Вероятно, выбирая компьютер и изучая его характеристики вы заметили, что такому пункту как процессор придают большое значение. Почему именно ему, а не модели , блока питания, или ? Да, это тоже важные компоненты системы и от их правильного подбора также многое зависит, однако характеристики ЦП напрямую и в большей степени влияют на скорость и производительность ПК. Давайте разберем значение этого устройства в компьютере.

А начнем с того, что уберем процессор из системного блока. В итоге компьютер не будет работать. Теперь понимаете, какую роль он играет? Но давайте более детально изучим вопрос и узнаем что такое процессор компьютера.

Что такое процессор компьютера

Вся суть в том, что центральный процессор (его полное название) – как говорят, самое настоящее сердце и одновременно мозг компьютера. Пока он работает, работают и все остальные составляющие системного блока и подключенная к нему периферия. Он отвечает за обработку потоков различных данных, а также регулирует работу частей системы.

Более техническое определение можно найти в Википеди:

Центральный процессор - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

В жизни ЦПУ имеет вид небольшой квадратной платы размером со спичечный коробок толщиной в несколько миллиметров, верхняя часть которого как, как правило, прикрыта металлической крышкой (в настольных версиях), а на нижней расположено множество контактов. Собственно, дабы не распинаться, посмотрите следующие фотографии:

Без команды, отданной процессором, не может быть произведена даже такая простая операция, как сложение двух чисел, или запись одного мегабайта информации. Все это требует немедленного обращения к ЦП. Что уж до более сложных задач, таких как запуск игры, или обработка видео.

К словам выше стоит добавить, что процессоры могут выполнять и функции видеокарты. Дело в том, что в современных чипах отведено место для видеоконтроллера, который выполняет все необходимые от нее функции, а как видеопамять использует . Не стоит думать, что встроенные графические ядра способны конкурировать с видеокартами хотя бы среднего класса, это больше вариант для офисных машин, где мощная графика не нужна, но все же потянуть что-то слабое им по зубам. Главным же достоинством интегрированной графики является цена — все же отдельную видеокарту покупать не нужно, а это существенная экономия.

Как работает процессор

В предыдущем пункте было разобрано, что такое процессор и для чего он нужен. Самое время посмотреть на то, как это работает.

Деятельность ЦП можно представить последовательностью следующих событий:

• Из ОЗУ, куда загрузилась определенная программа (допустим текстовый редактор), управляющий блок процессора извлекает необходимые сведения, а также набор команд, которые обязательно нужно выполнить. Все это отправляется в буферную память (кэш) ЦП;
• Выходящая из кэш-памяти информация разделяется на два вида: инструкции и значения , которые отправляются в регистры (это такие ячейки памяти в процессоре). Первые идут в регистры команд, а вторые в регистры данных;
• Информацию из регистров обрабатывает арифметико-логическое устройство (часть ЦПУ, которая выполняет арифметические и логические преобразования поступающих данных), которое из них считывает информацию, а за тем исполняет необходимые команды над получившимися в итоге числами;
• Получившиеся результаты, разделяющиеся на законченные и незаконченные , идут в регистры, откуда первая группа отправляется в кэш-память ЦП;
• Этот пункт начнем с того, что есть два основных уровня кэша: верхний и нижний . Последние полученные команды и данные, нужные для выполнения расчетов, поступают в кэш верхнего уровня, а неиспользуемые отправляются в кэш нижнего уровня. Этот процесс идёт следующим образом — вся информация идёт с третьего уровня кэша на второй, а потом попадает на первый, с не нужными на текущий момент данными и их отправкой на нижний уровень все обстоит наоборот;
• По окончанию вычислительного цикла, конечный итог будет записан в оперативной памяти системы, для освобождения места кэш-памяти ЦП для новых операций. Но может произойти так, что буферная память будет переполнена, тогда неэксплуатируемые данные пойдут в оперативную память, или на нижний уровень кэша.

Поэтапные шаги вышеприведенных действий являются операционным потоком процессора и ответом на вопрос – как работает процессор.

Виды процессоров и основные их производители

Существует множество видов процессоров от слабых одноядерных, до мощных многоядерных. От игровых и рабочих до средних по всем параметрам. Но, есть два основных лагеря ЦП – AMD и знаменитые Intel. Это две компании, производящие самые востребованные и популярные микропроцессоры на рынке. Основное различие между продукцией AMD и Intel – не количество ядер, а архитектура – внутреннее строение. Каждый из конкурентов предлагает свое строение «внутренностей», свой вид процессора, кардинально отличающуюся от конкурента.

У продуктов каждой из сторон есть свои плюсы и минусы, предлагаю кратко ознакомиться с ними поближе.

