное – история. Благодаря быстрой эволюции этих небольших чипов и их большой гибкости они полностью монополизировали компьютерный рынок, поскольку, за исключением очень специфических приложений, требующих высокоспециализированного оборудования, они являются ядром практически всех современных компьютеров.

Как работает центральный процессор (ЦП)?

Упрощение до крайности и в дидактических терминах работа процессора дается четырьмя фазами. Эти фазы необязательно всегда раздельны, но обычно перекрываются и всегда происходят одновременно, но не обязательно для конкретной функции.

На первом этапе процессор отвечает за загрузку кода из памяти. Другими словами, прочитайте данные, которые необходимо обработать позже. В этой первой фазе существует общая проблема в архитектуре процессоров и заключается в том, что существует максимум данных, которые могут считываться по периоду времени и обычно уступают тем, которые могут быть обработаны.

Во второй фазе происходит первый этап обработки как таковой. Информация, прочитанная на первом этапе, анализируется в соответствии с набором инструкций. Таким образом, в пределах прочитанных данных будут описательные фракции для набора инструкций, которые укажут, что делать с остальной информацией. Чтобы привести практический пример, есть код, который указывает, что данные пакета должны быть добавлены вместе с данными другого пакета, причем каждый пакет представляет собой информацию, которая описывает число, посредством чего получается общая арифметическая операция.

Затем идет фаза, которая продолжается со свободной обработкой, и отвечает за выполнение команд, декодированных на второй фазе.

Наконец, процесс завершается фазой записи, где снова загружается информация, только на этот раз от процессора к памяти. В некоторых случаях информация может быть загружена в память процессора, которая будет повторно использована позже, но как только обработка конкретной работы будет завершена, данные всегда заканчиваются записью в основную память, где она может быть записана в блок хранения, в зависимости от приложения.

Основные современные архитектуры процессоров

Как мы уже говорили, функция процессора заключается в интерпретации информации. Данные загружаются из разных систем памяти в виде двоичного кода, и именно этот код должен быть преобразован процессором в полезные данные приложениями. Указанная интерпретация реализуется с помощью набора инструкций, что и определяет архитектуру процессора.

В настоящее время в основном используются две архитектуры RISC и CISC. RISC дает жизнь процессорам, разработанным британской фирмой ARM, которая с ростом мобильных устройств значительно выросла. Кроме того, PowerPC, архитектура, которая дала жизнь компьютерам Apple, серверам и консолям Xbox 360 и PlayStation 3, основана на RISC. CISC – это архитектура, используемая в процессорах AMD Intel и X86-64 X86.

Что касается архитектуры, которая лучше, то всегда говорилось, что быть более чистым и оптимизированным RISC будет будущее вычислений. Тем не менее, Intel и AMD никогда не поддавались на изгибе и сумели создать очень прочную экосистему вокруг своих процессоров, которые, хотя и сильно загрязнены устаревшими элементами обратной совместимости, всегда поддерживали своих конкурентов.

В целом, благодаря своей гибкости и относительной простоте производства, в течение нескольких лет больше процессоров останется центральным элементом современных вычислений. Но мы всегда должны помнить, что с течением лет развиваются параллельные технологии, которые помогают децентрализовать нагрузку, и сегодня более чем когда-либо графические процессоры, более мощные, но менее гибкие, начали приобретать почти такое же значение.

Видео: Что такое CPU [Центральный Процессор, ЦП] – Быстро и Понятно!

Пользователи компьютеров очень часто путают между собой такие два понятия как системный блок и процессор, называя первый - вторым. Это в корне неправильно. Сам процессор - это устройство, предназначенное для управления работой по заранее заданной последовательности команд, которая называется программой, и для выполнения операций по обработке информации.

Кроме того, есть и другие устройства с похожим названием. Например, текстовый процессор предназначен для создания документов и их форматирования. К такому типу программ относится Microsoft Word.

Что это такое?

А само устройство, являющееся мозгом компьютера, еще называют микропроцессором. Для чего предназначен процессор в компьютере? Это такая которая управляет работой персонального компьютера. Создается такая схема на одном или нескольких кристаллах, сделанных из полупроводника при помощи очень сложной технологии, относящейся к сфере микроэлектроники.

Все то что может делать компьютер с информацией, определено самого процессора. Они входят в инструкции по управлению работой компьютера. Одна отдельно взятая команда - это одна операция, выполняемая вычислительной машиной. Например, выполнение арифметических действий, определение последовательности команд для выполнения, передача информации из памяти одного устройства в память другого.

Таков краткий ответ на вопрос, для чего предназначен процессор.

Устройство

Так как процессор - это устройство, предназначенное для обработки данных, он состоит из следующих элементов:

• арифметико-логическое устройство;
• устройство управления;
• регистры памяти.

Устройство управления, как понятно из его названия, по заданной программе управляет всеми узлами компьютера. Оно извлекает каждую последующую команду из регистра, узнает из нее, какую операцию нужно выполнить, и в какой последовательности. Это своеобразный дирижер, управляющий целым оркестром. А музыкальной композицией служит как раз программа.

Составные части

Арифметико-логическое устройство - это инструмент для вычислений, которое, следуя программам, выполняет операции, связанные с арифметикой и логикой.

Регистры являются внутренней памятью центрального процессора. Один регистр можно сравнить с черновиком, с помощью которого устройство производит расчеты и хранит их результаты. Каждый из регистров имеет свое собственно назначение.

Допустим, процессор должен сложить два каких-то числа. Для выполнения этой операции в первую очередь ему нужно взять из памяти первое слагаемое, потом - второе, сложить эти два значения, а сумму вновь переслать в оперативную память компьютера.

