Moderné procesory majú tvar malého obdĺžnika, ktorý je prezentovaný vo forme kremíkovej doštičky. Samotný tanier je chránený špeciálnym puzdrom vyrobeným z plastu alebo keramiky. Všetky hlavné obvody sú chránené, vďaka čomu sa vykonáva plná prevádzka CPU. Ak s vzhľad všetko je veľmi jednoduché, čo sa týka samotného obvodu a ako je usporiadaný procesor? Pozrime sa na to podrobnejšie.

CPU obsahuje malé množstvo rôzne prvky. Každý z nich vykonáva svoju vlastnú akciu, prenášajú sa údaje a riadenie. Pravidelní užívatelia používa sa na rozlíšenie procesorov podľa ich rýchlosti hodín, množstva vyrovnávacej pamäte a jadier. To však zďaleka nie je všetko, čo poskytuje spoľahlivé a rýchla práca. Stojí za to venovať osobitnú pozornosť každej zložke.

Architektúra

Vnútorný dizajn CPU sa často od seba líši, každá rodina má svoj vlastný súbor vlastností a funkcií – nazýva sa to jej architektúra. Príklad konštrukcie procesora môžete vidieť na obrázku nižšie.

Mnohí si však pod architektúrou procesora zvykli chápať trochu iný význam. Ak to vezmeme do úvahy z hľadiska programovania, potom je určený jeho schopnosťou vykonávať určitú množinu kódov. Ak si kúpite moderný CPU, potom s najväčšou pravdepodobnosťou patrí do architektúry x86.

Nuclei

Hlavná časť CPU sa nazýva jadro, obsahuje všetky potrebné bloky, ako aj vykonávanie logických a aritmetických úloh. Ak sa pozriete na obrázok nižšie, môžete zistiť, ako vyzerá každý funkčný blok jadra:

1. Modul na načítanie pokynov. Tu sú pokyny rozpoznané na adrese, ktorá je uvedená v počítadle programu. Počet simultánnych čítaní príkazov priamo závisí od počtu nainštalovaných dešifrovacích blokov, čo pomáha načítať každý cyklus práce s najväčším počtom inštrukcií.
2. prediktor prechodu zodpovedný za optimálny výkon blok načítania inštrukcií. Určuje postupnosť príkazov, ktoré sa majú vykonať, čím sa načíta kanál jadra.
3. Dekódovací modul. Táto časť jadra je zodpovedná za definovanie niektorých procesov na vykonávanie úloh. Samotná dekódovacia úloha je veľmi náročná kvôli variabilnej veľkosti inštrukcie. V najnovších procesoroch je takýchto blokov v jednom jadre niekoľko.
4. Moduly vzorkovania údajov. Informácie berú z operačnej alebo vyrovnávacej pamäte. Vykonávajú vzorkovanie dát, ktoré je v tejto chvíli potrebné na vykonanie inštrukcie.
5. riadiaci blok. Už samotný názov hovorí o dôležitosti tejto zložky. V jadre je hlavným prvkom, pretože rozdeľuje energiu medzi všetky bloky a pomáha dokončiť každú akciu včas.
6. Modul na ukladanie výsledkov. Navrhnuté na zápis do RAM po spracovaní inštrukcie. Adresa uloženia je špecifikovaná v spustenej úlohe.
7. Prvok prerušenia. CPU je schopné vykonávať viacero úloh naraz vďaka funkcii prerušenia, čo mu umožňuje zastaviť postup jedného programu prepnutím na inú inštrukciu.
8. Registre. Tu sú uložené dočasné výsledky inštrukcií, tento komponent možno nazvať malou rýchlou RAM. Jeho veľkosť často nepresahuje niekoľko stoviek bajtov.
9. Počítadlo príkazov. Ukladá adresu inštrukcie, ktorá sa použije v nasledujúcom cykle procesora.

Systémová zbernica

Zariadenia, ktoré sú súčasťou PC, sú pripojené cez systémovú zbernicu CPU. Iba on je s ním priamo spojený, zvyšné prvky sú pripojené cez rôzne ovládače. Samotná zbernica má veľa signálnych vedení, cez ktoré sa prenášajú informácie. Každá linka má svoj vlastný protokol, ktorý umožňuje radičom komunikovať s ostatnými pripojenými komponentmi počítača. Zbernica má vlastnú frekvenciu, respektíve čím je vyššia, tým rýchlejšia je výmena informácií medzi spojovacími prvkami systému.

Cache

Rýchlosť CPU závisí od jeho schopnosti čo najrýchlejšie načítať inštrukcie a dáta z pamäte. Cache pamäť znižuje čas vykonávania operácií vďaka tomu, že funguje ako dočasná vyrovnávacia pamäť, ktorá poskytuje okamžitý prenos dát z CPU do RAM, alebo naopak.

Hlavnou charakteristikou vyrovnávacej pamäte je jej rozdiel v úrovniach. Ak je vysoká, potom je pamäť pomalšia a objemnejšia. Najrýchlejšia a najmenšia pamäť je prvá úroveň. Princíp fungovania tohto prvku je veľmi jednoduchý - CPU číta údaje z pamäte RAM a vkladá ich do vyrovnávacej pamäte ľubovoľnej úrovne, pričom vymaže informácie, ku ktorým sa pristupovalo po dlhú dobu. Ak procesor potrebuje tieto informácie znova, získa ich rýchlejšie vďaka dočasnej vyrovnávacej pamäti.

Zásuvka (konektor)

Vďaka tomu, že procesor má vlastnú päticu (zásuvku alebo slot), môžete ho jednoducho vymeniť, ak sa pokazí alebo upgradovať váš počítač. Bez pätice by bol CPU jednoducho prispájkovaný k základnej doske, čo sťažuje neskoršiu opravu alebo výmenu. Stojí za to venovať pozornosť - každá zásuvka je určená výlučne na inštaláciu určitých procesorov.

Používatelia často neúmyselne kupujú nekompatibilný procesor a základnú dosku, čo spôsobuje ďalšie problémy.