Плюсы процессоров Intel :

• Обладает более низким потреблением энергии;
• Разработчики больше ориентируются на Интел, чем на АМД;
• Лучше производительность в играх;
• Связь процессоров Интел с ОЗУ реализована лучше, нежели у АМД;
• Операции, осуществляемые в рамках только одной программы (на пример разархивирование) идут лучше, АМД в этом плане поигрывает.

Минусы процессоров Intel :

• Самый большой минус – цена. ЦП от данного производителя зачастую на порядок выше чем у их главного конкурента;
• Производительность снижается при использовании двух и более «тяжелых» программ;
• Интегрированные графические ядра уступают АМД;

Плюсы процессоров AMD :

• Самый большой плюс — самый большой минус Intel – цена. Вы можете купить хороший середнячок от AMD, который будет на твердую 4, а может даже и 5 тянуть современные игры, при этом стоить он будет намного ниже чем аналогичный по производительности процессор от конкурента;
• Адекватное соотношение качества и цены;
• Обеспечивают качественную работу системы;
• Возможность разгона процессора, повышая тем самым его мощность на 10-20%;
• Интегрированные графические ядра превосходят Интел.

Минусы процессоров AMD :

• Процессоры от АМД хуже взаимодействуют с ОЗУ;
• Энергопотребление больше, чем у Интел;
• Работа буферной памяти на втором и третьем уровне идёт на более низкой частоте;
• Производительность в играх отстает от показателей конкурента;

Но, несмотря на приведенные достоинства и недостатки, каждая из компаний продолжает развиваться, их процессоры с каждым поколением становятся мощнее, а ошибки предыдущей линейки учитываются и исправляются.

Основные характеристики процессоров

Мы рассмотрели, что такое процессор компьютера, как он работает. Ознакомились с тем, что из себя представляют два основных их вида, время обратить внимание на их характеристики.

Итак, для начала их перечислим: бренд, серия, архитектура, поддержка определенного сокета, тактовая частота процессора, кэш, количество ядер, энергопотребление и тепловыделение, интегрированная графика. Теперь разберем с пояснениями:

• Бренд – кто производит процессор: AMD, или Intel. От данного выбора зависит не только цена приобретения, и производительность, как можно было бы предположить из предыдущего раздела, но также и выбор остальных комплектующих ПК, в частности, материнской платы. Поскольку процессоры от АМД и Интел имеют различную конструкцию и архитектуру, то в сокет (гнездо для установки процессора на материнской плате) предназначенный под один тип процессора, нельзя будет установить второй;
• Серия – оба конкурента делят свою продукцию на множество видов и подвидов. (AMD — Ryzen, FX,. Intel- i5, i7);
• Архитектура процессора – фактически внутренние органы ЦП, каждый вид процессоров имеет индивидуальную архитектуру. В свою очередь один вид можно разделить на несколько подвидов;
• Поддержка определенного сокета - очень важная характеристика процессора, поскольку сам сокет является «гнездом» на материнской плате для подсоединения процессора, а каждый вид процессоров требует соответствующий ему разъем. Собственно об этом было сказано выше. Вам либо нужно точно знать какой сокет расположен на вашей материнской плате и под нее подбирать процессор, либо наоборот (что более правильно);
• Тактовая частота – один из значимых показателей производительности ЦП. Давайте ответим на вопрос что такое тактовая частота процессора. Ответ будет простым для этого грозного термина — объем операций выполняющихся в единицу времени, измеряющийся в мегагерцах (МГц);
• Кэш - установленная прямо в процессор память, её ещё называют буферной памятью, имеет два уровня — верхний и нижний. Первый получает активную информацию, второй – неиспользуемую на данный момент. Процесс получения информации идет с третьего уровня во второй, а потом в первый, ненужная информация проделывает обратный путь;
• Количество ядер - в ЦП их может быть от одного до нескольких. В зависимости от количества процессор будет называться двухъядерных, четырех ядерным и т.д. Соответственно от их числа будет зависеть мощность;
• Энергопотребление и тепловыделение. Тут все просто – чем выше процессор «съедает» энергии, тем больше тепла он выделит, обращайте внимание на этот пункт, чтобы выбрать соответствующий кулер охлаждения и блок питания.
• Интегрированная графика – у AMD первые такие разработки появились в 2006, у Intel с 2010. Первые показывают больший результат, чем конкуренты. Но все равно, до флагманских видеокарт пока ни один из них не смог дотянуть.

Выводы

Как вы уже поняли центральный процессор компьютера играет важнейшую роль в системе. В сегодняшней статье мы с вами разобрали, что такое процессор компьютера, что такое частота процессора, какие они бывают и для чего нужны. Как сильно одни ЦП отличаются от других, какие виды процессоров бывают. Поговорили о плюсах и минусах продукции двух конкурирующих между собой кампаний. Но с какой характеристикой процессор будет стоять в вашем системном блоке решать только вам.