Ясно, что оба слагаемых и результат должны процессором где-то храниться. Для этой цели предназначена ячейка, входящая непосредственно в сам процессор, называемая аккумулятором или сумматором. Так как процессор предназначен для данных и их обработки, он должен понимать, из какой ячейки памяти нужно брать следующую команду. Это он узнает из другой своей внутренней ячейки, которая называется счетчиком. Команда, которая извлекается из оперативной памяти, размещается в еще одной ячейке - регистре команд. Из него результат выполненной команды можно перенести уже в оперативную память.

Виды регистров

Регистры бывают нескольких видов. Они отличаются друг от друга видом операций, которые выполняют. Самые важные регистры обладают собственными названиями:

• Счетчик команд - это регистр, содержащий адрес следующей команды, которую нужно выполнить. Он служит для автоматического выбора программы из набора связанных ячеек памяти.
• Сумматор - принимает участие при выполнении всех операций.
• Регистр команд. В нем хранится команда на тот период времени, который нужен для выполнения.

Шина данных

Процессор компьютера предназначен для работы с информацией. Все его устройства постоянно ею между собой обмениваются. А делают они это при помощи элемента, который называется внутренняя шина данных. В современных центральных процессорах есть и другие части, но необходимым минимумом является вышеописанный набор устройств.

Машинный цикл и его схема

Данный процесс, как правило, состоит из следующих шагов:

• Выбирается команда из ячейки, адрес которой сохранен в регистре-счетчике. Его содержимое при этом увеличивается на значение длины этой команды.
• Далее она отправляется в устройство управления, попадая в его регистр команд.
• Адресное поле, принадлежащее команде, расшифровывается устройством управления.
• Последнее дает сигнал, и данные считываются из оперативной памяти, попадая уже в арифметико-логическое устройство.
• Устройством управления расшифровывается код выполняемой операции и в арифметико-логическое устройство подается сигнал о выполнении этого действия над данными, которые в таком случае называются операндами.
• Результат выполнения операции может сохраниться в самом центральном процессоре или же передается в память, в случае, когда имеется адрес, по которому должен находиться результат.
• Все вышеперечисленные шаги выполняются до тех пор, пока не будет дан стоповый сигнал.

Характеристики

Итак, для чего предназначен процессор, ясно: для выполнения команд из заданной программы. Для этого он обладает следующими характеристиками:

1. Тактовая частота. Центральный процессор тесно связан с генератором которым вырабатываются импульсы. Они синхронизируют между собой работу всех элементов компьютера. Равняется эта характеристика числу тактов за одну секунду. Один такт - это отрезок времени, находящийся между первым импульсом и вторым. Измеряется тактовая частота в мегагерцах.
2. Разрядность. Это максимальное значение, отвечающее за число разрядов образованного и передаваемого процессором в одно и то же время. Эта характеристика определена разрядностью его регистров.
3. Адресное пространство. К нему относится тот диапазон адресов, к которым обращается процессор, применяя адресный код.

Благодаря вышесказанному можно четко определиться, для чего предназначен процессор. Это мозг компьютера, без которого он совершенно ни к чему не пригоден. Разве только для украшения интерьера.

Центральный процессор является ключевым компонентом любого персонального компьютера. В этом материале мы расскажем об основных характеристиках современных процессоров, их технологических особенностях и базовых функциональных возможностях.

Введение

Любое компьютерное устройство, будь то ноутбук, настольный ПК или планшет состоит из нескольких важных компонентов, которые отвечают за его функциональные возможности и работоспособность в целом. Но, пожалуй, самым важным из них является центральный процессор (ЦП, ЦПУ или CPU) - устройство, отвечающее за все основные вычисления и выполняющее машинные инструкции (код программ). Недаром, именно процессор, считается мозгом компьютера и главной частью его аппаратного обеспечения.

Как правило, выбирая себе компьютер, мы в первую очередь обращаем внимание на то, какой именно процессор находится в его основе, так как от его производительности будут напрямую зависеть возможности и функциональность вашего будущего ПК. Именно поэтому, человек, который владеет информацией о современных производителях процессоров и тенденциях развития этого рынка, сможет грамотно определить не только возможности того или иного компьютерного устройства, но и оценить перспективность будущей покупки нового ПК или обновления старого.

Совершенно очевидно, что процессоры, установленные во всевозможных компьютерных и электронных устройствах, отличаются между собой не только своей производительностью, но и конструктивными особенностями, а так же принципами работы. В рамках этого цикла мы с вами будем знакомиться с процессорами, построенными на базе архитектуры x86 , которые лежат в основе большинства современных настольных компьютеров, ноутбуков и нетбуков, а так же некоторых планшетов.

Наверняка, у многих читателей, особенно тех, кто только начинает знакомиться с компьютером, существует определенное предубеждение, что разбираться во всех этих «процессорных премудростях» удел опытных пользователей, потому что это очень сложно. Но так ли все проблематично на самом деле?

С одной стороны, конечно процессор - это очень сложное устройство и досконально изучить все его технические характеристики действительно непросто. Еще больше усугубляет ситуацию тот факт, что количество моделей ЦП, которые вы сможете сейчас найти на современном рынке очень велико, так как одновременно в продаже присутствуют сразу несколько поколений чипов. Но с другой стороны, процессоры имеют всего несколько ключевых характеристик, разобравшись в которых, рядовой пользователь сможет самостоятельно оценить возможности той или иной модели процессора и сделать правильный выбор, не запутавшись во всем модельном разнообразии.

