Устройство процессора и его основные характеристики.

Приветствую вас уважаемые читатели. Сегодня я решил рассказать Вам о центральном мозге любого компьютера - процессоре.
Из статьи вы узнаете про устройство процессора и его основные характеристики.
Данная статья будет первой в цикле публикаций про центральный процессор компьютера. Те, кто подпишутся на обновления блога, наверняка первыми узнают, о следующих публикациях про процессор и гарантировано узнают, на что обращать внимание при выборе процессора для своего ПК.

Центральный процессор компьютера

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство; разг. — проц, камень) — это электронный блок, схема, исполняющая инструкции (код) программ, главная часть аппаратного обеспечения компьютера. Процессор можно сравнить с мозгом человека. Он управляет другими частями компьютера и обрабатывает большие объемы информации. На рынке производства процессоров уже давно лидируют 2 компании. Это Intel и AMD. Есть конечно и другие, но они не дотягивают пока до лидеров.

Устройство процессора

Из чего состоит процессор? Внешне процессор представляет собой плату (чип) с большим количеством контактов. Размером где то 7х7 см. Сторона, где нет контактов плоская. Казалось бы, просто кусок какого то металла с примесью пластика. На самом деле это высокотехнологичный продукт, внутри которого находятся миллионы транзисторов, имеющих сложнейшую микроструктуру.

Процесс изготовления процессоров

Основным материалом для изготовления процессоров является кремний. Кремний очищается и уже потом из него создают кристалл определенной формы, который в дальнейшем служит основой микропроцессора. Далее на этот кристалл, через специальные маски поочередно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников т.е. транзисторов. Ширина таких транзисторов исчисляется в десятках нанометров (нм), тогда как толщина человеческого волоса 50 000 нм. Чем больше транзисторов удается нанести, тем мощнее процессор. Современные супер мощные процессоры содержат до 1 млрд транзисторов. Данный метод нанесения называется литографией.
Дальше кристалл помещается на текстолит, на обратную сторону которого выводятся контакты для подсоединения к материнской плате.

Архитектура процессора

Процессоры год от года эволюционируют. Совершенствуются технологии производства, а также внутренняя структура процессора. Изменяется количество входящих транзисторов, других элементов и конечно же их свойства, то есть меняется архитектура. Процессоры изготовленные по одинаковым принципам называют процессорами одной архитектуры. На данный момент существует несколько архитектур:

• Архитектура фон Неймана. Данная архитектура была придумана Джоном фон Нейманом еще в далеком 1946 году. Большинство современных процессоров для ПК используют последовательную обработку данных, изобретённую Джоном фон Нейманом.
  В данной архитектуре данные и инструкции хранятся в одной и той же памяти.
• Конвейерная архитектура — была придумана для повышения быстродействия процессора, но и в ней есть факторы, которые её замедляют. Отличие данной архитектуры в том, что для исполнения каждой команды выполняется определенное количество однотипных операций.
• Суперскалярная архитектура способна исполнять несколько операций за один такт процессора путём увеличения исполнительных устроств. Но увеличение количества исполнительных устройств изически не безгранично. Именно это является фактором ограничивающим производительность таких процессоров.
• CISC-процессоры 3 архитектура, где используются сложные наборы команд. Например: процессоры семейства x86. Но правда в современных процессорах с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой перед исполнением, усложнённые команды разбиваются на более простые микрооперации, которые уже обрабатываются RISK ядром.
• RISC-процессоры. Reduced Instruction Set Computer — упрощенные наборы команд. Здесь используются команды с фиксированной длиной. Упрощённые команды должны сократить задержки между условным и безусловным переходом. Также, процессоры с данной архитектурой отличаются меньшим энергопотреблением и соответственно меньшим тепловыделением.
• MISC-процессоры. Minimum Instruction Set Computer — процессы используют минимальный набор команд. Практически это эволюционировавшие RISC процессоры.
• VLIW-процессоры. Very long instruction word — очень длинное командное слово. Отличительной чертой данной архитектуры является то, что исполнительными устройствами управляет планировщик (отводится короткое время), а управлением вычислительных устройств занимается компилятор (отводится значительно больше времени).
• Многоядерные процессоры. Это одни из самых распиаренных процессоров. Основаны на том, что используются два и более вычислительных ядра на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе.
• Кэширование — это использование очень быстрой кэш памяти, где хранятся копии блоков информаци из оперативной памяти, которые вероятнее всего в ближайшее время могут понадобиться. Кэш память имеет 3 уровня, которые обозначаются L1, L2 и L3 (от англ. L — Level). Наиболее быстродействующей является кэш память 1 уровня, но при этом она имеет и наименьший объём памяти. 2 и 3 последовательно и медленнее и объёмом соответственно больше. Кэш память 3 уровня наиболее медленная, но все же в разы быстрее ОЗУ.
• Гарвардская архитектура. От архитектуры фон Неймана она отличается тем, что данные хранятся в разной памяти
• Параллельная архитектура. Главным недостатком Архитектуры фон Неймана было то, что она является последовательной, то есть для обработки данных либо команды требовалось каждый его байт пропустить церез центральный процессор, даже если над всеми байтами необходимо было провести идентичные операции. Процессоры с параллельной архитектурой позволяют преодолеть данный недостаток. Такие процессоры используются в основном в суперкомпьютерах.

Основные характеристики процессора

• Количество ядер процессора. Данная характеристика процессора является чуть ли не самой главной в наше время. Многоядерные процессоры как я уже писал выше имеют два или более вычислительных ядра на одном кристалле или в одном корпусе. Чем больше ядер тем производительнее процессор. Многоядерность — это одно из перспективных направлений развития процессоров. Есть уже прототипы 100 ядерных процессоров.
• Размер кэша 2 и 3 уровня. Кэш память 3 уровня быстрее чем оперативная память в разы, не говоря уже о кэш памяти 2 уровня. Объём кэш памяти L1 практически одинакова на всех профессорах. А вот от объема кэш памяти 2 и 3 уровня зависит очень сильно производительность процессоров. Чем больше кэш память процессора, тем лучше.
• Тактовая частота процессора. Данная характеристика процессора определяет количество операций выполняемых им за одну секунду. Значит чем выше трактовая частота тем производительнее проц.
  Скорость шины процессора. Данный показатель характеризует скорость обмена данными процессора с остальными устройствами через материнскую плату. Измеряется в мегагерцах.
• Количество потоков. Все современные процессоры имеют потоки. Эта технология называется Hyper Treading (англ. hyper-treading — гиперпоточность). Обозначается обычно как HT. Данная технология позволяет включить в работу бездействующие (простаивающие) ресурсы процессора. За счет этого увеличивается производительность процессора при некоторых рабочих нагрузках.
• Энергопотребление процессоров или TDP. Termal Design Point - это показатель потребления энергии, а также тепловыделения процессора. TDP измеряется в Ваттах (Вт). "Холодными" считаются процессоры с TDP до 100 Вт. Холодные процессоры легче всего разогнать, то есть с помощью определенных изменений настроек системы увеличивается производительность процессора на 10-30%. Проблему с "горячими" процессорами можно легко решить установкой мощной системы охлаждения. Тепловыделение и энергопотребление процессора зависят от техпроцесса, количества ядер и тактовой частоты процессора. С TDP тесно связано понятие "рабочая температура процессора". Это максимальная температура кристалла процессора, при которой он способен нормально работать. Обычно это 85 °С
• Тип и максимальная скорость поддерживаемой ОЗУ. Современные процессоры поддерживает оперативную память типа DDR4. Но появилась такая память совсем недавно. Самой распространенной пока является все таки память DDR3
• Встроенное видеоядро и его производительность. Современные топ процессоры, помимо вычислительных ядер имеют свои встроенные графические ядра, выполняющие роль видеокарты, мощности которой хватает чтоб смотреть фильмы и играть в слабые (в плане графики) игры.

Вот, пожалуй все, что я хотел Вам рассказать про устройство процессора. Статья получилась объемной, а главное содержательной. Про отдельно взятые характеристики процессора мы еще поговорим отдельно в следующих публикациях. Советую вам закинуть сайт в закладки либо подписаться на обновления по электронной почте.
С уважением команда проекта pc-assistent.ru