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.

2. В ходе своего развития полупроводниковые структуры постоянно эволюционируют. Поэтому принципы построения процессоров, количество входящих в их состав элементов, то, как организовано их взаимодействие, постоянно изменяются. Таким образом, CPU с одинаковыми основными принципами строения, принято называть процессорами одной архитектуры. А сами такие принципы называют архитектурой процессора (или микроархитектурой).

Несмотря на это, внутри одной и той же архитектуры некоторые процессоры могут довольно сильно отличаться друг от друга - частотами системной шины, техпроцессом производства, структурой и размером внутренней памяти и т.д.

3. Ни в коем случае нельзя судить о микропроцессоре только по такому показателю, как частота тактового сигнала, которая измеряется мега или гигагерцами. Иногда «проц», у которого тактовая частота меньше, может оказаться более продуктивным. Очень важными являются такие показатели как: количество тактов, которые необходимы для выполнения команды, количество команд, которые он может выполнять одновременно и др.

Оценка возможностей процессора (характеристики)

В быту, при оценке возможностей процессора необходимо обращать внимание на следующие показатели (как правило они указаны на упаковке устройства или в прайс-листе или каталоге магазина):

• количество ядер. Многоядерные CPU содержат на одном кристалле (в одном корпусе) 2, 4 и т.д. вычислительных ядра. Увеличение количества ядер – один из самых эффективных способов значительного повышения мощности процессоров. Но необходимо учитывать, что программы, которые не поддерживают многоядерность (как правило это старые программы), на многоядерных процессорах быстрее работать не будут, т.к. не умеют использовать более одного ядра;
• размер кеша. Кеш - очень быстрая внутренняя память процессора, используемая им в качестве своеобразного буфера в случае необходимости компенсации «перебоев» во время работы с оперативной памятью. Логично, что, чем больше кеш, тем лучше.
• количество потоков – пропускная способность системы. Количество потоков часто не совпадает с количеством ядер. Например, четырехядерный Intel Core i7 работает в 8 потоков и по своей производительности опережает многие шестиядерные процессоры;
• тактовая частота – величина, которая показывает, сколько операций (тактов) в единицу времени может произвести процессор. Логично, что, чем больше частота, тем больше операций он может выполнить, т.е. тем производительнее получается.
• скорость шины, при помощи которой CPU соединен с системным контроллером, находящимся на материнской плате.
• техпроцесс – чем он мельче, тем меньше энергии процессор потребляет и, значит, меньше греется.

Немаловажный вопрос от пользователей, который я откладывал на потом, что такое процессор в компьютере? Центральный процессор (CPU) – важнейшая часть аппаратного обеспечения любого компьютера, отвечающая за выполнение необходимых арифметических операций, заданных программами, координирующая работу всех, без исключения, .

Безусловно, процессор – сердце каждого компьютера. Именно процессор выполняет инструкции программного обеспечения, использующегося на персональном компьютере, обрабатывает набор данных и производит сложные вычислительные операции. Главными характеристиками процессора являются: производительность, тактовая частота, энергопотребление, архитектура и кэш.

Итак, мы с вами поняли, что такое процессор, но какие бывают виды и для чего нужен процессор в компьютере? Давайте, обо всем по порядку. Известно, что процессоры бывают одноядерные и многоядерные . Многоядерным процессором называется центральный процессор, содержащий два (и больше) вычислительных ядра, размещенных на одном небольшом процессорном кристалле или в одном общем корпусе. Обычный процессор имеет только одно ядро. Эпоха одноядерных процессоров понемногу уходит в прошлое. По своим характеристикам они, в целом, проигрывают многоядерным процессорам.

Например, тактовая частота средненького двухъядерного процессора нередко может быть намного ниже частоты неплохого одноядерного процессора, но из-за разделения задач на «обе головы», разница в результатах становится несущественной. Двухъядерный процессор Core 2 Duo с тактовой частотой 1,7ГГц легко сможет обскакать одноядерный Celeron с тактовой частотой 2,8ГГц, ведь производительность зависит не от одной лишь частоты, но и от количества ядер, кэша и других факторов.

На сегодняшний момент на мировом компьютерном рынке лидируют два крупнейших производителя процессоров — корпорация Intel (ее доля на сегодня порядка 84%) и компания AMD (около 10%). Если взглянуть на историю развития центральных процессоров, то можно увидеть довольно много интересного. Начиная с появления первых настольных компьютеров, основным способом повысить производительность было планомерное повышение тактовой частоты.

Это весьма очевидно и логично. Однако всему есть предел и частоту невозможно наращивать до бесконечности. К сожалению, с увеличением частоты начинает нелинейно возрастать тепловыделение, достигающее, в конечном итоге, критически высоких значений. Пока решить эту проблему не помогает даже применение более тонких технических процессов в создании транзисторов.