Основные характеристики процессоров

Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования моделей ранних изделий Intel - пользователи со стажем наверняка помнят еще 286-е (80286), 386-е (80386) и 486-е (80486) «персоналки», являвшиеся мечтой любого компьютерщика конца 80-ых, начала 90-ых годов.

На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD, VIA, SiS, Cyrix и многих других.

Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном рынке, являются:

• фирма производитель
• серия
• количество вычислительных ядер
• тип установочного разъема (сокет)
• тактовая частота.

Производитель (бренд) . На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intelсоставляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена.

Серия - является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.

На сегодняшний день в основе продукции компании Intelлежат пять основных семейств -Pentium (Dual-Core) , Celeron (Dual-Core) , Core i3, Core i5 и Core i7 . Первые три нацелены на бюджетные домашние и офисные решения, два последних лежат в основе производительных систем.

Процессор Intel Core i7

Несколько особняком от основных семейств держится линейка чипов Atom , отличающаяся от остальных низким энергопотреблением и невысокой стоимостью. Эти процессоры предназначены для установки в бюджетных системах, где не требуется высокая производительность, но необходимо малое потребление энергии. К таковым относятся нетбуки, неттопы, планшетные ПК и коммуникаторы.

Нельзя не упомянуть и еще об одном семействе процессоров компании из Санта-Клара - Core 2 . Не смотря на то, что оно уже не выпускается, и найти его в продаже можно лишь на различных «барахолках», до сих пор, у пользователей это семейство пользуется заслуженной популярностью, а многие нынешние домашние компьютеры оснащены процессорами именно этой серии.

Компания AMD, почитателям своей продукции, предлагает процессоры серий Athlon II , Phenom II , A-Series и FX-Series . Путь двух первых семейств подходит к логическому завершению, последние же два только набирают обороты. Кое-где еще можно встретить в продаже самые бюджетные процессоры Sempron , хотя их дни практически сочтены.

Процессор AMD FX-Series

Как и Intel, AMD имеет тоже свою «мобильную» серию под названием E- series , микропроцессоры которой характеризуются пониженным энергопотреблением и предназначены для установки в недорогие настольные и портативные ПК.

Количество вычислительных ядер . Еще в прошлом десятилетии разделение процессоров по количеству ядер не было вовсе, так как все они были одноядерными. Но времена меняются, и сегодня одноядерные ЦП можно назвать анахронизмом, а на смену им пришли многоядерные собратья. Самыми распространёнными из них являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами.

Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность, и как вы понимаете, чем их больше, тем она выше. Правда при работе со старым, неоптимизированным под многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать.

Тип разъема . Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных ПК, таковых семь - четыре для чипов Intel и три для AMD.

Основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров Intel считается LGA 1155. Самые производительные и продвинутые решения этой компании устанавливаются в разъем LGA 2011. Остальные два типа разъемов - LGA 775 и LGA 1156 доживают свои последние дни, так как выпуск процессоров под такие типы сокета практически прекращен.

Среди изделий AMD, на сегодняшний день самым используемым типом разъема можно назвать Socket AM3. Как правило, в него устанавливаются большинство бюджетных и самых ходовых продуктов компании. Правда эта ситуация в ближайшее время скорее всего измениться, так как все новейшие процессоры и производительные решения имеют разъемы Socket AM3+ и Socket FM1.

Кстати процессоры Intelи AMDможно очень просто отличить по одному характерному признаку, который вы возможно уже заметили, смотря на фотографии. Изделия компании AMD имеют на задней части множество штырьков-контактов, с помощью которых они подключаются к системной плате (вставляются в разъем). Intel же использует принципиально иное решение, так как контактные ножки находятся не на самом процессоре, в внутри разъема материнской платы.

Рассматривать разъемы здесь для мобильных решений мы не будем, так как это не имеет никакого практического смысла. Ведь тип сокета для пользователя важен только в том случае, если вы планируете самостоятельно произвести замену (апгрейд) процессора в вашем компьютере. В портативных же устройствах это сделать довольно затруднительно, да и сами мобильные версии процессоров купить в рознице практически невозможно.

Тактовая частота - характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может проделать в секунду. Правда, проводить сравнение производительности разных моделей процессоров только по показателю их тактовой частоты в корне неверно.

Дело в том, что для выполнения одной операции, разным чипам может потребоваться разное количество тактов. Кроме того, современные системы при вычислениях используют конвейерную и параллельную обработки, и могут за один такт выполнить сразу несколько операций. Все это приводит к тому, что разные модели процессоров, имеющие одинаковую тактовую частоту, могут показывать совершенно различную производительность.

Сводная таблица семейств процессоров для настольных ПК

Технологический процесс (технология производства)

При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях используется фотолитография - метод, которым с помощью литографического оборудования на тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого технологического процесса.

Intel

Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры? Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты).

Кремниевая пластина с чипами процессоров AMD

Первый процессор Intel с архитектурой x86, до сих пор являющейся основной для всех современных ЦП, был произведен в конце 70-ых годов с помощью техпроцесса равному 3 мкм (микрометра). К началу 2000-ых годов практически все ведущие производители микросхем, включая компании AMD и Intel, освоили 0,13 мкм или 130 нм - технологический процесс. Большинство современных процессоров изготавливаются по 32 нм - техпроцессу, а с середины 2012 года и по 22 нанометровой технологии.

