Что такое процессор? Особенности и характеристики. Изменение размера не является проблемой. Что такое виртуализация процессора
Компьютер представляет собой комплекс из различных устройств, объединенных в единый блок посредством шин (актуально для внутренних комплектующих). Например, в состав любого компьютера входят центральный процессор, видеоадаптер и пр. Их характеристики определяют общую итоговую производительность и возможности. Одним из важнейших компонентов является центральный процессор. Иногда можно встретить другие его названия: CPU (англ. Central Processing Unit - основная вычислительная единица), проц, камень.
Что такое CPU с точки зрения рядового пользователя? По аналогии с телом человека проц можно сравнить с мозгом. Он выполняет все математические расчеты и частично обеспечивает взаимодействие компонентов между собой. Физически процессор представляет собой самую крупную микросхему, устанавливаемую в специальный разъем материнской платы. Внутри нее содержатся сложные логические схемы из нескольких миллиардов транзисторов. Люди, интересующиеся вопросом «что такое CPU», могут легко определить процессор среди других внутренних компонентов. Ведь на нем всегда расположена система активного охлаждения: массивный металлический радиатор и вентилятор. Необходимость в них вызвана тем фактом, что потребляемая микросхемой часто составляет десятки ватт. Малый объем рассеивающей поверхности и высокая мощность приводят к нагреву корпуса CPU, что требует использования охлаждения.
По-разному решают вопрос нагрева: одни оптимизируют архитектуру, внося механизмы отключения неиспользуемых блоков, другие снижают напряжение питания и используют для производства новейшие достижения («тонкий» техпроцесс) и пр. В настоящее время основными «игроками» на рынке центральных процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков являются две компании - Intel и AMD. Соответственно, вся остальная инфраструктура подстраивается под особенности их продукции.
Часто на вопрос «что такое CPU» дают довольно обобщающие ответы. Это объясняется очень просто: сейчас термин «процессор» приобрел более широкое значение, чем «часть компьютера». Так, в любом современном мобильном телефоне есть блок, выполняющий математические расчеты - это тоже процессор. Даже владельцам управляемых детских игрушек полезно знать, что такое CPU, ведь в них тоже присутствует вычислительный блок.
Очевидно, что не рассмотрев принцип работы процессора, понять общие особенности его работы невозможно. Работой CPU управляют программы. Они представляют собой наборы инструкций для процессора, написанные на каком-либо языке программирования. Говоря человеческим языком, в программе указан точный порядок действий. Все помнят или хотя бы слышали о В нем для того, чтобы нарисовать на экране круг, требовалось выполнить команду Circle (координаты). Современные принципы создания программ остались такими же: задачи создаются командами языков программирования. При запуске программы на компьютере специальный программный декодер преобразует команды используемого языка в предназначенный для непосредственной обработки на CPU. Этот код - двоичный, представляет собой последовательность единиц и нулей. Многие не могут понять, почему было решено использовать именно а не привычную десятеричную. На самом деле все объясняется очень просто: двоичные разряды легко можно представить командами для самих транзисторов. Например, так как речь идет о цифровых устройствах, то можно представить цифру «1» как наличие напряжения на базе определенного транзистора, а «0» - как его отсутствие. Соответственно, в первом случае транзистор открыт и пропускает через себя ток, а во втором - заперт (конечно, все упрощенно и с множеством оговорок).
Скорость выполнения инструкций программы определяет быстродействие процессора. На это влияют архитектура, частота работы внутренних схем, оптимизация кода.
Все мы знаем, что у видеокарты и процессора несколько различные задачи, однако знаете ли вы, чем они отличаются друг от друга во внутренней структуре? Как CPU (англ. - central processing unit ), так и GPU (англ. - graphics processing unit ) являются процессорами, и между ними есть много общего, однако сконструированы они были для выполнения различных задач. Подробнее об этом вы узнаете из данной статьи.