Moderného spotrebiteľa elektroniky je veľmi ťažké prekvapiť. Už sme si zvykli, že naše vrecko zákonite okupuje smartfón, notebook je v taške, „inteligentné“ hodinky poslušne počítajú kroky na ruke a uši nás hladia slúchadlá s aktívnym systémom redukcie hluku.

Je to smiešna vec, ale my sme zvyknutí nosiť so sebou nie jeden, ale dva, tri či viac počítačov naraz. Koniec koncov, takto môžete nazvať zariadenie, ktoré má CPU. A nezáleží na tom, ako konkrétne zariadenie vyzerá. Za svoju prácu je zodpovedný miniatúrny čip, ktorý prekonal turbulentnú a rýchlu cestu vývoja.

Prečo sme otvorili tému procesorov? Všetko je jednoduché. Za posledných desať rokov došlo vo svete k skutočnej revolúcii mobilné zariadenia.

Medzi týmito zariadeniami je rozdiel iba 10 rokov. No Nokia N95 sa nám vtedy zdala ako vesmírne zariadenie a dnes sa na ARKit pozeráme s istou nedôverou

Všetko ale mohlo dopadnúť inak a ošúchané Pentium IV by zostalo len snom obyčajného kupca.

Snažili sme sa zaobísť bez zložitých technických výrazov a povedať, ako procesor funguje a zistiť, ktorá architektúra je budúcnosť.

1. Ako to všetko začalo

Prvé procesory boli úplne odlišné od toho, čo môžete vidieť, keď otvoríte kryt systémovej jednotky počítača.

Namiesto mikroobvodov v 40. rokoch XX. elektromechanické relé doplnené vákuovými trubicami. Lampy fungovali ako dióda, ktorej stav bolo možné regulovať znižovaním alebo zvyšovaním napätia v obvode. Štruktúry vyzerali takto:

Na chod jedného gigantického počítača boli potrebné stovky, niekedy aj tisíce procesorov. Zároveň by ste však na takomto počítači nemohli spustiť ani jednoduchý editor ako NotePad alebo TextEdit zo štandardnej sady Windows a macOS. Počítač by jednoducho nemal dostatok energie.

2. Nástup tranzistorov

najprv FET sa objavil v roku 1928. No svet sa zmenil až po objavení sa tzv bipolárne tranzistory otvorený v roku 1947.

Koncom štyridsiatych rokov vyvinuli experimentálny fyzik Walter Brattain a teoretik John Bardeen prvý bodový tranzistor. V roku 1950 ho nahradil prvý prechodový tranzistor a v roku 1954 známy výrobca Texas Instruments ohlásil kremíkový tranzistor.

Skutočná revolúcia však prišla v roku 1959, keď vedec Jean Henri vyvinul prvý kremíkový planárny (plochý) tranzistor, ktorý sa stal základom pre monolitické integrované obvody.

Áno, je to trochu ošemetné, poďme teda načrieť trochu hlbšie a venovať sa teoretickej časti.

3. Ako funguje tranzistor

Takže úlohou takého elektrického komponentu, ako je tranzistor je ovládať prúd. Jednoducho povedané, tento malý zložitý spínač ovláda tok elektriny.

Hlavnou výhodou tranzistora oproti bežnému spínaču je, že nevyžaduje prítomnosť osoby. Tie. takýto prvok je schopný nezávisle riadiť prúd. Navyše funguje oveľa rýchlejšie, ako by ste si sami zapínali alebo vypínali elektrický obvod.

Zo školského kurzu informatiky si pravdepodobne pamätáte, že počítač „rozumie“ ľudskému jazyku prostredníctvom kombinácií iba dvoch stavov: „zapnutý“ a „vypnutý“. V chápaní stroja je to stav "0" alebo "1".

Úlohou počítača je reprezentovať elektriny vo forme čísel.

A ak skôr úlohu spínania stavov vykonávali nemotorné, objemné a neefektívne elektrické relé, teraz túto rutinnú prácu prevzal tranzistor.

Od začiatku 60. rokov sa tranzistory začali vyrábať z kremíka, čo umožnilo nielen urobiť procesory kompaktnejšie, ale aj výrazne zvýšiť ich spoľahlivosť.

Najprv sa však poďme zaoberať diódou

Silikón(alias Si - "kremík" v periodickej tabuľke) patrí do kategórie polovodičov, čo znamená, že na jednej strane prenáša prúd lepšie ako dielektrikum, na druhej strane horšie ako kov.

Či sa nám to páči alebo nie, ale aby sme pochopili prácu a ďalšiu históriu vývoja procesorov, budeme sa musieť ponoriť do štruktúry jedného atómu kremíka. Nebojte sa, povedzme to stručne a veľmi jasne.

Úlohou tranzistora je zosilniť slabý signál s prídavným napájaním.

Atóm kremíka má štyri elektróny, vďaka ktorým vytvára väzby (a aby som bol presný - kovalentné väzby) s rovnakými blízkymi tromi atómami, ktoré tvoria kryštálovú mriežku. Zatiaľ čo väčšina elektrónov je vo väzbe, malá časť z nich sa môže pohybovať cez kryštálovú mriežku. Práve kvôli tomuto čiastočnému prenosu elektrónov bol kremík klasifikovaný ako polovodič.

Ale taký slabý pohyb elektrónov by neumožnil použitie tranzistora v praxi, preto sa vedci rozhodli zvýšiť výkon tranzistorov o doping, alebo jednoduchšie adície do kryštálovej mriežky kremíka atómami prvkov s charakteristickým usporiadaním elektrónov.

Začali teda používať 5-valentnú nečistotu fosforu, vďaka ktorej dostali tranzistorov typu n. Prítomnosť dodatočného elektrónu umožnila urýchliť ich pohyb a zvýšiť tok prúdu.

Pri dopovaní tranzistorov p-typu Takýmto katalyzátorom sa stal bór, ktorý obsahuje tri elektróny. Vďaka absencii jedného elektrónu vznikajú v kryštálovej mriežke diery (plnia úlohu kladného náboja), no vďaka tomu, že elektróny sú schopné tieto diery vyplniť, výrazne sa zvyšuje vodivosť kremíka.

Predpokladajme, že sme zobrali kremíkovú dosku a jednu jej časť sme dopovali nečistotou typu p a druhú nečistotou typu n. Tak sme dostali dióda- základný prvok tranzistora.

Teraz budú mať elektróny umiestnené v n-časti tendenciu ísť do otvorov umiestnených v p-časti. V tomto prípade bude mať n-strana mierny záporný náboj a p-strana kladný náboj. Elektrické pole vytvorené v dôsledku tejto "gravitácie" - bariéra - zabráni ďalšiemu pohybu elektrónov.

Ak pripojíte napájací zdroj k dióde tak, že „-“ sa dotýka p-strany platne a „+“ sa dotýka n-strany, prúdenie prúdu nebude možné, pretože otvory budú byť priťahovaný k negatívnemu kontaktu zdroja energie a elektróny k pozitívnemu a väzba medzi p a n elektrónmi sa stratí v dôsledku expanzie kombinovanej vrstvy.

Ale ak pripojíte zdroj s dostatočným napätím naopak, t.j. "+" zo zdroja na stranu p a "-" na stranu n, elektróny umiestnené na strane n budú odpudzované záporným pólom a tlačené na stranu p, pričom obsadia diery v p- regiónu.

Ale teraz sú elektróny priťahované ku kladnému pólu zdroja energie a pokračujú v pohybe cez p-diery. Tento jav bol tzv dopredu predpätá dióda.

dióda + dióda = tranzistor

Samotný tranzistor si možno predstaviť ako dve navzájom spojené diódy. V tomto prípade sa p-oblasť (tá, kde sa nachádzajú otvory) pre nich stáva spoločnou a nazýva sa „základňa“.

O N-P-N tranzistor dve n-oblasti s prídavnými elektrónmi – sú tiež „emitorom“ a „kolektorom“ a jedna, slabá oblasť s dierami – p-oblasť, nazývaná „základňa“.

Ak pripojíte napájací zdroj (nazvime ho V1) do n-oblastí tranzistora (bez ohľadu na pól), jedna dióda bude spätne predpätá a tranzistor bude ZATVORENÉ.

Ale akonáhle pripojíme ďalší zdroj energie (nazvime ho V2), nastavíme kontakt „+“ na „centrálnu“ oblasť p (základňa) a kontakt „-“ na oblasť n (emitor), časť elektrónov bude prúdiť cez znovu vytvorený reťazec (V2) a časť bude priťahovaná kladnou n-oblasťou. V dôsledku toho budú elektróny prúdiť do oblasti kolektora a zosilní sa slabý elektrický prúd.

Výdych!

4. Ako teda vlastne počítač funguje?

A teraz najdôležitejšie.

V závislosti od použitého napätia môže byť tranzistor buď OTVORENÉ, alebo ZATVORENÉ. Ak napätie nepostačuje na prekonanie potenciálovej bariéry (tej na prechode dosiek p a n) - tranzistor bude v uzavretom stave - v stave „vypnuté“ alebo v jazyku binárny systém – "0".

Pri dostatočnom napätí sa tranzistor zapne a binárne dostaneme hodnotu „on“ alebo „1“.

Tento stav, 0 alebo 1, sa v počítačovom priemysle nazýva „bit“.

Tie. získame hlavnú vlastnosť samotného prepínača, ktorý otvoril ľudstvu cestu k počítačom!

V prvom elektronickom digitálnom počítači ENIAC, alebo jednoduchšie v prvom počítači, bolo použitých asi 18 tisíc triódových lámp. Veľkosť počítača bola porovnateľná s tenisovým kurtom a jeho hmotnosť bola 30 ton.

Aby ste pochopili, ako procesor funguje, je potrebné pochopiť ešte dva kľúčové body.

Moment 1. Takže sme sa rozhodli, čo je trocha. Ale s jeho pomocou môžeme získať len dve charakteristiky niečoho: buď „áno“ alebo „nie“. Aby sa nám počítač naučil lepšie rozumieť, vymysleli kombináciu 8 bitov (0 alebo 1), ktorú nazvali byte.

Pomocou bajtu môžete zakódovať číslo od nuly do 255. Pomocou týchto 255 čísel – kombinácií núl a jednotiek, môžete zakódovať čokoľvek.

Moment 2. Prítomnosť čísel a písmen bez akejkoľvek logiky by nám nič nedala. Preto ten koncept logické operátory.

Pripojením iba dvoch tranzistorov určitým spôsobom môžete dosiahnuť niekoľko logických akcií naraz: „a“, „alebo“. Kombinácia množstva napätia naprieč každým tranzistorom a typu ich pripojenia vám umožňuje získať rôzne kombinácie nuly a jednotky.

Vďaka úsiliu programátorov sa hodnoty núl a jednotiek, binárny systém, začali prekladať do desatinných miest, aby sme pochopili, čo presne počítač „hovorí“. A na zadávanie príkazov sú naše obvyklé akcie, ako je zadávanie písmen z klávesnice, reprezentované ako binárny reťazec príkazov.

Zjednodušene povedané, predstavte si, že existuje korešpondenčná tabuľka, povedzme ASCII, v ktorej každé písmeno zodpovedá kombinácii 0 a 1. Stlačili ste tlačidlo na klávesnici a v tom momente sa na procesore vďaka programu tranzistory prepínali tak, že sa na obrazovke objavilo: najviac písané písmeno na kľúči.

Toto je dosť primitívne vysvetlenie toho, ako procesor a počítač fungujú, no práve toto pochopenie nám umožňuje posunúť sa ďalej.

5. A preteky tranzistorov sa začali

Potom, čo britský rádiový inžinier Geoffrey Dahmer navrhol v roku 1952 umiestniť najjednoduchšie elektronické komponenty v monolitickom polovodičovom kryštáli urobil počítačový priemysel skok vpred.

Z integrovaných obvodov navrhnutých Dahmerom inžinieri rýchlo prešli na mikročipy na báze tranzistorov. Na druhej strane, niekoľko takýchto čipov sa už vytvorilo CPU.

Samozrejme, rozmery takýchto procesorov nie sú veľmi podobné tým moderným. Navyše do roku 1964 mali všetky procesory jeden problém. Vyžadovali individuálny prístup – vlastný programovací jazyk pre každý procesor.

• 1964 IBM System/360. Univerzálny kompatibilný počítač programový kód. Inštrukčnú sadu pre jeden model procesora možno použiť pre iný.
• 70-te roky. Vzhľad prvých mikroprocesorov. Jednočipový procesor od Intelu. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 tranzistorov, 740 kHz.
• 1973 Rok Intel 4040 a Intel 8008. 3 000 tranzistorov pri 740 kHz pre Intel 4040 a 3 500 tranzistorov pri 500 kHz pre Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 mikrónov TPU a 6000 tranzistorov. Frekvencia hodín je približne 5 000 kHz. Práve tento procesor bol použitý v počítači Altair-8800. Domácou kópiou Intel 8080 je procesor KR580VM80A vyvinutý Kyjevským výskumným inštitútom mikrozariadení. 8 bitov
• 1976 Intel 8080. 3 mikrónové TPU a 6500 tranzistory. Frekvencia hodín 6 MHz. 8 bitov
• 1976 Zilog Z80. 3 mikrónové TPU a 8500 tranzistory. Frekvencia hodín až 8 MHz. 8 bitov
• 1978 Intel 8086. 3 mikrónové TPU a 29 000 tranzistorov. Frekvencia hodín je približne 25 MHz. Inštrukčná sada x86, ktorá sa používa dodnes. 16 bitov
• 1980 Intel 80186. 3 mikrónové TPU a 134 000 tranzistorov. Frekvencia hodín - až 25 MHz. 16 bitov
• 1982 Intel 80286. 1,5 mikrónový TPU a 134 000 tranzistorov. Frekvencia - až 12,5 MHz. 16 bitov
• 1982 Motorola 68000. 3 µm a 84 000 tranzistorov. Tento procesor bol použitý v Počítač Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 mikrónu tp a 275 000 tranzistorov.Frekvencia - až 33 MHz vo verzii 386SX.

Zdalo by sa, že zoznam by mohol pokračovať donekonečna, no potom sa inžinieri Intelu stretli s vážnym problémom.

6. Moorov zákon alebo ako ďalej žijú výrobcovia čipov

Vonku koncom 80-tych rokov. Späť na začiatku 60. rokov, jeden zo zakladateľov od spoločnosti Intel Gordon Moore sformuloval takzvaný „Moorov zákon“. Znie to takto:

Každých 24 mesiacov počet tranzistorov umiestnených na čipe integrovaný obvod, je zdvojnásobená.

Je ťažké nazvať tento zákon zákonom. Presnejšie by bolo nazvať to empirické pozorovanie. Porovnaním tempa vývoja technológií Moore dospel k záveru, že by sa mohol vytvoriť podobný trend.

Ale už počas vývoja štvrtej generácie procesory Intel Inžinieri i486 čelia skutočnosti, že už dosiahli výkonnostný strop a viac procesorov sa im už nezmestí do rovnakej oblasti. Technika to vtedy neumožňovala.

Ako riešenie sa našiel variant využívajúci množstvo ďalších prvkov:

• rýchla vyrovnávacia pamäť;
• dopravník;
• vstavaný koprocesor;
• multiplikátor.

Časť výpočtovej záťaže padla na plecia týchto štyroch uzlov. V dôsledku toho vzhľad vyrovnávacej pamäte na jednej strane skomplikoval dizajn procesora, na druhej strane sa stal oveľa výkonnejším.

Procesor Intel i486 už pozostával z 1,2 milióna tranzistorov a maximálna frekvencia jeho práca dosiahla 50 MHz.

V roku 1995 sa pripája voj AMD a vydáva v tom čase najrýchlejší procesor Am5x86 kompatibilný s i486 na 32-bitovej architektúre. Vyrábal sa už procesnou technológiou 350 nanometrov a počet inštalovaných procesorov dosiahol 1,6 milióna kusov. Frekvencia hodín sa zvýšila na 133 MHz.

Výrobcovia čipov sa však neodvážili pokračovať v ďalšom zvyšovaní počtu procesorov inštalovaných na čipe a vo vývoji už tak utopickej architektúry CISC (Complex Instruction Set Computing). Namiesto toho americký inžinier David Patterson navrhol optimalizovať činnosť procesorov a ponechať len najnutnejšie výpočtové inštrukcie.

Výrobcovia procesorov teda prešli na platformu RISC (Reduced Instruction Set Computing), no ani to nestačilo.

V roku 1991 bol vydaný 64-bitový procesor R4000, ktorý pracoval na frekvencii 100 MHz. O tri roky neskôr sa objavuje procesor R8000 a o dva roky neskôr R10000 s taktom až 195 MHz. Paralelne sa rozvinul trh s procesormi SPARC, ktorých architektúrou bola absencia inštrukcií násobenia a delenia.

Namiesto boja o počet tranzistorov začali výrobcovia čipov prehodnocovať architektúru svojej práce.. Odmietnutie "zbytočných" príkazov, vykonávanie pokynov v jednom cykle, prítomnosť registrov všeobecnej hodnoty a pipelining umožnili rýchlo zvýšiť frekvenciu hodín a výkon procesorov bez skreslenia počtu tranzistorov.

Tu je len niekoľko architektúr, ktoré sa objavili v rokoch 1980 až 1995:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Boli založené na platforme RISC av niektorých prípadoch na čiastočnom kombinovanom použití platformy CISC. Vývoj technológie však opäť prinútil výrobcov čipov pokračovať v budovaní procesorov.

V auguste 1999 vstúpil na trh AMD K7 Athlon, vyrobený 250 nm procesnou technológiou a obsahujúci 22 miliónov tranzistorov. Neskôr bola latka zvýšená na 38 miliónov procesorov. Potom až 250 miliónov.

Technologický procesor sa zvýšil, hodinová frekvencia sa zvýšila. Ale ako hovorí fyzika, všetko má svoje hranice.

7. Koniec súťaže tranzistorov sa blíži

V roku 2007 urobil Gordon Moore veľmi strohé vyhlásenie:

Čoskoro prestane platiť Moorov zákon. Je nemožné inštalovať neobmedzený počet procesorov donekonečna. Dôvodom je atómová povaha hmoty.