Переход на более тонкий техпроцесс всегда является значимым событием для производителей микропроцессоров. Ведь это, как было отмечено ранее, приводит к снижению стоимости производства чипов и улучшению их ключевых характеристик, а значит, делает выпускаемую продукцию разработчика более конкурентоспособной на рынке.

Энергопотребление и тепловыделение

На ранней стадии своего развития микропроцессоры потребляли совсем небольшое количество энергии. Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал стремительно расти. Практически не учитываемый на первых порах фактор энергопотребления на сегодняшний день имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров.

Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, которое может привести к перегреву и выходу из строя, как самого процессора, так и окружающих его микросхем. Для отведения тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от количества выделяемого тепла процессором.

В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а для их охлаждения приходилось использовать массивные и шумные вентиляторы. Более того, средняя мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это значит что более половины ее должно было уходить на обслуживание «прожорливого» процессора.

Именно тогда стало понятно, что дальнейшее наращивание вычислительной мощности процессоров невозможно без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие снизить тепловыделение.

Процессоры, работающие на сверхвысоких тактовых частотах, приходится остужать вот такими гигантскими системами охлаждения.

Для оценки тепловыделения процессоров была введена величина, характеризующая требования к производительности систем охлаждения и получившая название TDP . TDP показывает на отвод какого количества тепла должна быть рассчитана та или иная система охлаждения при использовании с определенной моделью процессора. Например, TDP процессоров для мобильных ПК должно быть менее 45 Вт, так как использование в ноутбуках или нетбуках больших и тяжелых систем охлаждения невозможно.

На сегодняшний день, в эру расцвета портативных устройств (ноутбуки, неттопы, планшеты), разработчикам удалось добиться колоссальных результатов на поприще снижения энергопотребления. Этому поспособствовали: переход на более тонкий технологический процесс при производстве кристаллов, внедрение новых материалов для снижения токов утечки, изменение компоновки процессоров, применение всевозможных датчиков и интеллектуальных систем, отслеживающих температуру и напряжения, а так же внедрение других технологий энергосбережения. Все эти меры позволяют разработчикам продолжать наращивать вычислительные мощности процессоров и использовать более производительные решения в компактных устройствах.

На практике, учитывать тепловые характеристики процессора при покупке стоит, если вы хотите собрать бесшумную компактную систему, или например, желаете что бы будущий ноутбук работал как можно дольше от аккумулятора.

Архитектура процессоров и кодовые имена

В основе каждого процессора лежит так называемая процессорная архитектура - набор качеств и свойств, присущий целому семейству микрочипов. Архитектура напрямую определяет внутреннюю конструкцию и организацию процессоров.

По сложившейся традиции, компании Intelи AMD дают своим различным процессорным архитектурам кодовые имена. Это более точно позволяет систематизировать современные процессорные решения. Например, процессоры одного семейства с одинаковой тактовой частотой и количеством ядер могут быть изготовлены с применением разного технологического процесса, а значит иметь разную архитектуру и производительность. Так же применение звучных имен в названиях архитектур дает возможность производителям более эффектно презентовать, нам пользователям, свои новые разработки.

Разработки Intel носят географические названия мест (гор, рек, городов и т.д.), находящихся недалеко от мест размещения ее производственных структур, ответственных за разработку соответствующей архитектуры. Например, первые процессоры Core 2 Duo были построены на архитектуре Conroe (Конрой), которая получила свое название в честь города, расположенного в американском штате Техас.

Компания AMD какой-либо четкой тенденции формирования имен для своих разработок не имеет. От поколения к поколению тематическая направленность может изменяться. Например, новые процессоры компании носят кодовые имена Liano и Trinity.

Многоуровневый кэш

В процессе выполнения вычислений, микропроцессору необходимо постоянно обращаться к памяти для чтения или записи данных. В современных компьютерах функцию основного хранения данных и взаимодействия с процессором выполняет оперативная память.

Не смотря на высокую скорость обмена данными между двумя этими компонентами, процессору часто приходиться простаивать, ожидая запрошенную у памяти информацию. В свою очередь это приводит к снижению скорости вычислений и общей производительности системы.

Для улучшения этой ситуации, все современные процессоры имеют кэш - небольшой промежуточный буфер памяти с очень быстрым доступом, использующейся для хранения наиболее часто запрашиваемых данных. Когда процессору становятся необходимы какие-то данные, он сначала ищет их копии в кэше, так как оттуда выборка необходимой информации произойдет гораздо быстрее, чем из оперативной памяти.

Большинство микропроцессоров для современных компьютеров имеют многоуровневый кэш, состоящий из двух или трех независимых буферов памяти, каждый из которых отвечает за ускорения определенных процессов. Например, кэш первого уровня (L1) может отвечать за ускорение загрузки машинных инструкций, второго (L2) - ускорение записи и чтения данных, а третьего (L3) - ускорение трансляции виртуальных адресов в физические.

Одной из самых основных проблем, стоящих перед разработчиками, является нахождение оптимальных размеров кэша. С одной стороны, большой кэш может содержать больше данных, а значит процент того, что процессор найдет среди них нужные - выше. С другой стороны, чем больше размер кэша, тем больше задержка при выборке данных из него.

Поэтому, кэши разных уровней имеют разный размер, при этом кэш первого уровня - самый маленький, но и самый быстрый, а третьего - самый большой, но и самый медленный. Поиск данных в них происходит по принципу от меньшего к большему. То есть процессор сначала пытается найти необходимую ему информацию в кэше L1, затем в L2 и потом в L3 (при его наличии). При отсутствии нужных данных во всех буферах происходит обращение к оперативной памяти.

В целом, эффективность работы кэша, особенно 3-его уровня, зависит от характера обращения программ к памяти и архитектуры процессора. Например, в некоторых приложениях наличие кэша L3 может принести 20%-ый прирост производительности, а в некоторых не сказаться вовсе. Поэтому, на практике вряд ли стоит руководствоваться характеристиками многоуровневого кэша, при выборе процессора для своего компьютера.

Встроенная графика

С развитием технологий производства и как следствие уменьшением размеров чипов, у производителей появилась возможность размещать внутри процессора дополнительные микросхемы. Первой из таковых, стало графическое ядро, отвечающее за вывод изображения на монитор.

Такое решение позволяет снизить общую стоимость компьютера, так как в этом случае нет необходимости использовать отельную видеокарту. Очевидно, что гибридные процессоры ориентированы на использование в бюджетных системах и корпоративном секторе, где производительность графической составляющей вторична.

Первый пример интеграции видеопроцессора в «нормальный» ЦП продемонстрировала компания Intel в начале 2010 года. Конечно, никакой революции это не принесло, так как до этого момента графика уже давно и успешно интегрировалась в чипсеты материнских плат.

Когда-то разница по функционалу между интегрированной и дискретной графикой была принципиальной. На сегодняшний же день можно говорить лишь о разной производительности этих решений, так как встроенные видеочипы способны выводить изображения на несколько мониторов в любых доступных разрешениях, выполнять 3D-ускорение и аппаратное кодирование видео. По сути, интегрированные решения по своей производительности и возможностям можно сравнить с младшими моделями видеокарт.

Компания Intel интегрирует в свои процессоры графическое ядро под незатейливым названием IntelHDGraphics собственной разработки. При этом процессоры Core 2, Celeron и старшие модели Core i7 встроенных графических ядер не имеют.

AMD, осуществив слияние в 2006 году с гигантом по производству видеокарт, канадской компанией ATI, встраивает в свои решения видеочипы семейства Radeon HD. Более того, некоторые новые процессоры компании представляют собой объединение процессорных ядер x86 и графических Radeonна одном кристалле. Единый элемент, созданный путем слияния центрального (CPU) и графического (GPU) процессоров получил название APU, Accelerated Processor Unit (ускоренный процессорный элемент). Именно так (APU) теперь и называют процессоры A и E-серий.

В общем, интегрированные графические решения от компании AMDявляются более производительными, чем Intel HD и выглядят предпочтительнее в игровых приложениях.

Режим Turbo

Многие современные процессоры оснащены технологией, позволяющей им в некоторых случаях автоматически увеличивать тактовую частоту выше номинальной, что приводит к увеличению производительности приложений. Фактически данная технология является «саморазгоном» процессора. Время работы системы в режиме Turbo зависит от условий эксплуатации, рабочей нагрузки и конструктивных особенностей платформы.

Компания Intel в своих процессорах использует собственную технологию интеллектуального разгона под названием Turbo Boost. Используется она в производительных семействах Core i5 и Core i7.

Отслеживая параметры, связанные с нагрузкой на ЦПУ (напряжение и сила тока, температура, мощность), встроенная система управления повышает тактовую частоту ядер в случае, когда максимальный тепловой пакет (TDP) процессора еще не достигнут. При наличии незагруженных ядер они отключаются и освобождают свой потенциал для тех, которые используются приложениями. Чем меньше ядер задействовано в вычислениях, тем выше поднимается тактовая частота чипов, участвующих в вычислениях. Для однопоточных приложений ускорение может составлять 667 МГц.

AMD так же имеет свою технологию динамического разгона наиболее нагруженных ядер и применяет ее только в своих 6 и 8-ядерных чипах, к котором относятся серии Phenom II X6 и FX. Называется она Turbo Core и способна работать только в том случае, если в процессе вычислений количество загруженных ядер составляет меньше половины от их общего числа. То есть в случае 6-ядерных процессоров, число неактивных ядер должно быть не менее трех, а 8-ядерных - четырех. В отличие от Intel Turbo Boost, в этой технологии на прирост частоты не влияет количество свободных ядер и он всегда одинаков. Его величина зависит от модели процессора и колеблется от 300 до 600 МГц.

Заключение

В заключении давайте попробуем применить практически полученные знания с пользой. Например, в одном популярном магазине компьютерной электроники продаются два процессора Intel Core i5 cодинаковой тактовой частотой 2.8 ГГц. Давайте посмотрим на их описания, взятые с сайта магазина, и попробуем разобраться в их отличиях.

Если внимательно посмотреть на скриншоты, то несмотря на то, что оба процессора относятся к одному семейству общего у них не так уж много: тактовая частота, да количество ядер. Остальные характеристика рознятся, но первое на что стоит обратить внимание - это типы разъемов, в которые устанавливаются оба процессора.

Intel Core i5 760 имеет разъем Socket 1156, а значит относится к устаревшему поколению процессоров. Покупка его будет оправдана только в том случае, если у вас уже стоит в компьютере материнская плата с таким гнездом, и менять ее вы не хотите.

Более новый Core i5 2300 произведен уже по более тонкому техпроцессу (32 нм против 45 нм), а значит, имеет и более совершенную архитектуру. Несмотря на несколько меньший L3 кэш и «саморазгон» этот процессор наверняка не уступит в производительности своему предшественнику, а наличие встроенной графики позволит обойтись без приобретения отдельной видеокарты.

Несмотря на то, что у обоих процессоров тепловыделение указано одинаковым (95 Вт), Core i5 2300 в равных условиях будет холоднее своего предшественника, так как мы уже знаем, что более современный технологический процесс обеспечивает меньшее энергопотребление. В свою очередь это увеличивает его разгонный потенциал, что не может не радовать компьютерных энтузиастов.

А теперь давайте рассмотрим пример на базе процессоров AMD. Здесь мы выбрали специально процессоры из двух разных семейств - Athlon II X4 и Phenom II X4. По идее линейка Phenom является более производительной, чем Athlon, но давайте посмотрим на их характеристики и решим, все ли так однозначно.

Из характеристик видно, что оба процессора имеют одинаковые тактовую частоту и количество вычислительных ядер, практически идентичное тепловыделение, а так же у обоих отсутствует встроенное графическое ядро.

Первое различие, которое сразу бросается в глаза - процессоры устанавливаются в разные разъемы. Не смотря на то, что оба они (разъемы) на данный момент активно поддерживаются производителями системных плат, из этой пары Socket FM1 выглядит несколько предпочтительнее с точки зрения будущей модернизации, так как туда можно установить новые процессоры (APU) A-серии.

Еще одним плюсом Athlon II X4 651 является более тонкий и современный технологический процесс, по которому он был произведен. Phenom II отвечает наличием Turbo-режима и кэша третьего уровня.

В итоге, ситуация складывается неоднозначная и здесь ключевым фактором может стать розничная цена, которая у процессора из линейки Athlon II на 20-25% меньше, чем у Phenom II. А с учетом более перспективной платформы (Socket FM1) покупка Athlon II X4 651 выглядит более привлекательной.

Конечно, что бы более однозначно говорить о преимуществах тех или иных моделей процессоров, необходимо знать на базе какой архитектуры они изготовлены, а так же их реальную производительность в различных приложениях, измеренную на практике. В следующем материале, мы рассмотрим подробно современные модельные ряды микропроцессоров Intel и AMD для настольных ПК, познакомимся с характеристиками различных семейств CPU, а так же приведем сравнительные результаты их производительности.

Лекция 6. Тенденция развития процессоры. М н о г ояд е рн ые пр о ц есс о р ы и н о в ые т е х н оло г и и многоядерной об р аботки д а нн ых

Центральный процессор

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;

шины данных и шины адресов;

регистры;

счетчики команд;

кэш - очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров . Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

1. Повышение производительности процессоров

На протяжении длительного времени прогресс в области микропроцессоров фактически отождествлялся со значением тактовой частоты. В 2001 году в корпоративных планах производителей микропроцессоров значилось, что уже к концу десятилетия будет преодолен барьер 10 ГГц. Увы, планы эти оказались неверны. Прав же оказался тот, кто сделал ставку на многоядерные архитектуры.

Первый двухъядерный процессор в семействе Power выпустила корпорация IBM. Сегодня многоядерные процессоры предлагает Sun Microsystems (восьмиядерный UltraSPARC T1), а также Intel и AMD.

ЗаконаМура гласит,чтоколичествотранзисторов, размещенныхнаполупроводниковой микросхеме, удваивается каждые два года, что приводит, с однойстороны, к повышению производительности, а с другой стороны, к снижениюстоимостипроизводствамикросхем. Несмотряна важность и действенность этогозакона в течение долгих лет, оцениваяперспективы дальнейшего развития, времяот времени предсказывали егонеминуемое фиаско.

В качестве препятствий на пути дальнейшего развития называются такие факторы,как ограниченияиз-за физических размеров,стремительный рост энергопотребления и непомерно высокие затраты на производство.

На протяжениимногих лет дляповышенияпроизводительностипроцессораиспользовалсяединственныйпуть -повышениеего тактовойчастотой. За эти годыукоренилосьмнение,чтоименно тактоваячастотапроцессора является основнымпоказателемегопроизводительности. Наращивание тактовыхчастотнасовременном этапе не простая задача. Конец гонке тактовых частот микропроцессоров был положен благодаря нерешенной проблеме токов утечки и неприемлемому росту тепловыделениямикросхем.

Производительностьпроцессора (Performance) - это отношение общегочисла выполненных инструкций программного кода ко времени их выполнения иликоличество инструкций, выполняемых за секунду (Instructions rate):

к оли чес т во и нс т р у к ци й = пр о и зво д и т е ль н о с т ь

в р е м я в ы п олн е ни я

Таккак основнойхарактеристикойпроцессорасталаего тактоваячастота, то введемчастоту в формулупроизводительностьпроцессора. Помножимчислитель и зн аме н а т е ль н а к ол и чес тво т а к тов, за к оторое в ыпол н е н ы и н с т р у кции:

пр о и зво д и т е ль н о с т ь = к оли чес т во и н с т р у кц и й к оли ч е с т во т а к т ов

к оли чес т во т а к т о в в р е мя в ы п олн е ни я

Перваячастьполученногопроизведения -количествоинструкций, выполняемыхза один такт(InstructionPer Clock,IPC),Втораячастьпроизведения -количество тактов процессора в единицу времени (тактовая частота процессора, F илиFrequency). Таким образом, производительность процессора зависит не только от его тактовойчастоты,но и от количества инструкций, выполняемых за такт(IPC):

пр о и з во д и т е ль н о с т ь = (I P C) (F )

Полученная формула определяетдва р а зн ых п о д х ода к у в е л и че ни ю п ро из во д и т е л ь н о с ти п р о ц есс ор а . П е рв ы й - у в е л и че ни е т а к товой час тоты п ро ц есс ор а , а второй – у в е л и че ни е к ол и чес тва ин с т р у кци й п рогр амм н ого к од а , в ы п ол н я ем ых з а од и н т а к т п ро ц есс ор а .

Увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и определяется технологиейизготовленияпроцессора. При этом ростпроизводительности не является прямо пропорциональным росту тактовой частоты, тоестьнаблюдается тенденциянасыщаемости,когда дальнейшееувеличение тактовойчастотыстановитсянерентабельным.

Количествоинструкций, выполняемыхза время одного такта, зависит от микроархитектуры процессора: от количества исполнительных блоков, от длины конвейера и эффективности его заполнения, от блока предвыборки, от оптимизации программного кода к данной микроархитектуре процессора.

Поэтомусравнение производительности процессоров на основании их тактовой частоты возможно только впределах одной и той жеархитектуры (при одинаковом значенииколичества выполняемых операций всекунду -IPCпроцессоров).

Сравнениепроизводительностипроцессоров с различнойархитектурой на основе тактовой частотынеправомерно. К примеру, основываясь на тактовой частоте,некорректносравниватьпроизводительностипроцессоров с разным размеромкэшпамяти уровня L2, или производительности процессоров, поддерживающих и не п оддер ж и в а ющ и х т е х н олог и ю H y p e r - T h re a din g .

Из-за удельного удешевления транзисторов открылась возможность компенсировать несовершенство процессорной архитектуры их количеством, что в конечном итоге и стало причиной консервации предложенной в далекие 40-е годы схемы организации компьютерных систем, которая получила свое название по имени Джона фон Неймана. Трудно представить еще какую-либо из современных технологических областей, которая, декларируя свою причастность к техническому прогрессу, была бы столь консервативна по своей сути. О врожденных недостатках фон-неймановской схемы написано немало, но, что бы сейчас ни говорили на эту тему, еще лет десять назад никакие аргументы не возможно было противопоставить убеждению в том, что процессорная индустрия выбрала единственно правильный путь, основанный на количественном росте. Достаточно вспомнить, с какой гордостью произносились новые цифры; считалось, что, если не хватит миллиона транзисторов, сделаем миллиард - «нет проблем», главное уменьшить размеры кристаллов и межсоединений и повысить тактовую частоту. Но за все приходится платить. Каждый транзистор потребляет энергию, в итоге, по данным IDC, сегодня затраты на электричество, необходимое для питания центров обработки данных, составляют свыше 80% от затрат на приобретение компьютерного оборудования, а через пару лет эти показатели сравняются.

Отход отпоследовательногоисполнениякоманд ииспользованиенесколькихисполняющих блоков в одномпроцессорепозволяют одновременно обрабатыватьнесколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать п а р а ллел из м н а у ровне ин с т р у кци й (InstructionLevelParallelism -I L P ),что, разумеется,увеличивает общуюпроизводительность.

Еще одинподход к решению даннойпроблемы был реализован вVLIW/EPIC -архитектуре IA-64 (очень длинных команд), где часть проблем переложена саппаратурынакомпилятор. И все же разработчикипризнают,что для достижения высокой производительности архитектура важнее.

При большом числе функциональных блоков микросхемы и большом ее размере возникаетпроблема, связанная со скоростью распространения сигналов - за один тактсигналы не успевают достигнуть необходимые блоки. В качестве возможного выхода вмикропроцессорах Alpha были введены такназываемые"к л а с т е р ы ",где у с тро й с тва час т и ч н о д у бл и ров а л и с ь , н о з а то в н у три к л ас т е ров р а сс тоя ни я были ме нь ш е . Можносказать,чтоидеяпостроениямногоядерныхмикропроцессоров является развитиемидеи кластеров, но в данном случае д у бл и р у е т с я ц е л ик ом п ро ц есс ор н ое ядро .

Другим предшественником многоядерного подхода можно считать технологиюI ntel - H y p e r T h r e a di n g , где также есть небольшое д у бл и ров а н и е а пп а р а т у ры и и с п ол ь з ов а ни е д в у х п ото к ов ин с т р у кций , и с п ол ь з у ющ и х общ е е ядро.

Многоядерныйпроцессоримеет дваили больше"исполнительныхядер".Ядром п ро ц есс ора м ож н о н а з в а ть е го с и с т е м у и с п ол ни т е л ьн ы х у с тро й с тв (н а бор а р и фм е т ик о - лог и чес ки х у с тро й с тв ) , п р е д н а зн ач е нн ы х д ля обр а бо тк и д а нн ы х . Операционнаясистема рассматривает каждое из исполнительных ядер, как дискретный процессор со всеминеобходимыми вычислительными ресурсами. Поэтомумногоядернаяархитектура процессора, при поддержке соответствующего программного обеспечения, осуществляет полностью параллельное выполнение нескольких программных потоков.

К 2006 годувсе ведущиеразработчикимикропроцессоровсоздали двуядерныепроцессоры. Первымипоявились двуядерныеRISC-процессорыSun Microsystems (UltraSPARCIV), IBM (Power4,Power5) и HP(PA-8800 иPA-8900).

О выпуске двуядерныхпроцессоров с архитектуройх86 фирмы AMD и Intel об ъ явили п о ч ти о д н ов р еме нн о.

Архитектурапроцессоров достигла достаточно высокойсложности,поэтомупереход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышенияпроизводительности вычислительных систем.