CPU
Основная задача CPU, если говорить простыми словами, это выполнение цепочки инструкций за максимально короткое время. CPU спроектирован таким образом, чтобы выполнять несколько таких цепочек одновременно или разбивать один поток инструкций на несколько и, после выполнения их по отдельности, сливать их снова в одну, в правильном порядке. Каждая инструкция в потоке зависит от следующих за ней, и именно поэтому в CPU так мало исполнительных блоков, а весь упор делается на скорость выполнения и уменьшение простоев, что достигается при помощи кэш-памяти и конвейера .
GPU
Основная функция GPU - рендеринг 3D графики и визуальных эффектов, следовательно, в нем все немного проще: ему необходимо получить на входе полигоны, а после проведения над ними необходимых математических и логических операций, на выходе выдать координаты пикселей. По сути, работа GPU сводится к оперированию над огромным количеством независимых между собой задач, следовательно, он содержит большой объем памяти, но не такой быстрой, как в CPU, и огромное количество исполнительных блоков: в современных GPU их 2048 и более, в то время как у CPU их количество может достигать 48, но чаще всего их количество лежит в диапазоне 2-8.
Основные отличия
CPU отличается от GPU в первую очередь способами доступа к памяти. В GPU он связанный и легко предсказуемый - если из памяти читается тексел текстуры, то через некоторое время настанет очередь и соседних текселов. С записью похожая ситуация - пиксель записывается во фреймбуфер, и через несколько тактов будет записываться расположенный рядом с ним. Также графическому процессору, в отличие от универсальных процессоров, просто не нужна кэш-память большого размера, а для текстур требуются лишь 128–256 килобайт. Кроме того, на видеокартах применяется более быстрая память, и в результате GPU доступна в разы большая пропускная способность, что также весьма важно для параллельных расчетов, оперирующих с огромными потоками данных.
Есть множество различий и в поддержке многопоточности: CPU исполняет 1– 2 потока вычислений на одно процессорное ядро, а GPU может поддерживать несколько тысяч потоков на каждый мультипроцессор, которых в чипе несколько штук! И если переключение с одного потока на другой для CPU стоит сотни тактов, то GPU переключает несколько потоков за один такт.
В CPU большая часть площади чипа занята под буферы команд, аппаратное предсказание ветвления и огромные объемы кэш-памяти, а в GPU большая часть площади занята исполнительными блоками. Вышеописанное устройство схематично изображено ниже:
Разница в скорости вычислений
Если CPU - это своего рода «начальник», принимающий решения в соответствии с указаниями программы, то GPU - это «рабочий», который производит огромное количество однотипных вычислений. Выходит, что если подавать на GPU независимые простейшие математические задачи, то он справится значительно быстрее, чем центральный процессор. Данным отличием успешно пользуются майнеры биткоинов.
Майнинг Bitcoin
Суть майнинга заключается в том, что компьютеры, находящиеся в разных точках Земли, решают математические задачи, в результате которых создаются биткоины . Все биткоин-переводы по цепочке передаются майнерам, чья работа состоит в том, чтобы подобрать из миллионов комбинаций один-единственный хэш, подходящий ко всем новым транзакциям и секретному ключу, который и обеспечит майнеру получение награды в 25 биткоинов за раз. Так как скорость вычисления напрямую зависит от количества исполнительных блоков, получается, что GPU значительно лучше подходят для выполнения данного типа задачи, нежели CPU. Чем больше количество произведенных вычислений, тем выше шанс получить биткоины. Дело даже дошло до сооружения целых ферм из видеокарт.
Процессоры и графические ускорители очень похожи, они оба сделаны из сотен миллионов транзисторов и могут обрабатывать тысячи операций за секунду. Но чем именно отличаются эти два важных компонента любого домашнего компьютера?
В данной статье мы попытаемся очень просто и доступно рассказать, в чем отличие CPU от GPU. Но сначала нужно рассмотреть два этих процессора по отдельности.
CPU (Central Processing Unit или же Центральное Процессорное Устройство) часто называют "мозгом" компьютера. Внутри центрального процессора расположено около миллиона транзисторов, с помощью которых производятся различные вычисления. В домашних компьютерах обычно устанавливаются процессоры, имеющие от 1 до 4 ядер с тактовой частотой приблизительно от 1 ГГц до 4 ГГц.