Voľným okom je viditeľné, že dvaja poprední výrobcovia čipov AMD a Intel v posledných rokoch zreteľne spomalili tempo vývoja procesorov. Presnosť technologického procesu sa zvýšila len na niekoľko nanometrov, no umiestniť ešte viac procesorov je nemožné.

A zatiaľ čo výrobcovia polovodičov hrozia uvedením viacvrstvových tranzistorov na trh, pričom ide o paralelu s 3DN a pamäťou, pred 30 rokmi sa v architektúre typu walled x86 objavil vážny konkurent.

8. Čo čaká „bežných“ procesorov

Moorov zákon je od roku 2016 zrušený. Oficiálne to oznámil najväčší výrobca procesorov Intel. Dvojité výpočtový výkon 100% každé dva roky výrobcovia čipov už nie sú schopní.

A teraz majú výrobcovia procesorov niekoľko neperspektívnych možností.

Prvá možnosť - kvantové počítače . Boli už pokusy postaviť počítač, ktorý využíva častice na reprezentáciu informácií. Na svete existuje niekoľko podobných kvantových zariadení, ale dokážu si poradiť iba s algoritmami nízkej zložitosti.

Navyše, sériové uvedenie takýchto zariadení na trh v najbližších desaťročiach neprichádza do úvahy. Drahé, neefektívne a... pomalé!

Áno, kvantové počítače spotrebujú oveľa menej energie ako ich moderné náprotivky, ale budú tiež pomalšie, kým vývojári a výrobcovia komponentov neprejdú na novú technológiu.

Druhá možnosť - procesory s vrstvami tranzistorov. Intel aj AMD sa nad touto technológiou vážne zamysleli. Namiesto jednej vrstvy tranzistorov plánujú použiť niekoľko. Zdá sa, že v najbližších rokoch sa môžu objaviť procesory, pri ktorých bude dôležitý nielen počet jadier a taktovacia frekvencia, ale aj počet tranzistorových vrstiev.

Riešenie má právo na život, a teda monopolisti budú môcť dojiť spotrebiteľa ešte niekoľko desaťročí, ale nakoniec technológia opäť narazí na strop.

Dnes, uvedomujúc si rýchly vývoj architektúry ARM, Intel potichu oznámil rodinu čipov Ice Lake. Procesory budú vyrábané 10-nanometrovým procesom a stanú sa základom pre smartfóny, tablety a mobilné zariadenia. Stane sa tak ale v roku 2019.

9. ARM je budúcnosť

Architektúra x86 sa objavila v roku 1978 a patrí k typu platformy CISC. Tie. sám o sebe znamená existenciu pokynov pre všetky príležitosti. Všestrannosť je hlavnou silnou stránkou x86.

Ale zároveň všestrannosť hrala s týmito procesormi krutý vtip. x86 má niekoľko kľúčových nevýhod:

• zložitosť príkazov a ich úprimná zmätok;
• vysoká spotreba energie a uvoľňovanie tepla.

Pre vysoký výkon som sa musel rozlúčiť s energetickou efektivitou. Okrem toho dve spoločnosti v súčasnosti pracujú na architektúre x86, ktorú možno pokojne pripísať monopolistom. Sú to Intel a AMD. Iba oni môžu vyrábať x86 procesory, čo znamená, že iba oni vládnu vývoju technológií.

Zároveň sa na vývoji ARM (Arcon Risk Machine) podieľa viacero spoločností. Ešte v roku 1985 si vývojári vybrali platformu RISC ako základ pre ďalší vývoj architektúry.

Na rozdiel od CISC, RISC zahŕňa návrh procesora s minimálnym požadovaným počtom inštrukcií, ale maximálnou optimalizáciou. Procesory RISC sú oveľa menšie ako CISC, sú energeticky efektívnejšie a jednoduchšie.

Navyše, ARM bol pôvodne vytvorený výlučne ako konkurent x86. Vývojári si dali za úlohu vybudovať architektúru, ktorá je efektívnejšia ako x86.

Od 40. rokov 20. storočia inžinieri pochopili, že jednou z prioritných úloh je zmenšiť veľkosť počítačov a predovšetkým samotných procesorov. Pred takmer 80 rokmi si však sotva niekto dokázal predstaviť, že plnohodnotný počítač bude menší ako zápalková škatuľka.

Kedysi bola podporovaná architektúra ARM Apple spoločnosť, spustenie výroby tabletov Newton založených na rodine ARM6 procesorov.

Predaj stolných počítačov rapídne klesá, zatiaľ čo počet predaných mobilných zariadení ročne sa už pohybuje v miliardách. Okrem výkonu sa používateľ pri výbere elektronického gadgetu často zaujíma o niekoľko ďalších kritérií:

• mobilita;
• autonómia.

Architektúra x86 je z hľadiska výkonu silná, ale keď sa vzdáte aktívneho chladenia, ako výkonný procesor v porovnaní s architektúrou ARM vyzerá úbohé.

10. Prečo je ARM nesporným lídrom

Sotva vás prekvapí, že váš smartfón, či už ide o jednoduchý Android alebo vlajkovú loď Apple pre rok 2016, je niekoľkonásobne výkonnejší. plnohodnotné počítačeéra konca 90. rokov.

Ale o koľko výkonnejší je ten istý iPhone?

Samotné porovnávanie dvoch rôznych architektúr je veľmi ťažká vec. Merania sa tu dajú vykonávať len približne, no pochopíte obrovskú výhodu, ktorú procesory smartfónov postavené na architektúre ARM poskytujú.

Univerzálnym pomocníkom v tejto veci je umelý test výkonnosti Geekbench. Pomôcka je dostupná ako stacionárne počítače ako aj na platformách Android a iOS.

Notebooky strednej a základnej úrovne jednoznačne zaostávajú za výkonom iPhonu 7. V najvyššom segmente sú veci o niečo komplikovanejšie, no v roku 2017 Apple vydáva iPhone X na novom čipe A11 Bionic.