Модернизации схемы фон Неймана

На самом деле фон-неймановская архитектура компьютера не является единственно возможной, пространство допустимых решений гораздо шире. Так, исходя из способов организации последовательности выполнения команд и обмена данными между процессором и памятью, все компьютеры можно разделить на четыре класса:

SISD (Single Instruction Single Data) - «один поток команд, один поток данных»;

SIMD (Single Instruction Multiple Data) - «один поток команд, много потоков данных»;

MISD (Multiple Instruction Single Data) - «много потоков команд, один поток данных»;

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) - «много потоков команд, много потоков данных»;

Класс SISD предполагает, что в один момент времени может быть выполнена одна команда, и она может оперировать только теми порциями данными, адреса которых непосредственным образом присутствуют в операндах этой команды. Напротив, в класс MIMD попадают машины, которые могут одновременно выполнять множество команд, используя при этом множество фрагментов данных. Эта классификация известна как «таксономия Флинна», она названа так по имени предложившего ее Майкла Флинна, выдающегося инженера и ученого, ныне являющегося профессором Стэндфордского университета. Из нее следует, что фон-неймановская машина является частным случаем, попадающим в класс SISD. Большинство современных компьютеров построено именно по этой схеме; между тем все суперкомпьютеры из первой десятки TOP500 построены по схеме MIMD.

Было бы некорректно объяснять рост производительности процессоров только наращиванием количественных показателей, вполне естественно, что на протяжении десятилетий было предложено несколько серьезных модернизаций, являющихся отступлениями от схемы фон Неймана, но ограниченными масштабом.

Исторически первым оказалось изобретение процессоров, способных выполнять операции не над содержимым одного или нескольких регистров, а над более крупными фрагментами данных; по классификации Флинна они попадают в класс SIMD. Их появление связывают с проектом Solomon (1962 год, компания Westinghouse).

Позднее аналогичный принцип работы с данными был реализован в самой производительной машине своего времени ILLIAC IV (1972). Если процессор, используя одну команду, может выполнять действия над векторами, то его называют векторным процессором (vector processor), а если над массивами, топроцессором массивов (array processor). Впоследствии Сеймур Крей использовал векторные принципы при разработке своих суперкомпьютеров, начиная с Cray-1. Сегодня схема SIMD широко используется в специализированных процессорах, предназначенных для игровых консолей.

После введения нового класса векторных процессоров обычные процессоры стали вынужденно, чтобы различать, называть «скалярными»; именно поэтому на следующем шаге появились решения со странным названием «суперскалярные процессоры ».Идея суперскалярности заключается в том, что процессор просматривает приближающиеся к исполнению команды и выбирает из них те последовательности, которые могут быть выполнены параллельно . Такие процессоры способны выполнять несколько инструкций за один такт, а такой вид параллелизма стали называтьпараллелизмом на уровне команд (Instruction-Level Parallelism,ILP ). Очевидно, что при заданной частоте суперскалярный процессор будет производительнее скалярного, поскольку он способен выделить в подмножество и одновременно выполнить несколько команд, распределив их по своим функциональным устройствам. Родоначальником идеи ILP был тот же Крей; он реализовал ее в 1965 году в компьютере CDC 6600, затем ILP была воспроизведена в процессоры Intel i960 (1988 год) и AMD 29050 (1990), особенно «впору» суперскалярный подход пришелся для RISC-процессоров с их упрощенной системой команд. Позже, начиная с Pentium II, обрели ILP и процессоры с архитектурой CISC.

Примерно в то же время - сначала на мэйнфреймах, а позже и на мини-ЭВМ - появилась кэш-память ; в дальнейшем идея кэширования получила развитие в многоуровневых решениях, предполагавших наличие кэшей первого и второго, а затем и третьего уровня.

Еще одним существенным изобретением, ускорившим работу процессоров, оказалось внеочередное исполнение (out-of-order execution, OoO), представляющее собой ограниченную реализацию идеи обработкипотока данных (data flow computation). Хотя первые попытки в этом направлении были предприняты еще при проектировании компьютеров CDC, но реально первые внедрения были в IBM 360, а затем в процессорах Power1. Одно из важнейших достоинств внеочередного исполнения состоит в том, что данная технология позволяет согласовать более высокую скорость работы процессоров с менее быстродействующей памятью, сняв часть нагрузки с кэш-памяти.

Заметной вехой в ряду усовершенствований фон-неймановской архитектуры стоит распараллеливание потоков (Thread Level Parallelism, TLP). Данная технология существует в нескольких версиях; среди них -одновременная многопоточность (Simultaneous Multithreading, SMT) имногопоточность на уровне кристалла (Сhip-level Multithreading, CMT). Эти два подхода в основном различаются представлением о том, что есть «поток», иначе говоря, по уровню гранулярности потоков.

Хронологически первым процессором, поддерживающим многопоточность, был процессор DEC Alpha EV4 21064. Драматическая судьба этого процессорного семейства была и остается предметом серьезных обсуждений, и, хотя на версии EV7 производство прекратилось, а EV8 и EV9 остались на бумаге, есть основания полагать, что ядро EV7 может возродиться в одном из готовящихся к выпуску многоядерных процессоров. Типичным представителем лагеря SMT является Pentium 4 с его технологией HTT (Hyper-Threading Technology). Процессор поддерживает деление на два потока команд, выбираемых из одной задачи в режиме SMT, что обеспечивает суммарное повышение производительности примерно на 30%. В процессоре UltraSPARC T1, известном прежде под кодовым названием Niagara, потоки образуются из разных задач; никакой одновременности в данном случае нет, каждый поток представляет собой виртуальное ядро процессора.

Итак, все вроде бы замечательно, но результатом усложнения логики оказалась заметная диспропорция в затратах на производительную и вспомогательную составляющие процессоров - собственно арифметико-логическое устройство занимает на них менее 20% площади кристалла.