Процессор является мощным, потому что может делать все. Компьютер способен выполнить какую-либо задачу, так как процессор способен выполнить эту задачу. Программистам удалось достичь этого благодаря широким наборам инструкций и огромным спискам функций, совместно используемых в современных центральных процессорах.
Что такое GPU?
GPU (Graphics Processing Unit или же Графическое Процессорное Устройство) представляет собой специализированный тип микропроцессора, оптимизированный для очень специфических вычислений и отображения графики. Графический процессор работает на более низкой тактовой частоте в отличие от процессора, но имеет намного больше процессорных ядер.
Также можно сказать, что GPU - это специализированный CPU, сделанный для одной конкретной цели - рендеринг видео. Во время рендеринга графический процессор огромное количество раз выполняет несложные математические вычисления. GPU имеет тысячи ядер, которые будут работать одновременно. Хоть и каждое ядро графического процессора медленнее ядра центрального процессора, это все равно эффективнее для выполнения простых математических вычислений, необходимых для отображения графики. Этот массивный параллелизм является тем, что делает GPU способным к рендерингу сложной 3D графики, требуемой современными играми.
Отличие CPU и GPU
Графический процессор может выполнить лишь часть операций, которые может выполнить центральный процессор, но он делает это с невероятной скоростью. GPU будет использовать сотни ядер, чтобы выполнить срочные вычисления для тысяч пикселей и отобразить при этом сложную 3D графику. Но для достижения высоких скоростей GPU должен выполнять однообразные операции.
Возьмем, например, Nvidia GTX 1080. Данная видеокарта имеет 2560 шейдерных ядер. Благодаря этим ядрам Nvidia GTX 1080 может выполнить 2560 инструкций или операций за один такт. Если вы захотите сделать картинку на 1% ярче, то GPU с этим справится без особого труда. А вот четырехъядерный центральный процессор Intel Core i5 сможет выполнить только 4 инструкции за один такт.
Тем не менее, центральные процессоры более гибкие, чем графические. Центральные процессоры имеют больший набор инструкций, поэтому они могут выполнять более широкий диапазон функций. Также CPU работают на более высоких максимальных тактовых частотах и имеют возможность управлять вводом и выводом компонентов компьютера. Например, центральный процессор может интегрироваться с виртуальной памятью, которая необходима для запуска современной операционной системы. Это как раз то, что графический процессор выполнить не сможет.
Вычисления на GPU
Даже несмотря на то, что графические процессоры предназначены для рендеринга, они способны на большее. Обработка графики - это только вид повторяющихся параллельных вычислений. Другие задачи, такие как майнинг Bitcoin и взломы паролей полагаются на одни и те же виды массивных наборов данных и простых математических вычислений. Именно поэтому некоторые пользователи используют видеокарты для не графических операций. Такое явление называется GPU Computation или же вычисления на GPU.
Выводы
В данной статье мы провели сравнение CPU и GPU. Думаю, всем стало понятно, что GPU и CPU имеют схожие цели, но оптимизированы для разных вычислений. Пишите свое мнение в комментариях, я постараюсь ответить.
Все о процессорах, ядрах, частоте и т.д.
Центральный процессор (CPU) – деталь компьютера, ответственная за интерпретацию и выполнение большинства команд других аппаратных и программных компонентов компьютера.
Во всех устройствах используется процессор, в десктопах, ноутбуках, планшетах, смартфонах … даже в вашем плоском телевизоре.
Intel и AMD – два самых известных производителей центральных процессоров для десктопов, ноутбуков и серверов, а Apple, NVIDIA, и Qualcomm – крупнейшие фирмы, изготавливающие процессоры для смартфонов и планшетов.
Вы можете встретить разные термины, обозначающие процессор, это центральное процессорное устройства, компьютерный процессор, микропроцессор, центральный процессор и «мозг компьютера».