Существует ли выход из этой очень непростой ситуации? Вскоре выход был найден в применении нескольких ядер в одном кристалле. Решено было применить вариант процессора «2 в 1». Появление на рынке компьютеров с такими процессорами вызвало целый ряд споров. Нужны ли многоядерные процессоры? Чем они лучше обычных процессоров, имеющих одно ядро? Может компании-производители просто хотят получить дополнительную прибыль? Сейчас уже можно уверенно ответить: многоядерные процессоры нужны, за ними будущее. В ближайшие десятилетия невозможно представить прогресса в этой отрасли без применения многоядерных процессоров.

Многоядерные процессоры, чем же хороши? Использование таких процессоров сравнимо с применением нескольких отдельных процессоров для одного компьютера. Ядра находятся в одном кристалле, они не являются полностью независимыми (к примеру, используют общую кэш-память). При применении имеющегося программного обеспечения, созданного изначально для работы с одним ядром, такой вариант даёт ощутимый плюс. Вы сможете запустить одновременно две (и более) ресурсоёмкие задачи без малейшего дискомфорта. Однако, ускорение единственного процесса – задание для этих систем фактически непосильное. В итоге, мы получаем почти тот же одноядерный процессор с небольшим плюсом в виде возможности задействования нескольких программ одновременно.

Как же быть? Выход из этой щекотливой ситуации вполне очевиден – требуется разработка нового поколения программного обеспечения, способного задействовать одновременно несколько ядер. Необходимо как-то распараллелить процессы. В реальности это оказалось весьма непросто. Конечно, некоторые задачи, возможно, довольно легко распараллелить. Например, относительно просто можно распараллелить кодирование видео и аудио.

Здесь в основе находится набор однотипных потоков, соответственно, организовать их одновременное выполнение – задача довольно простая. Выигрыш существующих многоядерных процессоров в решении задач кодирования перед «аналогичными» одноядерными будет пропорционален количеству этих ядер: если два ядра, то вдвое быстрее, четыре ядра – в четыре раза, 6 ядер – в шесть раз. К сожалению, подавляющую часть важных задач распараллелить гораздо сложнее. В большинстве случаев необходима серьезная переработка программного кода.

Уже несколько раз от представителей довольно мощных компьютерных компаний звучали радостные высказывания об удачной разработке оригинальных многоядерных процессоров нового поколения, которые способны самостоятельно разделять один поток на группу независимых потоков, но, к глубокому сожалению, никто из них пока не продемонстрировал ни одного подобного рабочего образца.

Шаги компьютерных компаний на пути к массовому использованию многоядерных процессоров весьма очевидны и незамысловаты. Основным заданием этих компаний является совершенствование процессоров, создание новых перспективных многоядерных процессоров, ведение продуманной ценовой политики, направленной на снижение цен (или сдерживание их роста). На сегодня, в среднем сегменте двух ведущих мировых компьютерных гигантов (AMD и Intel) можно увидеть очень широкое разнообразие двухъядерных и четырехъядерных процессоров.

При желании, можно найти еще более навороченные варианты. Радует то, что немаловажный шаг на пути к пользователю начинают делать сами разработчики современного программного обеспечения. Многие последние игры уже обзавелись поддержкой двух ядер. Самым мощным из них практически жизненно важен минимум двухъядерный процессор для обеспечения и поддержания оптимальной производительности.

Окинув взглядом прилавки лучших компьютерных магазинов, проанализировав положение дел с ассортиментом, можно сказать, что общая картина вовсе не плоха. Производителям многоядерных процессоров удалось достичь весьма высокого уровня выпуска годных кристаллов. Ценовая политика ими проводится довольно разумная. По существующим ценам видно, что, например, увеличение числа ядер процессора в два раза обычно не приводит к двойному повышению цены такого процессора для покупателя. Это весьма разумно и вполне логично. К тому же, многим совершенно ясно, что при увеличении количества ядер центрального процессора вдвое производительность в среднем возрастает далеко не в столько же раз.

Все же, стоит признать, что, несмотря на всю тернистость пути к созданию еще более совершенных многоядерных процессоров, альтернативы ему в ближайшем обозримом будущем просто-напросто нет. Рядовым потребителям, желающим идти в ногу со временем, остается лишь своевременно модернизировать свой компьютер, применяя новые процессоры с увеличенным числом встроенных ядер, выводя таким способом общую производительность на более высокий уровень. Различные одноядерные процессоры еще успешно применяются в мобильных телефонах, нетбуках и другой технике.

Если вы не знаете, где он находится, читайте статью: « ». Напишите в комментариях какой у вас процессор?

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.