Tam už je vám architektúra ARM známa, no postavy v Geekbench sa takmer zdvojnásobili. Notebooky z „vyššej vrstvy“ sa napínali.

A to je len jeden rok.

Vývoj ARM ide míľovými krokmi. Zatiaľ čo Intel a AMD vykazujú z roka na rok 5-10% nárast výkonu, za rovnaké obdobie sa výrobcom smartfónov darí zvýšiť výkon procesora dva až dva a pol krát.

Skeptickí používatelia, ktorí prechádzajú hornými líniami Geekbench, chcú len pripomenúť: in mobilných technológií veľkosť je najdôležitejšia.

Položte na stôl bonbónik s výkonným 18-jadrovým procesorom, ktorý „roztrhá architektúru ARM na kusy“, a potom vedľa neho položte svoj iPhone. Cítiť rozdiel?

11. Namiesto výstupu

Obsiahnuť 80-ročnú históriu vývoja počítačov jedným materiálom je nemožné. Ale po prečítaní tohto článku budete schopní pochopiť, ako je usporiadaný hlavný prvok každého počítača - procesor a čo môžete očakávať od trhu v nasledujúcich rokoch.

Intel a AMD budú samozrejme pracovať na ďalšom zvyšovaní počtu tranzistorov na jednom čipe a propagácii myšlienky viacvrstvových prvkov.

Potrebujete však ako zákazník takúto silu?

Je nepravdepodobné, že by ste boli spokojní s výkonom iPad Pro alebo vlajková loď iPhone X. Nemyslím si, že ste nespokojní s výkonom vášho multivarkára vo vašej kuchyni alebo s kvalitou obrazu na 65-palcovom 4K televízore. Všetky tieto zariadenia však využívajú procesory na architektúre ARM.

Windows už oficiálne oznámil, že sa so záujmom pozerá na ARM. Spoločnosť zahrnula podporu pre túto architektúru už vo Windows 8.1 a teraz aktívne pracuje na tandeme s popredným výrobcom čipov ARM Qualcomm.

Google sa tiež podarilo pozrieť na ARM - operačný systém Chrome OS podporuje túto architektúru. Naraz sa objavilo niekoľko distribúcií Linuxu, ktoré sú tiež kompatibilné s touto architektúrou. A toto je len začiatok.

A skúste si len na chvíľu predstaviť, aké príjemné bude spojiť energeticky efektívny ARM procesor s grafénovou batériou. Práve táto architektúra umožní získať mobilné ergonomické vychytávky, ktoré môžu diktovať budúcnosť.

4,61 z 5, hodnotenie: 38 )

webovej stránky Skvelý článok, nalejte si čaj.

Procesor je bezpochyby hlavnou súčasťou každého počítača. Práve tento malý kúsok kremíka s veľkosťou niekoľkých desiatok milimetrov to všetko vykonáva náročné úlohy ktoré si položíte pred počítač. Tu beží operačný systém, ako aj všetky programy. Ale ako to celé funguje? Túto otázku sa pokúsime rozobrať v našom dnešnom článku.

Procesor spravuje údaje vo vašom počítači a vykonáva milióny pokynov za sekundu. A slovom procesor mám na mysli presne to, čo v skutočnosti znamená – malý kremíkový čip, ktorý v skutočnosti vykonáva všetky operácie na počítači. Predtým, ako začnete uvažovať o tom, ako procesor funguje, musíte najprv podrobne zvážiť, čo to je a z čoho pozostáva.

Najprv sa pozrime, čo je to procesor. CPU alebo centrálna procesorová jednotka (centrálna procesorová jednotka) - čo je mikroobvod s obrovské množstvo tranzistory, vyrobené na kremíku. Prvý procesor na svete vyvinula spoločnosť Intel Corporation v roku 1971. Všetko to začalo tým modely Intel 4004. Mohol vykonávať iba výpočtové operácie a dokázal spracovať iba 4 bajty údajov. Ďalší model vyšiel v roku 1974 – Intel 8080 a už dokázal spracovať 8 bitov informácií. Potom tu boli 80286, 80386, 80486. Práve z týchto procesorov pochádza aj názov architektúry.

Frekvencia hodín procesora 8088 bola 5 MHz a počet operácií za sekundu bol iba 330 000, čo je oveľa menej ako v moderných procesoroch. Moderné zariadenia majú frekvenciu až 10 GHz a niekoľko miliónov operácií za sekundu.

Nebudeme uvažovať o tranzistoroch, presunieme sa na vyššiu úroveň. Každý procesor sa skladá z nasledujúcich komponentov:

• Nucleus- tu sa vykonáva všetko spracovanie informácií a matematické operácie, môže existovať niekoľko jadier;
• Príkazový dekodér- tento komponent patrí k jadru, prevádza softvérové ​​príkazy na sadu signálov, ktoré budú vykonávané jadrovými tranzistormi;
• Cache- oblasť ultrarýchlej pamäte, malý objem, v ktorom sú uložené dáta načítané z RAM;
• Registre- Ide o veľmi rýchle pamäťové bunky, v ktorých sú uložené aktuálne spracovávané dáta. Je ich len pár a majú obmedzenú veľkosť - 8, 16 alebo 32 bitov, od toho závisí bitová hĺbka procesora;
• koprocesor- samostatné jadro, ktoré je optimalizované len pre určité operácie, ako je spracovanie videa alebo šifrovanie dát;
• adresná zbernica- pre komunikáciu so všetkými zariadeniami pripojenými k základnej doske môže mať šírku 8, 16 alebo 32 bitov;
• Dátová zbernica- na komunikáciu s operačnou pamäťou. Pomocou neho môže procesor zapisovať dáta do pamäte alebo ich odtiaľ čítať. Pamäťová zbernica môže mať 8, 16 a 32 bitov, to je množstvo dát, ktoré je možné preniesť naraz;
• Synchronizačná zbernica- umožňuje ovládať frekvenciu procesora a taktovacie cykly;
• Reštartujte autobus- resetovať stav procesora;

Za hlavnú zložku možno považovať jadro alebo výpočtovo-aritmetickú jednotku, ako aj registre procesora. Všetko ostatné pomáha týmto dvom komponentom fungovať. Pozrime sa, čo sú registre a aký je ich účel.

• Registre A, B, C- určené na ukladanie údajov počas spracovania, áno, sú len tri, ale to je celkom dosť;
• EIP- obsahuje adresu nasledujúcej programovej inštrukcie v RAM;
• ESP- adresa údajov v RAM;
• Z- obsahuje výsledok poslednej porovnávacej operácie;

Samozrejme, zďaleka nejde o všetky pamäťové registre, no tieto sú najdôležitejšie a najviac ich využíva procesor pri vykonávaní programu. Teraz, keď viete, z čoho pozostáva procesor, môžete zvážiť, ako funguje.

Ako funguje počítačový procesor?

Spracovateľské jadro procesora dokáže vykonávať iba matematické operácie, porovnávacie operácie a presúvať dáta medzi bunkami a RAM, ale to vám stačí na hranie hier, sledovanie filmov, surfovanie na webe a mnoho ďalšieho.

V skutočnosti každý program pozostáva z takýchto príkazov: presun, sčítanie, násobenie, delenie, rozdiel a prechod na inštrukciu, ak je splnená podmienka porovnania. Samozrejme, nie sú to všetky príkazy, existujú aj iné, ktoré kombinujú už uvedené alebo zjednodušujú ich používanie.

Všetky pohyby dát sa vykonávajú pomocou inštrukcie presunu (mov), táto inštrukcia presúva dáta medzi bunkami registra, medzi registrami a RAM, medzi pamäťou a pevný disk. Pre aritmetické operácie existuje špeciálne pokyny. A prechodové inštrukcie sú potrebné na splnenie podmienok, napríklad skontrolujte hodnotu registra A a ak sa nerovná nule, prejdite na pokyn pre požadovanú adresu. Môžete tiež vytvárať slučky pomocou pokynov na skok.

To všetko je veľmi dobré, ale ako sa všetky tieto komponenty navzájom ovplyvňujú? A ako tranzistory chápu inštrukcie? Činnosť celého procesora riadi inštrukčný dekodér. Núti každú zložku robiť to, čo robiť má. Pozrime sa, čo sa stane, keď je potrebné vykonať program.

V prvej fáze dekodér načíta adresu prvej inštrukcie programu v pamäti do registra nasledujúcej inštrukcie EIP, na tento účel aktivuje čítací kanál a otvorí blokovací tranzistor, aby vpustil údaje do registra EIP.

V druhom hodinovom cykle inštrukčný dekodér prevedie inštrukciu na sadu signálov pre tranzistory výpočtového jadra, ktoré ju vykonajú a výsledok zapíšu do jedného z registrov, napríklad C.

V treťom cykle dekodér zvýši adresu nasledujúcej inštrukcie o jednu, takže ukazuje na ďalšiu inštrukciu v pamäti. Ďalej dekodér pokračuje v načítaní ďalšieho príkazu a tak ďalej až do konca programu.

Každá inštrukcia je už zakódovaná sekvenciou tranzistorov a prevedená na signály spôsobuje fyzikálne zmeny v procesore, napríklad zmenu polohy západky, ktorá umožňuje zapisovať dáta do pamäťovej bunky atď. Vykonanie rôznych príkazov si vyžaduje rôzny počet cyklov, napríklad jeden príkaz môže trvať 5 cyklov a iný, zložitejší, až 20. Ale to všetko stále závisí od počtu tranzistorov v samotnom procesore .

S tým je všetko jasné, ale všetko bude fungovať iba vtedy, ak bude spustený jeden program a ak ich bude niekoľko a všetky súčasne. Dá sa predpokladať, že procesor má niekoľko jadier a na každom jadre sa potom vykonáva samostatný program. Ale nie, v skutočnosti takéto obmedzenia neexistujú.

Do jedného určitý moment môže bežať iba jeden program. Všetok čas CPU je zdieľaný medzi všetkými spustené programy každý program sa vykonáva niekoľko cyklov, potom sa procesor prenesie do iného programu a celý obsah registrov sa uloží do RAM. Keď sa riadenie vráti do tohto programu, predtým uložené hodnoty sa načítajú do registrov.

závery

To je všetko, v tomto článku sme sa pozreli na to, ako počítačový procesor funguje, čo je procesor a z čoho sa skladá. Môže to byť trochu komplikované, ale veci sme pokryli jednoduchšie. Dúfam, že teraz máte jasnejšie pochopenie toho, ako toto veľmi zložité zariadenie funguje.

Na konci videa o histórii tvorby procesorov:

Osobný počítač je veľmi zložitá a mnohostranná vec, ale v každom systémová jednotka nájdeme centrum všetkých operácií a procesov – mikroprocesor. Z čoho sa skladá počítačový procesor a prečo je stále potrebný?

Pravdepodobne mnohí budú potešení, keď sa dozvedia, z čoho pozostáva mikroprocesor. osobný počítač. Takmer úplne pozostáva z obyčajných kameňov, skál.

Áno, je to tak... Procesor obsahuje látky ako napríklad kremík – rovnaký materiál, z ktorého sa skladá piesok a žulové horniny.

Hoffov procesor

Prvý mikroprocesor pre osobný počítač bol vynájdený takmer pred polstoročím – v roku 1970 Marťanom Edwardom Hoffom a jeho tímom inžinierov z Intelu.

Hoffov prvý procesor bežal len na 750 kHz.

Hlavné charakteristiky počítačového procesora dnes, samozrejme, nie sú porovnateľné s vyššie uvedeným obrázkom, súčasné „kamene“ sú niekoľko tisíckrát výkonnejšie ako ich predchodcovia a predtým je lepšie sa oboznámiť s úlohami, ktoré rieši.

Mnoho ľudí verí, že procesory dokážu „myslieť“. Hneď treba povedať, že na tom nie je ani zrnko pravdy. Akýkoľvek výkonný procesor osobného počítača pozostáva z mnohých tranzistorov - druhu prepínačov, ktoré vykonávajú jednu jedinú funkciu - na ďalšie preskočenie signálu alebo jeho zastavenie. Výber závisí od napätia signálu.

Ak sa na to pozriete z druhej strany, môžete vidieť, z čoho pozostáva mikroprocesor a pozostáva z registrov - buniek na spracovanie informácií.

Na spojenie „kameňa“ so zvyškom zariadení osobného počítača sa používa špeciálna vysokorýchlostná cesta nazývaná „autobus“. Drobné elektromagnetické signály cez ňu „lietajú“ rýchlosťou blesku. Toto je princíp fungovania procesora počítača alebo notebooku.

mikroprocesorové zariadenie

Ako je usporiadaný počítačový procesor? V každom mikroprocesore možno rozlíšiť 3 komponenty:

1. Jadro procesora (tu dochádza k deleniu núl a jednotiek);
2. Vyrovnávacia pamäť je malé úložisko informácií priamo vo vnútri procesora;
3. Koprocesor je špeciálne mozgové centrum každého procesora, v ktorom prebiehajú tie najzložitejšie operácie. Tu je práca s multimediálnymi súbormi.

Obvod počítačového procesora v zjednodušenej verzii je nasledujúci:

Jedným z hlavných ukazovateľov mikroprocesora je hodinová frekvencia. Ukazuje, koľko cyklov vykoná „kameň“ za sekundu. Výkon počítačového procesora závisí od súhrnu vyššie uvedených indikátorov.

Treba si uvedomiť, že kedysi štarty rakiet a prevádzku satelitov riadili mikroprocesory s hodinovou frekvenciou tisíckrát nižšou, než akú majú dnešní „bratia“. A veľkosť jedného tranzistora je 22nm, vrstva tranzistorov je len 1nm. Pre porovnanie, 1 nm je hrúbka 5 atómov!

Teraz viete, ako funguje počítačový procesor a aké úspechy dosiahli vedci pracujúci vo firmách na výrobu osobných počítačov.

štruktúra CPU

Aby bolo neodborníkovi jasné, ako funguje centrálna procesorová jednotka počítača, zvážte, z ktorých blokov pozostáva:

Riadiaca jednotka procesora;

Príkazové a dátové registre;

Aritmetické logické jednotky (vykonávajú aritmetické a logické operácie);

Blok operácií s reálnymi číslami, to znamená s číslami s pohyblivou rádovou čiarkou alebo, jednoduchšie, so zlomkami (FPU);

Vyrovnávacia pamäť (cache) prvej úrovne (samostatne pre príkazy a dáta);

Vyrovnávacia pamäť (cache) druhej úrovne na ukladanie medzivýsledkov výpočtov;

Väčšina moderných procesorov má tiež vyrovnávaciu pamäť tretej úrovne;

Rozhranie systémovej zbernice.

Princíp procesora

Algoritmus centrálneho procesora počítača môže byť reprezentovaný ako postupnosť nasledujúcich akcií.

Riadiaca jednotka procesora preberá z pamäte RAM, do ktorej je program načítaný, určité hodnoty (údaje) a príkazy, ktoré sa majú vykonať (inštrukcie). Tieto údaje sa načítajú do vyrovnávacej pamäte procesora.

Od vyrovnávacia pamäť inštrukcie procesora (cache) a prijaté dáta sa zapisujú do registrov. Inštrukcie sú umiestnené v inštrukčných registroch a hodnoty sú umiestnené v dátových registroch.

Aritmetická logická jednotka číta inštrukcie a dáta z príslušných registrov procesora a vykonáva tieto inštrukcie na prijatých číslach.

Výsledky sa opäť zapisujú do registrov a ak sú výpočty ukončené, do vyrovnávacej pamäte procesora. Procesor má veľmi málo registrov, preto je nútený ukladať medzivýsledky do vyrovnávacej pamäte rôznych úrovní.

Do vyrovnávacej pamäte vyššej úrovne sa načítavajú nové údaje a príkazy potrebné na výpočty (z tretej na druhú, z druhej do prvej) a nepoužité údaje naopak do vyrovnávacej pamäte nižšej úrovne.

Ak sa cyklus výpočtu skončí, výsledok sa zapíše do pamäte RAM počítača, aby sa uvoľnilo miesto vo vyrovnávacej pamäti procesora pre nové výpočty. To isté sa stane, keď je vyrovnávacia pamäť plná údajov: nevyužité údaje sa presunú do vyrovnávacej pamäte nižšej úrovne alebo pamäte RAM.

Postupnosť týchto operácií tvorí operačné vlákno procesora. Počas prevádzky sa procesor veľmi zahrieva. Aby ste tomu zabránili, musíte svoj laptop vyčistiť doma včas.

S cieľom urýchliť prácu centrálneho procesora a zvýšiť výkon výpočtov sa neustále vyvíjajú nové architektonické riešenia, ktoré zvyšujú efektivitu procesora. Medzi ne patrí vykonávanie operácií potrubia, sledovanie, to znamená pokus o predvídanie ďalšie akcie programy, paralelné spracovanie príkazov (inštrukcií), multithreading a multi-core.

Viacjadrový procesor má niekoľko výpočtových jadier, to znamená niekoľko aritmeticko-logických jednotiek, jednotiek s pohyblivou rádovou čiarkou a registrov, ako aj vyrovnávaciu pamäť prvej úrovne, z ktorých každé je spojené do vlastného jadra. Jadrá majú spoločnú vyrovnávaciu pamäť druhej a tretej úrovne. Vzhľad vyrovnávacej pamäte tretej úrovne bol presne spôsobený viacjadrovými, a teda potrebou väčšieho množstva rýchlej vyrovnávacej pamäte na ukladanie medzivýsledkov výpočtov.

Hlavnými ukazovateľmi, ktoré ovplyvňujú rýchlosť spracovania dát procesorom, sú počet procesorových jadier, dĺžka pipeline, frekvencia hodín a množstvo vyrovnávacej pamäte. Na zvýšenie výkonu počítača je často potrebné vymeniť procesor a to znamená aj výmenu základná doska a RAM. Naši odborníci vám pomôžu aktualizovať, nakonfigurovať a opraviť váš počítač doma v Moskve. servisné stredisko, ak sa bojíte procesu svojpomocnej montáže a modernizácie počítača.