Мониторы или жесткие диски иногда очень неправильно называют процессорами, но эти аппаратные компоненты выполняют совершенно другие функции, совсем не те, что процессор.
Как выглядит процессор и где он расположен
Современные процессоры обычно имею небольшой размер и квадратную форму, с большим количеством коротких, круглых, металлических коннекторов снизу. В более старых процессорах вместо коннекторов используются штырьки.
Процессор устанавливается в процессорный «разъем» (или иногда «слот») на материнской плате. Процессор в разъем вставляется коннектором вниз и фиксируется небольшим рычагом.
Современные процессоры сильно нагреваются, даже если работали непродолжительное время. Чтобы рассеять это тепло, практически всегда необходимо поставить непосредственно на процессор радиатор и вентилятор.
Обычно они включены в комплект при покупке.
Имеются и другие, более производительные системы охлаждения, например, комплекты водяного охлаждения или устройства, работающие на принципе фазового перехода.
Как уже говорилось ранее, не у всех процессоров имеется коннектор на нижней части, но, если он есть, его выводы очень легко погнуть. Будьте осторожны, особенно при установке его на материнскую плату.
Частота процессора
Частота процессора – количество команд, которое он может обработать за секунду и измеряется в гигагерцах (ГГц).
Например, частота процессора составляет 1 Гц, если за секунду он может обработать одну команду. Более реальный пример – процессор с частотой 3 ГГц может обработать 3 миллиарда операций за каждую секунду.
Ядра процессора
У некоторых устройств процессор с одним ядром, тогда как в других могут использоваться процессоры с двумя (или четырьмя) ядрами. Как уже понятно, два параллельно работающих процессора означает, что они смогут обработать за секунду в два раза больше команд, сильно увеличивая производительность устройства.
Некоторые процессоры способны разделять каждое физическое ядро на два виртуальных, такая технология называется Hyper-Threading. Подобная виртуализация означает, что процессор, в котором только четыре ядра, может работать так, как будто их восемь, и каждый виртуальный процессор обрабатывает отдельный поток команд. Однако физические процессоры имеют лучшую производительность, чем виртуальные .
Если позволяет процессор, некоторые приложения могут использовать так называемую многопоточность . Если рассматривать поток как отдельную часть процесса, то использование нескольких потоков в одном ядре процессора означает, что одновременно будет обрабатываться больше команд.
В некоторых программных продуктах используется подобное преимущество на нескольких ядрах процессора, что означает еще большее количество одновременно обработанных команд.
Пример: Intel Core i3 vs. i5 vs. i7
В качестве более конкретного примера того, что одни процессоры быстрее других, давайте рассмотрим, как разрабатывает свои процессоры компания Intel.
Как вы уже подозреваете по названиям, процессоры Intel Core i7 работают быстрее, чем i5, которые, в свою очередь, работают быстрее процессоров i3. Вопрос, почему одни процессоры лучше или хуже других немного сложнее, но все-таки имеет довольно понятное объяснение.
Процессоры Intel Core i3 – двухъядерные, а i5 и i7 имеют по четыре ядра.
Turbo Boost – функция процессоров i5 и i7, позволяющая им поднимать свою частоту выше номинальной, например, с 3.0 ГГц до 3.5 ГГц, когда это необходимо. У процессоров Intel Core i3 такой возможности нет. Процессоры, в названии которых последняя буква – «K» можно разгонять , то есть повышать их частоту и использовать ее все время работы.
Технология Hyper-Threading, как уже говорилось ранее, позволяет обрабатывать два потока в каждом ядре процессора. Это означает, что процессоры i3 с технологией Hyper-Threading могут обрабатывать лишь четыре потока одновременно (так как у них два ядра). Процессоры Intel Core i5 не поддерживают технологию Hyper-Threading, поэтому они могут одновременно работать с четырьмя потоками. Процессоры i7, однако, поддерживают эту технологию, и поэтому (так как они четырёхъядерные) могут одновременно обрабатывать 8 потоков.
