Процессор — это небольшой чип в вашем компьютере или телефоне, который выполняет все вычисления. Мы уже писали об основе вычислительной техники — это транзисторы, которые собираются в сумматоры и другие функциональные блоки.
Что такое процессор и как он устроен
Центральный процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU, в просторечии «проц», «камень») — это сложная микросхема, которая является основным компонентом любого компьютера. Это устройство, которое обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и управляет другими частями компьютера.
На протяжении многих лет основными производителями процессоров были американские компании Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Конечно, есть и другие производители, но они не дотягивают до уровня заявленных лидеров рынка.
Intel и AMD постоянно борются за лидерство в производстве все более мощных и доступных процессоров и вкладывают огромные суммы и усилия в разработку. Их конкуренция является важным фактором, способствующим быстрому росту отрасли.
Внешне главный процессор не представляет собой ничего особенного — небольшая прямоугольная печатная плата с множеством контактов с одной стороны и плоский металлический корпус с другой. Но внутри этого корпуса находится сложная микроструктура из миллионов транзисторов.
Как изготавливают процессоры. Что такое техпроцесс.
Исходным материалом для производства процессоров является самый обычный песок, а точнее кремний, который составляет около 30 процентов земной коры. Очищенный кремний сначала используется для изготовления большого цилиндрического монокристалла, который затем разрезается на блины толщиной около 1 мм.
Полупроводниковые структуры для будущих процессоров затем создаются в этих блинах с помощью процесса фотолитографии.
Фотолитография напоминает еще не совсем забытый процесс фотопечати с пленки, при котором свет проходит через негатив на поверхности фотобумаги и проецирует на него изображение.
Кремниевые «блины», упомянутые ранее, являются типом фотобумаги, используемой в производстве процессоров. Ионы бора, ускоренные на большой скорости в высоковольтном ускорителе, играют роль света. Они проходят через специальные «шаблоны» — систему высокоточных линз и зеркал — и встраиваются в кремний, образуя крошечную структуру из множества транзисторов.
Сегодняшняя технология позволяет производить транзисторы размером 5-6 нанометров (толщина человеческого волоса составляет около 50 000 нм). Со временем процесс изготовления процессоров будет усовершенствован. Ожидается, что размеры транзисторов уменьшатся по крайней мере до 3 нм.
Чем тоньше технологический процесс, тем больше транзисторов может быть размещено в процессоре и тем выше его эффективность.
Полученная полупроводниковая структура вырезается из кварцевого «блина» и устанавливается на печатную плату. На задней стороне чипа находятся контакты для подключения к материнской плате. Кристалл защищен от повреждений металлической крышкой сверху (см. фото выше).
Понятие архитектуры, ядра, ревизии процессора
Процессоры прошли сложный путь развития и продолжают эволюционировать. Производители совершенствуют не только производственный процесс, но и свою внутреннюю структуру. Каждое новое поколение процессоров отличается от предыдущего по структуре, количеству и характеристикам составляющих его компонентов.
Процессоры, использующие одни и те же основные структурные принципы, называются одноархитектурными процессорами, а эти принципы называются архитектурой процессора (микроархитектурой).
Основные характеристики процессора
— Количество вычислительных ядер .
Многоядерные процессоры — это процессоры, содержащие два или более вычислительных ядер на одном процессорном чипе или в одном корпусе. Все современные процессоры являются многоядерными.
Многоядерная технология как средство повышения производительности процессоров используется уже давно. Для «домашних» компьютеров и рабочих станций есть процессоры с 64 ядрами (Ryzen Threadripper), для серверов на рынке представлены предложения со 128 ядрами.
Производительность вычислительных ядер различных архитектур сильно различается. Однако если сравнивать процессоры одинаковой архитектуры, то чем больше ядер, тем мощнее процессор.
— Количество нитей .
Чем больше нитей, тем лучше. Количество потоков не всегда соответствует количеству ядер в процессоре. Благодаря технологиям Hyper-Threading (у Intel) и Simultaneous MultiThreading (у AMD) 4-ядерный процессор может выполнять, например, 8 потоков и по многим параметрам превосходить 6-ядерные конкуренты.
— Размер скрытой памяти 2 и 3 уровня .
Кэш-память — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая служит буфером для информации, обрабатываемой в данный момент времени. Подробнее об этом читайте здесь. Чем больше кэш, тем лучше.
Не все современные процессоры по своей структуре содержат кэш третьего уровня, хотя это и не критично. На самом деле, многие бенчмарки показали, что производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпущенных между 2007 и 2011 годами, которые не включали кэш-память третьего уровня, и сейчас выглядит достойно. Кэш второго уровня действительно довольно большой.
— Частота процессора .
Здесь все просто: чем выше частота процессора, тем он производительнее. Однако это применимо только в том случае, если процессоры имеют одинаковую архитектуру. Этот индикатор показывает количество операций (ударов), выполняемых процессором в единицу времени. Однако процессор с лучшей архитектурой обрабатывает больше информации за один тактовый цикл. Например, новый низкочастотный процессор может быть значительно быстрее старого высокочастотного процессора.
— Технология процесса .
Концепция технологии процесса была рассмотрена в предыдущем разделе данной статьи. Чем тоньше используемый технологический процесс, тем больше транзисторов может содержать процессор, тем ниже энергопотребление и тепловыделение. Другая важная характеристика процессора, TDP, сильно зависит от технологического процесса процессора.
Thermal Design Point — это число, которое указывает на энергопотребление процессора, а также на выделение тепла во время работы. Единицей измерения является ватт. TDP зависит от многих факторов, например, от количества ядер, производственного процесса и частоты процессора.
Помимо прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с TDP менее 100 Вт) лучше подходят для «разгона», когда пользователь изменяет определенные настройки системы, что приводит к увеличению частоты процессора. Разгон может увеличить производительность процессора (иногда на 20-25%) без дополнительных финансовых вложений, но это уже другая тема.
В то же время, проблему высокого TDP всегда можно решить, купив эффективную систему охлаждения (см. последний абзац этой статьи).
— Наличие и производительность видеоядра .
В дополнение к вычислительным ядрам процессоры часто содержат графические ядра. Эти процессоры в дополнение к своим основным задачам могут выполнять функции видеокарты. Некоторых из них достаточно для компьютерных игр, не говоря уже о просмотре фильмов, работе с текстом и других задачах.
Что такое сокет
Важным моментом при выборе процессора является тип сокета, для которого он предназначен.
Сокет (гнездо процессора) — это слот или гнездо на материнской плате, в которое устанавливается процессор. Каждый процессор может быть установлен только на материнскую плату с соответствующим сокетом, размером, количеством контактов сокета и структурой.
Каждый новый сокет разрабатывается производителями процессоров, когда старые сокеты перестают подходить для новых продуктов. Сокет LGA775 (Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon 3000 series, Core 2 Quad) уже давно используется для процессоров Intel. Затем появились сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5, i3) и другие. Слоты для процессоров AMD также менялись на протяжении десятилетий — AM2, AM2+, AM3, AM4 и т.д. Я не думаю, что есть необходимость упоминать более старые сокеты, поскольку компьютеры на их основе уже редкость.
Важно. Если вы планируете модернизировать свой старый компьютер, купив более мощный процессор, убедитесь, что сокет совместим с вашей старой материнской платой. В противном случае вам обязательно придется заменить и его. Но даже если сокет подходит для процессора, нет гарантии, что материнская плата будет с ним работать. Системная логика материнской платы («чипсет») также важна. Вы должны убедиться, что он поддерживает процессоры с такой архитектурой. Более подробную информацию о сокете процессора и соответствующих чипсетах материнской платы можно найти здесь.