Из-за ограничений по мощности источника питания, накладываемых устройствами, не работающими постоянно подключенными к розеткам (с питанием от батареи, например, смартфоны, планшеты и пр.) процессоры – i3, i5, и i7 - отличаются от процессоров для настольных компьютеров тем, что имеют более сбалансированную производительность и потребляемую мощность.
Дополнительная информация о процессорах
Ни частота, ни количество ядер не являются единственным признаком, определяющим то, что один процессор «лучше» другого. Часто это больше зависит от типа программного обеспечения, работающего на данном компьютере – другими словами, приложениями, использующими процессор.
У одного процессора может быть низкая частота, но четыре ядра, тогда как другой может обладать высокой частотой, но только двумя ядрами. Решение, какой процессор будет работать лучше, опять же, зависит от того, для чего он будет использоваться.
Например, программа редактирования видео, зависящая от производительности процессора, будет работать лучше на процессорах с несколькими ядрами и небольшой частотой, чем на одноядерном процессоре с высокой частотой. Не все приложения, игры и другие программы используют преимущество наличия более одного или двух ядер у процессора, делая дополнительные ядра практически бесполезными.
Другой компонент процессора – кэш. Кэш процессора - это место временного хранения часто используемых данных. Вместо того, чтобы обращаться за этими данными к оперативной памяти (RAM), процессор определяет, какие данные, предположительно, еще будут использоваться, то есть вы захотите их использовать, и хранит из в кэше. Скорость обращения к кэшу быстрее, чем к оперативной памяти, так как является физической частью процессора; больший объем кэша означает, что для хранения подобных данных у процессора больше места.
Наличие 32-битной или 64-битной операционной системы на вашем компьютере определяет размер блоков данных, которые сможет обрабатывать процессор. С 64-битный процессор обращается с большим объемом памяти, чем 32-битный, вот почему 64-битные операционные системы и приложения не могут работать на 32-битном процессоре.
Вы сможете посмотреть подробную информацию о процессоре и других аппаратных компонентах вашего компьютера с помощью этих бесплатных информационных приложений
Каждая материнская плата поддерживает только определенную линейку типов процессоров, поэтому перед покупкой всегда проверяй это у производителя вашей материнской платы.
Intel 80486DX2 в керамическом корпусе PGA.
Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид снизу.
Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид сверху.
Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид снизу.
Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид сверху.
Центра́льный проце́ссор (ЦП ; CPU - англ. céntral prócessing únit , дословно - центральное вычислительное устройство ) - исполнитель машинных инструкций , часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера , отвечающий за выполнение операций, заданных программами.
Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами . С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ . Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы . Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.
Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров , а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях , калькуляторах , мобильных телефонах и даже в детских игрушках . Чаще всего они представлены микроконтроллерами , где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.
Архитектура фон Неймана
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом .
Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.
Этапы цикла выполнения:
- Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд , на шину адреса , и отдаёт памяти команду чтения;
- Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных , и сообщает о готовности;
- Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
- Если последняя команда не является командой перехода , процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
- Снова выполняется п. 1.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).
Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода - тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания .
Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором . Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой .
Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (pipelining ) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ , дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:
- получение и декодирование инструкции (Fetch)
- адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
- выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
- сохранение результата операции (Store)
После освобождения k -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
- простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
- ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
- очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)
Суперскалярная архитектура
Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).
Джоном Коком (John Cocke) из .
Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.
На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.
Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.
На настоящий момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является ее чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.
Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.
Кэширование
Кэширование - это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана
.
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными
. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах .
Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):
Технология изготовления процессоров
История развития процессоров
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 МБ памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Современная технология изготовления
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.
В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем , стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.
Квантовые процессоры
Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.
Российские микропроцессоры
Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус . Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК .
Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.
На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.
Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.
На настоящий момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является ее чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.
Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.
Кэширование
Кэширование - это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана .
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными . Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах .
Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):
Технология изготовления процессоров
История развития процессоров
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 МБ памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Современная технология изготовления
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.
В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем , стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.
Квантовые процессоры
Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.
Российские микропроцессоры
Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус . Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК .