Насправді, те, що ми сьогодні називаємо процесором, правильно називати мікропроцесором. Різниця є і визначається видом устрою та його історичним розвитком.

Перший процесор (Intel 4004) з'явився в 1971 року.

Зовнішньо є крем'яною платівкою з мільйонами і мільярдами (на сьогодні) транзисторів і каналів для проходження сигналів.

Призначення процесора – це автоматичне виконанняпрограми. Іншими словами, він є основним компонентом будь-якого комп'ютера.

Пристрій процесора

Ключовими компонентами процесора є арифметико-логічний пристрій(АЛУ), регістриі пристрій керування. АЛУ виконають основні математичні та логічні операції. Усі обчислення виробляються у двійковій системі числення. Від пристрою управління залежить узгодженість роботи елементів самого процесора та її зв'язок коїться з іншими (зовнішніми йому) пристроями. У регістрах тимчасово зберігаються поточна команда, вихідні, проміжні та кінцеві дані (результат обчислень АЛП). Розрядність всіх регістрів однакова.

Кеш даних та командзберігає часто використовувані дані та команди. Звернення в кеш відбувається набагато швидше, ніж в оперативну пам'ять, тому чим він більше, тим краще.

Схема процесора

Робота процесора

Працює процесор під керівництвом програми, що у оперативної пам'яті.

(Робота процесора складніше, ніж це зображено на схемі вище. Наприклад, дані та команди потрапляють у кеш не відразу з оперативної пам'яті, а через блок попередньої вибірки, який не зображений на схемі. Також не зображений декодуючий блок, який здійснює перетворення даних та команд в двійкову форму, тільки після чого з ними може працювати процесор.

Блок управління також відповідає за виклик чергової команди та визначення її типу.

Арифметико-логічний пристрій, отримавши дані та команду, виконує зазначену операцію та записує результат в один із вільних регістрів.

Поточна команда знаходиться в спеціально відведеному для неї регістрі команд. У процесі роботи з поточною командоюзбільшується значення так званого лічильника команд, який тепер вказує на наступну команду (якщо, звичайно, не було команди переходу або зупинки).

Часто команду представляють як структуру, що складається із запису операції (яку потрібно виконати) та адреси осередків вихідних даних та результату. За адресами вказаним у команді беруться дані і поміщаються в звичайні регістри (у сенсі не в регістр команди), результат, що вийшов, теж спочатку виявляється в регістрі, а вже потім переміщається за своєю адресою, вказаною в команді.

Характеристики процесора

Тактова частотапроцесора на сьогоднішній день вимірюється в гігагерцях (ГГц), раніше вимірювалося в мегагерцях (МГц). 1МГц = 1 мільйон тактів на секунду.

Процесор «спілкується» з іншими пристроями ( оперативною пам'яттю) за допомогою шин даних, адреси та управління. Розрядність шин завжди кратна 8 (зрозуміло чому, якщо ми маємо справу з байтами), мінлива у ході історичного розвитку комп'ютерної технікиі різна для різних моделей, а також не однакова для шини даних та адресної шини.

Розрядність шини данихговорить про те, скільки інформації (скільки байт) можна передати за раз (за такт). Від розрядності шини адресизалежить максимальний обсяг оперативної пам'яті, із яким процесор може працювати взагалі.

На потужність (продуктивність) процесора впливають не тільки його тактова частота та розрядність шини даних, також важливе значеннямає об'єм кеш-пам'яті.

Сучасного споживача електроніки дуже складно здивувати. Ми вже звикли до того, що наша кишеня законно займає смартфон, у сумці лежить ноутбук, на руці слухняно відраховують кроки «розумний» годинник, а слух пестять навушники. активною системоюшумоподавлення.

Кумедна штука, але ми звикли носити з собою не один, а одразу два, три та більше комп'ютерів. Адже саме так можна назвати пристрій, який має процесор. І зовсім неважливо, як виглядає конкретний девайс. За його роботу відповідає мініатюрний чіп, який подолав бурхливий та стрімкий шлях розвитку.

Чому ми порушили тему процесорів? Все просто. За останні десять років відбулася справжня революція у світі мобільних пристроїв.

Між цими пристроями лише 10 років різниці. Але Nokia N95 тоді нам здавалася космічним девайсом, а на ARKit сьогодні ми дивимося з певною недовірою

Адже все могло б скластися інакше і пошарпаний Pentium IV так би і залишився межею мрій пересічного покупця.

Ми постаралися обійтися без складних технічних термінів та розповісти, як працює процесор, та з'ясувати, за якою архітектурою майбутнє.

1. З чого все почалося

Перші процесори були абсолютно не схожі на те, що ви можете бачити, прочинивши кришку системного блокувашого ПК.

Замість мікросхем у 40-ті роки XX століття використовувалися електромеханічні реле, доповнені вакуумними лампами. Лампи виконували роль діода, регулювати стан якого можна було за рахунок зниження або підвищення напруги ланцюга. Виглядали такі конструкції так:

Для роботи одного велетенського комп'ютера потрібні були сотні, іноді тисячі процесорів. Але при цьому ви не змогли б запустити на такому комп'ютері навіть простенький редактор, як NotePad або TextEdit зі штатного набору Windows та MacOS. Комп'ютеру банально не вистачило б потужності.

2. Поява транзисторів

Перші польові транзистори з'явилися ще 1928 року. Але світ змінився лише після появи так званих біполярних транзисторів, відкритих 1947-го.

Наприкінці 40-х фізик-експериментатор Уолтер Браттейн та теоретик Джон Бардін розробили перший точковий транзистор. У 1950 його замінив перший площинний транзистор, а в 1954 році відомий виробник Texas Instruments анонсував вже кремнієвий транзистор.

Але справжня революція настала у 1959 році, коли вчений Жан Енрі розробив перший кремнієвий планарний (плоский) транзистор, який став основою для монолітних інтегральних схем.

Так, це трохи складно, тому давайте копнем трохи глибше і розберемося з теоретичною частиною.

3. Як працює транзистор

Отже, завдання такого електричного компонента як транзисторполягає в управлінні струмом. Простіше кажучи, цей трохи хитрий перемикач контролює подачу електрики.

Основна перевага транзистора перед звичайним перемикачему тому, що вона не вимагає присутності людини. Тобто. керувати струмом такий елемент здатний самостійно. До того ж, він працює набагато швидше, ніж ви самостійно включали або відключали електричний ланцюг.

Зі шкільного курсу інформатики ви, напевно, пам'ятаєте, що комп'ютер «розуміє» людську мову за рахунок комбінацій всього двох станів: «ввімкнено» та «вимкнено». У розумінні машини це стан "0" або "1".

Завдання комп'ютера у тому, щоб уявити електричний струму вигляді чисел.

І якщо раніше завдання перемикання станів виконували неповороткі, громіздкі та малоефективні електричні реле, то тепер цю рутинну роботу взяв він транзистор.

З початку 60-х транзистори стали виготовляти із кремнію, що дозволило не тільки робити процесори компактнішими, а й суттєво підвищити їхню надійність.

Але спочатку розберемося з діодом

Кремній(Він же Si - "silicium" в таблиці Менделєєва) відноситься до категорії напівпровідників, а значить він, з одного боку, пропускає струм краще діелектрика, з іншого, - робить це гірше, ніж метал.

Хочеться нам того чи ні, але для розуміння роботи та подальшої історії розвитку процесорів доведеться поринути у будову одного атома кремнію. Не бійтеся, зробимо це стисло і дуже зрозуміло.

Завдання транзистора полягає у посиленні слабкого сигналу за рахунок додаткового джерела живлення.

У атома кремнію є чотири електрони, завдяки яким він утворює зв'язки (а якщо бути точним – ковалентні зв'язки)з такими ж прилеглими трьома атомами, формуючи кристалічні ґрати. Поки більшість електронів перебувають у зв'язку, незначна частина їх здатна рухатися через кристалічну решітку. Саме через такий частковий переход електронів кремній віднесли до напівпровідників.

Але такий слабкий рух електронів не дозволив би використовувати транзистор на практиці, тому вчені вирішили підвищити продуктивність транзисторів за рахунок легування, а простіше – доповнення кристалічної решітки кремнію атомами елементів з характерним розміщенням електронів.

Так стали використовувати 5-валентний домішок фосфору, за рахунок чого отримали транзистори n-типу. Наявність додаткового електрона дозволило прискорити рух, підвищивши пропуск струму.

При легуванні транзисторів p-типутаким каталізатором став бір, до якого входять три електрони. Через відсутність одного електрона, в кристалічній решітці виникають дірки (виконують роль позитивного заряду), але за рахунок того, що електрони здатні заповнювати ці дірки, провідність кремнію підвищується в рази.

Припустимо, ми взяли кремнієву пластину та легували одну її частину за допомогою домішки p-типу, а іншу – за допомогою n-типу. Так ми отримали діод – базовий елементтранзистора.

Тепер електрони, що знаходяться в n-частині, прагнуть перейти в дірки, розташовані в p-частині. У цьому n-сторона матиме незначний негативний, а p-сторона – позитивний заряди. Утворене внаслідок цього «тяжіння» електричне поле –бар'єр перешкоджатиме подальшому переміщенню електронів.

Якщо до діода підключити джерело живлення таким чином, щоб "–" стосувалося p-сторони пластини, а "+" – n-сторони, протікання струму буде неможливо через те, що дірки притягнуть у мінусовому контакті джерела живлення, а електрони – до плюсовому, і зв'язок між електронами p і n сторони буде втрачено за рахунок розширення об'єднаного шару.

Але якщо підключити живлення із достатньою напругою навпаки, тобто. "+" від джерела до p-сторони, а "–" – до n-сторони, розміщені на n-стороні електрони відштовхуватимуться негативним полюсом і виштовхуватимуться на p-бік, займаючи дірки в p-області.

Але тепер електрони притягує до позитивного полюса джерела живлення і вони продовжують переміщатися p-дірками. Це явище назвали прямим зміщенням діода.

Діод + діод = транзистор

Сам собою транзистор можна як два, зістикованих друг до друга діода. У цьому p-область (та, де розміщені дірки) вони стає загальної і називається «базою».

У N-P-N транзисторадві n-області з додатковими електронами - вони ж "емітер" і "колектор" і одна, слабка область з дірками - p-область, що називається "базою".

Якщо підключити джерело живлення (назвемо його V1) до n-областей транзистора (незалежно від полюса), один діод отримає зворотне зміщення і транзистор перебуватиме в закритому стані .

Але, як тільки ми підключимо ще одне джерело живлення (назвемо його V2), встановивши "+" контакт на "центральну" p-область (базу), а "-" контакт на n-область (емітер), частина електронів потече знову утвореного ланцюга (V2), а частина буде притягатися позитивною n-областю. В результаті електрони потечуть в область колектора, а слабкий електричний струм буде посилено.

Видихаємо!

4. Так як таки працює комп'ютер?

А зараз найголовніше.

Залежно від напруги, що подається, транзистор може бути або відкритий, або закритий. Якщо напруга недостатня для подолання потенційного бар'єру (того самого на стику p і n пластин) – транзистор буде перебувати у закритому стані – у стані «вимкнено» або, говорячи мовою двійкової системи – "0".

При достатньо напрузі транзистор відкривається, а ми отримуємо значення "ввімкнено" або "1" у двійковій системі.

Такий стан, 0 або 1, у комп'ютерній індустрії назвали "бітом".

Тобто. ми отримуємо головну властивість того самого перемикача, який відкрив людству шлях до комп'ютерів!

У першому електронному цифровому обчислювачі ЕНІАК, а простіше - першому комп'ютері, використовувалося близько 18 тисяч ламп-тріодів. Розмір комп'ютера був порівняний з тенісним кортом, яке вага становив 30 тонн.

Для розуміння роботи процесора потрібно зрозуміти ще два ключові моменти.

Момент 1. Отже, ми визначилися з тим, що таке біт. Але з його допомогою ми можемо лише отримати дві характеристики чогось: або так чи ні. Для того, щоб комп'ютер навчився розуміти нас краще, вигадали комбінацію з 8 бітів (0 або 1), яку прозвали байтом.

Використовуючи байт, можна закодувати число від нуля до 255. Використовуючи ці 255 чисел – комбінацій нулів та одиниць, можна закодувати все що завгодно.

Момент 2Наявність чисел і букв без будь-якої логіки нам нічого не дало б. Саме тому з'явилося поняття логічних операторів.

Підключивши всього два транзистори певним чином, можна домогтися виконання одразу кількох логічних дій: "і", "або". Комбінація величини напруги на кожному транзисторі та тип їх підключення дозволяє отримати різні комбінації нулів та одиниць.

Стараннями програмістів значення нулів і одиниць, двійкової системи, стали переводити в десяткову у тому, щоб ми могли зрозуміти, що саме «каже» комп'ютер. А для введення команд звичні нами дії, на кшталт введення букв з клавіатури, представляти як двійковий ланцюг команд.

Простіше кажучи, уявіть, що є таблиця відповідності, скажімо, ASCII, в якій кожній літері відповідає комбінація 0 і 1. Ви натиснули кнопку на клавіатурі, і в цей момент на процесорі завдяки програмі транзистори переключилися таким чином, щоб на екрані з'явилася та сама, написана на літері.

Це досить примітивне пояснення принципу роботи процесора і комп'ютера, але розуміння цього дозволяє нам рухатися далі.

5. І розпочалися транзисторні перегони

Після того, як у 1952 році британський радіотехнік Джеффрі Дамер запропонував розміщувати найпростіші електронні компоненти в монолітному кристалі напівпровідника, комп'ютерна індустріязробив семимильний крок уперед.

Від інтегральних схем, запропонованих Дамером, інженери швидко перейшли на мікрочіпи, в основі яких використовувалися транзистори. У свою чергу, кілька таких чіпів вже утворювали сам процесор.

Вочевидь, що такі процесорів мало чим схожі з сучасними. До того ж, аж до 1964 року всі процесори мали одну проблему. Вони вимагали індивідуального підходу – свою мову програмування кожного процесора.

• 1964 IBM System/360.Комп'ютер, сумісний із універсальним програмним кодом. Набір інструкцій однієї моделі процесора міг використовуватися й у інший.
• 70-і роки.Поява перших мікропроцесорів. Однокристальний процесор від Intel. Intel 4004 - 10 мкм ТП, 2300 транзисторів, 740 КГц.
• 1973 Intel 4040 і Intel 8008. 3 000 транзисторів, 740 КГц у Intel 4040 і 3 500 транзисторів при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 мкм ТП та 6000 транзисторів. Тактова частота близько 5000 кГц. Саме цей процесор використовувався у комп'ютері Altair-8800. Вітчизняна копія Intel 8080 - процесор КР580ВМ80А, розроблений Київським НДІ мікроприладів. 8 біт.
• 1976 Intel 8080. 3 мкм ТП та 6500 транзисторів. Тактова частота 6 МГц. 8 біт.
• 1976 Zilog Z80. 3 мкм ТП та 8500 транзисторів. Тактова частота до 8 МГц. 8 біт.
• 1978 Intel 8086. 3 мкм ТП та 29 000 транзисторів. Тактова частота близько 25 МГц. Система команд x86, яка використовується і сьогодні. 16 біт.
• 1980 Intel 80186. 3 мкм ТП та 134 000 транзисторів. Тактова частота – до 25 МГц. 16 біт.
• 1982 Intel 80286. 1,5 мкм ТП та 134 000 транзисторів. Частота – до 12,5 МГц. 16 біт.
• 1982 рік Motorola 68000. 3 мкм та 84 000 транзисторів. Цей процесор використовувався в комп'ютері AppleЛіса.
• 1985 Intel 80386. 1,5 мкм тп і 275 000 транзисторів. Частота - до 33 МГц у версії 386SX.

Здавалося б, продовжувати список можна було б до нескінченності, але інженери Intel зіткнулися з серйозною проблемою.

6. Закон Мура чи як чіпмейкерам жити далі

Надворі кінець 80-х. Ще на початку 60-х один із засновників компанії Intel Гордон Мур формулював так званий «Закон Мура». Звучить він так:

Кожні 24 місяці кількість транзисторів, які розміщені на кристалі інтегральної схеми, подвоюється.

Назвати цей закон законом складно. Точніше охрестити його емпіричним спостереженням. Зіставивши темпи розвитку технологій, Мур зробив висновок, що може сформуватись подібна тенденція.

Але вже під час опрацювання четвертого покоління процесорів Intel i486 інженери зіткнулися з тим, що вже досягли стелі продуктивності і більше не можуть розмістити Велика кількістьпроцесорів на тій самій площі. На той момент технології цього не дозволяли.

Як рішення було знайдено варіант з використанням ряду додаткових елементів:

• кеш-пам'яті;
• конвеєра;
• вбудованого співпроцесора;
• множника.

Частина обчислювального навантаження лягала на плечі цих чотирьох вузлів. В результаті, поява кеш-пам'яті з одного боку ускладнила конструкцію процесора, з іншого – він став значно сильнішим.

Процесор Intel i486 складався вже з 1,2 млн. транзисторів, а максимальна частота його роботи досягла 50 МГц.

У 1995 році до розробки приєднується компанія AMD і випускає найшвидший на той момент i486-сумісний процесор Am5x86 на 32-розрядній архітектурі. Виготовлявся він вже за 350 нанометровим техпроцесом, а кількість встановлених процесорів досягла 1,6 млн. штук. Тактова частота зросла до 133 МГц.

Але гнатися за подальшим нарощуванням кількості встановлених на кристалі процесорів та розвитку вже утопічної архітектури CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкери не наважилися. Натомість американський інженер Девід Паттерсон запропонував оптимізувати роботу процесорів, залишивши лише найнеобхідніші обчислювальні інструкції.

Так виробники процесорів перейшли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing), але цього мало.

В 1991 виходить 64-бітний процесор R4000, що працює на частоті 100 МГц. Через три роки утворюється процесор R8000, а ще через два роки – R10000 з тактовою частотою до 195 МГц. Паралельно розвивався ринок SPARC-процесорів, особливістю архітектури яких стала відсутність інструкцій множення та поділу.

Замість боротьби за кількість транзисторів виробники чіпів стали переглядати архітектуру їхньої роботи.. Відмова від «непотрібних» команд, виконання інструкцій в один такт, наявність регістрів загального значення та конвеєризація дозволили оперативно нарощувати тактову частоту та потужність процесорів, не перекручуючись з кількістю транзисторів.

Ось лише деякі з архітектур, що з'явилися з період з 1980 по 1995 рік.

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

В їх основі лежала платформа RISC, а в деяких випадках і часткове, сумісне використання CISC-платформи. Але розвиток технологій знову підштовхувало чіпмейкерів продовжити нарощування процесорів.

У серпні 1999 року на ринок виході AMD K7 Athlon, виготовлений за 250 нанометровим техпроцесом і включає 22 млн. транзисторів. Пізніше планку підняли до 38 млн. процесорів. Потім до 250 млн.

Збільшувався технологічний процесор, зростала тактова частота. Але, як каже фізика, всьому є межа.

7. Кінець транзисторних змагань близько

У 2007 році Гордон Мур виступив із дуже різкою заявою:

Закон Мура скоро перестане діяти. Встановлювати необмежену кількість процесорів до нескінченності неможливо. Причина цього – атомарна природа речовини.

Неозброєним оком помітно, що два провідні виробника чіпів AMD і Intel останні кілька років явно сповільнили темпи розвитку процесорів. Точність технологічного процесу зросла лише до кількох нанометрів, але розміщувати ще більше процесорів неможливо.

І поки виробники напівпровідників погрожують запустити багатошарові транзистори, проводячи паралель з 3DNі пам'яттю, у упертої в стіну архітектури x86 ще 30 років тому з'явився серйозний конкурент.

8. Що чекає на «звичайні» процесори

"Закон Мура" визнаний недійсним ще з 2016 року. Про це офіційно заявив найбільший виробник процесорів Intel. Подвоювати обчислювальну потужність на 100% кожні два роки чипмейкери більше не в змозі.

І тепер у виробників процесорів є кілька малоперспективних варіантів.

Перший варіант – квантові комп'ютери. Спроби збудувати комп'ютер, який використовує для подання інформації частки, вже були. У світі існує кілька таких квантових пристроїв, але вони здатні справлятися лише з алгоритмами невеликої складності.

До того ж, про серійний запуск подібних пристроїв у найближчі десятиліття не може йтися. Дорого, неефективно та… повільно!

Так, квантові комп'ютери споживають набагато менше енергії, ніж їхні сучасні колеги, але при цьому працюватимуть вони повільніше доти, доки розробники та виробники комплектуючих не перейдуть на нову технологію.

Другий варіант – процесори із шарами транзисторів. Про цю технологію всерйоз задумалися і в Intel, і в AMD. Замість одного шару транзисторів планують використати кілька. Схоже, що найближчими роками цілком можуть з'явитися процесори, в яких будуть важливими не лише кількість ядер і тактова частота, а й кількість транзисторних шарів.

Рішення цілком має право на життя, і таким чином монополістам вдасться доїти споживача ще кілька десятків років, але, зрештою, технологія знову-таки упреться в стелю.

Сьогодні ж, розуміючи стрімкий розвиток ARM-архітектури, Intel провела тихий анонс чіпів сімейства Ice Lake. Процесори виготовлятимуться по 10-нанометровому технологічного процесута стануть основою для смартфонів, планшетів та мобільних пристроїв. Але станеться це у 2019 році.

9. Майбутнє за ARM

Отже, архітектура x86 з'явилася 1978 року і належить до типу платформи CISC. Тобто. сама собою вона передбачає наявність інструкцій попри всі випадки життя. Універсальність – головний коник x86.

Але в той же час універсальність зіграла з цими процесорами і злий жарт. У x86 є кілька ключових недоліків:

• складність команд та відверта їх заплутаність;
• високе споживання енергії та виділення теплоти.

За високу продуктивність довелося попрощатися з енергоефективністю. Більше того, над архітектурою x86 зараз працюють дві компанії, яких можна сміливо віднести до монополістів. Це Intel та AMD. Виробляти x86-процесори можуть тільки вони, а значить і керують розвитком технологій тільки вони.

У той же час розробкою ARM (Arcon Risk Machine) займаються відразу кілька компаній. Ще в 1985 році як основа для подальшого розвитку архітектури розробники вибрали платформу RISC.

На відміну від CISC, RISC передбачає розробку процесора із мінімально необхідною кількістю команд, але максимальною оптимізацією. Процесори RISC набагато менші за CISC, більш енергоефективні та прості.

Більше того, ARM спочатку створювався виключно конкурент x86. Розробники ставили завдання побудувати архітектуру, більш ефективну, ніж x86.

Ще з 40-х років інженери розуміли, що одним із пріоритетних завдань залишається робота над зменшенням габаритів комп'ютерів, а насамперед - самих процесорів. Але навряд чи майже 80 років тому хтось міг припустити, що повноцінний комп'ютер буде меншим за сірникову коробку.

Архітектуру ARM свого часу підтримала компанія Apple, запустивши виробництво планшетів Newton на базі сімейства ARM-процесорів ARM6.

Продажі стаціонарних комп'ютерів стрімко падають, тоді як кількість мобільних пристроїв, що щорічно реалізуються, вже обчислюється мільярдами. Найчастіше, крім продуктивності, при виборі електронного гаджета користувача цікавлять ще кілька критеріїв:

• мобільність;
• автономність.

x86 архітектура сильна у продуктивності, але варто вам відмовитись від активного охолодження, як потужний процесор здасться жалюгідним на тлі архітектури ARM.

10. Чому ARM – незаперечний лідер

Навряд чи ви будете здивовані, що ваш смартфон, будь то простенький Android або флагман Apple 2016 року в десятки разів потужніший за повноцінні комп'ютери епохи кінця 90-х.

Але в скільки потужніший той же айфон?

Саме собою порівняння двох різних архітектур – штука дуже складна. Виміри тут можна виконати лише приблизно, але зрозуміти ту колосальну перевагу, що дає побудовані на ARM-архітектурі процесори смартфона, можна.

Універсальний помічник у цьому питанні – штучний тест продуктивності Geekbench. Утиліта доступна як на стаціонарних комп'ютерах, так і на Android та iOS платформах.

Середній та початковий класноутбуків явно відстає від продуктивності iPhone 7. У топовому сегменті все трохи складніше, але у 2017 році Appleвипускає iPhone X на новому чіпі A11 Bionic

Там вже знайома вам архітектура ARM, але показники в Geekbench виросли майже вдвічі. Ноутбуки із «вищого ешелону» напружилися.

Адже пройшов лише один рік.

Розвиток ARM іде семимильними кроками. Поки Intel і AMD рік за роком демонструють 5 - 10% приріст продуктивності, за той же період виробники смартфонів примудряються підвищити потужність процесорів у два - два з половиною рази.

Скептично налаштованим користувачам, які пройдуться по топових рядках Geekbench лише хочеться нагадати: мобільних технологіяхрозмір – те, що має значення.

Встановіть на стіл моноблок з потужним 18-ядерним процесором, який «на шматки розриває ARM-архітектуру», а потім покладіть поруч iPhone. Відчуваєте різницю?

11. Замість виведення

Осягнути 80-річну історію розвитку комп'ютерів в одному матеріалі неможливо. Але, прочитавши цю статтю, Ви зможете зрозуміти як влаштований головний елемент будь-якого комп'ютера - процесор, і чого варто чекати від ринку у наступні роки.

Безумовно, Intel і AMD працюватимуть над подальшим нарощуванням кількості транзисторів на одному кристалі та просуватиму ідею багатошарових елементів.

Але чи потрібна вам як покупцю така потужність?

Навряд чи вас не влаштовує продуктивність iPad Pro або флагманського iPhone X. Не думаю, що ви незадоволені продуктивністю мультиварки, що розташувалася на кухні, або якістю картинки на 65-дюймовому 4K-телевізорі. Адже у всіх цих пристроях використовуються процесори на ARM-архітектурі.

Windows вже офіційно заявила, що з цікавістю дивиться у бік ARM. Підтримку цієї архітектури компанія включила ще Windows 8.1, а нині активно працює над тандемом з провідним ARM-чіпмейкером Qualcomm.

Здрастуйте, дорогі читачі. Сьогодні ми вам покажемо, з чого складається зсередини процесор. Багато користувачів, звичайно, мали досвід із встановленням процесора на материнську платуале не багато хто знає про те, як він виглядає зсередини. Ми постараємося пояснити Вам достатньо простою мовою, що було б зрозуміло, але водночас не опускаючи подробиць. Перш ніж почати розповідати про складових частинахпроцесора, Ви можете ознайомитися з дуже цікавим російським прототипом Ельбрус.

Багато користувачів вважають, що процесор виглядає саме так, як показано на малюнку.

Однак це вся конструкція у зборі, яка складається з дрібніших та життєво важливих частин. Погляньмо, з чого складається процесор зсередини. До складу процесора входить:

На малюнку вище під номером 1 зображено захисну кришку, яка забезпечує механічний захист від попадання пилу та інших дрібних частинок. Кришка виготовлена ​​з матеріалу, який має високий коефіцієнт теплопровідності, що дозволяє забирати зайве тепло з кристала, забезпечуючи тим самим нормальний температурний діапазон роботи процесора.

Під номером 2 зображено «мозок» процесор і комп'ютера загалом це кристал. Саме він вважається найрозумнішим елементом процесора, який виконує всі покладені на нього завдання. Ви можете побачити, що на кристал нанесена тонким шаром мікросхема, що забезпечує задане функціонування процесора. Найбільш часто кристали процесора роблять із кремнію: це обумовлюється тим, що цей елемент має досить складні молекулярні зв'язки, які використовуються при формуванні внутрішніх струмів, що забезпечує створення багатопотокової обробки інформації.

Під номером 3 показано текстолітову платформу, до якої кріпляться всі інші робили: кристал і кришка. Ця платформа також грає роль хорошого провідника, який забезпечує хороший електричний контакт із кристалом. На зворотній стороніплатформи з метою підвищення електропровідності є багато точок, виготовлених з дорогоцінного металу (іноді використовують навіть золото).

Ось як виглядають електропровідні точки на прикладі процесора Intel.

Форма контактів залежить від того, який сокет стоїть на материнській платі. Існує і так, що в ціль точок на звороті платформи Ви можете побачити штирі, які виконують ту ж роль. Як правило, для процесорів сімейства Intel штирі знаходяться в материнській платі. У цьому випадку на підкладці (вона ж платформа) розташовуватимуться точки. Для сімейства процесорів AMDштирі знаходяться безпосередньо на самій підкладці. Виглядають такі процесори в такий спосіб.

Тепер розглянемо спосіб кріплення всіх деталей. Для того, щоб кришка міцно утримувалася на підкладці, її «садять» за допомогою спеціального клею-герметика, який стійкий у великих температурах. Це дозволяє конструкції перебуває у постійній зв'язці, не порушуючи її цілісності.

Для того, щоб кристал не перегрівався, на нього наносять спеціальну прокладку 1, поверх якої, в свою чергу, наноситься термопаста 2, що забезпечує ефективне тепловідведення на кришку. Кришка також «змащується» з внутрішньої сторони термопастою.

Давайте тепер побачимо, як виглядає двоядерний процесор. Ядро є окремим функціонально незалежним кристалом, який паралельно встановлюється на підкладку. Виглядає так.

Таким чином, 2 встановлені поруч ядра збільшують сумарну потужність процесора. Однак, якщо Ви побачите 2 кристали, що стоять поруч, це не завжди означатиме, що у Вас двоядерний процесор. На деяких сокетах встановлюються 2 кристали, один з яких відповідає за арифметико-логічну частину, а інший за обробку графіки (якийсь вбудований) графічний процесор). Це рятує в тих випадках, коли у Вас вбудована відеокарта, потужності якої не вистачає впоратися, наприклад, з якоюсь грою. У тих випадках левову частку обчислень перебирає графічна частина центрального процесора. Ось так виглядає процесор із графічним ядром.

Ось так, друзі, ми з Вами і розібралися, з чого складається процесор. Тепер стало ясно, що всі пристрої, що входять до складу процесора, відіграють важливу та незамінну роль для якісної роботи. Не забувайте коментувати статті нашого сайту, підписуйтесь на нашу розсилку та дізнавайтеся багато цікавого. Ваша думка Важливо для нас!

Здрастуйте, шановні читачі! Буквально кожен впевнений користувачПК або власник ноутбука не раз ставив питання, як влаштований процесор всередині? Напевно, багато хто здивується, дізнавшись, що в основі будови будь-якого «каменю» персонального комп'ютераабо ж ноутбука переважають справжні камені та гірські породи.

Сьогодні спробуємо розібратися, як виглядає будова сучасного процесора і завдяки чому працює головний елемент будь-якого комп'ютера.

Із чого складається сучасний мікропроцесор?

Структура процесора сьогодні представлена ​​такими основними елементами:

• Власне, . Найбільш важлива деталь, серце пристрою, яка називається також кристалом або каменем сучасного мікропроцесора. Від характеристик та новизни ядра безпосередньо залежить розгін та оперативність роботи мікропроцесора.
• Кеш пам'ять є невеликою, але дуже інформацією, розташованою прямо всередині процесора. Використовується мікропроцесором для значного зменшення часу доступу до основної пам'яті комп'ютера.
• Спеціальний співпроцесор, завдяки якому виробляються складні операції. Такий співпроцесор значною мірою розширює функціональні можливостібудь-якого сучасного мікропроцесора і є його невід'ємною складовою. Трапляються ситуації, коли співпроцесор є окремою мікросхемою, однак, у більшості випадків, він вбудований безпосередньо в комп'ютерний мікропроцесор.

Шляхом буквального аналізу комп'ютерного процесора ми зможемо побачити такі елементи будівлі, представлені на схемі:

1. Верхня металева кришка використовується не тільки для захисту «каміння» від механічних пошкоджень, але також для відведення тепла.
2. Безпосередньо, кристал або камінь і дорогою деталлю будь-якого комп'ютерного мікропроцесора.
3. Спеціальна підкладка з контактами на звороті завершує конструкцію мікропроцесора, як показано на малюнку. Саме завдяки такій конструкції тильного боку і відбувається зовнішня взаємодія з центральним «камінням», безпосередньо впливати на сам кристал неможливо. Скріплення всієї будови здійснюється за допомогою спеціального клею‐герметика.

Як все це працює?

Логіка роботи будь-якого процесора будується на тому, що всі дані комп'ютера зберігаються в бітах, спеціальних осередках інформації, представлених 0 або 1. Спробуємо розібратися, що відбувається, як із цих нулів та одиниць на екран перед нами постають барвисті фільми та захоплюючі комп'ютерні ігри?

Насамперед, необхідно усвідомити, що, маючи справу з електронікою, ми отримуємо будь-яку інформацію у вигляді напруги. Вище за певне значення ми отримуємо одиницю, нижче – нуль. Наприклад, включений у кімнаті світло – це одиниця, вимкнений – нуль. Подальша ієрархія, завдяки якій виходять складніші елементи – це байт, що з восьми бітів. Завдяки цим самим байтам мова може йти не тільки про включене або вимкнене світло в приміщенні, але і про його яскравість, відтінок кольору і так далі.

Напруга проходить через пам'ять і передає дані процесору, який використовує, в першу чергу, власну кеш-пам'ять як найбільш оперативну, але невелику комірку. Через спеціальний блок управління дані обробляються та розподіляються по подальшому шляху.

Процесор використовує байти та цілі послідовності з них, що, у свою чергу, називається програмою. Саме програми, що обробляються процесором, змушують комп'ютер виконати ту чи іншу дію: відтворити відео, запустити гру, включити музику тощо.

Боротьба гігантів комп'ютерних мікропроцесорів

Мова, звичайно ж, піде про Intel та AMD. Основною відмінністю у принципах роботи цих компаній є підхід до виробництва нових комп'ютерних мікропроцесорів.
У той час, як Intel по черзі впроваджує нові технології поряд з невеликими змінами, AMD робить великі кроки у виробництві з певною періодичністю. Вище на фото представлені моделі згаданих компаній із відмінним зовнішнім виглядом.

Лідерські позиції, в переважній більшості випадків, утримує все-таки Intel. «Камені» від AMD, хоч і поступаються процесорам від Intel за продуктивністю, нерідко виграють у них щодо цінової доступності. Про те, яку компанію краще вибрати, можете почитати в .

Що вибирати кожен вирішує сам. Сьогодні ми спробували розібратися у внутрішньому пристроїбудь-якого сучасного мікропроцесора та основні принципи його роботи. Не забувайте на оновлення блогу та ділитися цікавими статтями зі своїми друзями у соціальних мережах! Усього доброго, друзі!

Сучасні процесори мають форму невеликого прямокутника, представленого у вигляді пластини з кремнію. Сама пластина захищена спеціальним корпусом із пластмаси або кераміки. Під захистом знаходяться всі основні схеми, завдяки їм здійснюється повноцінна робота ЦП. Якщо із зовнішнім виглядом все гранично просто, то, що стосується самої схеми та того, як влаштований процесор? Давайте розберемо це докладніше.

До складу ЦП входить невелика кількість різних елементів. Кожен з них виконує свою дію, відбувається передача даних та управління. Звичайні користувачізвикли відрізняти процесори щодо них тактовій частоті, кількості кеш-пам'яті та ядрам. Але це далеко не все, що забезпечує надійну і швидку роботу. Варто приділити окрему увагу кожному компоненту.

Архітектура

Внутрішня конструкція ЦП часто відрізняється один від одного, кожному сімейству властивий свій набір властивостей та функцій – це називається його архітектурою. Приклад конструкції процесора можна спостерігати на зображенні нижче.

Але багато хто під архітектурою процесора звикли розуміти трохи інше значення. Якщо розглядати її з погляду програмування, вона визначається по можливості виконувати певний набір кодів. Якщо ви купуєте сучасний CPU, то, швидше за все, він відноситься до архітектури x86.

Ядра

Основна частина CPU називається ядром, у ньому містяться всі необхідні блоки, а також відбувається виконання логічних та арифметичних завдань. Якщо ви подивитеся на малюнок нижче, то зможете розібрати, як виглядає кожен функціональний блокядра:

1. Модуль вибірки вказівок.Тут здійснюється розпізнавання інструкцій за адресою, що позначається у лічильнику команд. Число одночасного зчитування команд безпосередньо залежить від кількості встановлених блоків розшифровки, що допомагає навантажити кожен такт роботи найбільшою кількістюінструкції.
2. Провісник переходіввідповідає за оптимальну роботублоку вибірки інструкцій. Він визначає послідовність виконуваних команднавантажуючи конвеєр ядра.
3. Модуль декодування.Ця частина ядра відповідає визначення деяких процесів до виконання завдань. Саме завдання декодування дуже складне через непостійний розмір інструкції. У найновіших процесорах таких блоків зустрічається дещо в одному ядрі.
4. Модулі вибірки даних.Вони беруть інформацію з оперативної чи кеш-пам'яті. Здійснюють вони саме вибірку даних, яка потрібна на цей момент для виконання інструкції.
5. Керуючий блок.Сама назва говорить вже про важливість цього компонента. У ядрі він є найголовнішим елементом, оскільки розподіл енергії між усіма блоками, допомагаючи виконувати кожну дію вчасно.
6. Модуль збереження результатів.Призначений для запису після закінчення обробки інструкції RAM. Адреса збереження вказується в завдання, що виконується.
7. Елемент роботи із перериваннями.ЦП здатний виконувати відразу кілька завдань завдяки функції переривання, це дозволяє йому зупиняти хід однієї програми, переключаючись на іншу інструкцію.
8. реєстри.Тут зберігаються тимчасові результати інструкцій, цей компонент можна назвати невеликою швидкою пам'яттю. Часто її обсяг не перевищує кількасот байт.
9. Лічильник команд.Він зберігає адресу команди, яка буде задіяна на наступному такті процесора.

Системна шина

По системній шині CPU з'єднуються пристрої, що входять до складу ПК. До неї безпосередньо підключений лише він, інші елементи приєднуються через різноманітні контролери. У самій шині є безліч сигнальних ліній, якими відбувається передача інформації. Кожна лінія має свій власний протокол, що забезпечує зв'язок контролерів з іншими підключеними компонентами комп'ютера. Шина має свою частоту, відповідно, що вона вище, тим швидше відбувається обмін інформацією між сполучними елементами системи.

Кеш-пам'ять

Швидкодія ЦП залежить від можливості максимально швидко вибирати команди і дані з пам'яті. За рахунок кеш-пам'яті скорочується час виконання операцій завдяки тому, що вона відіграє роль тимчасового буфера, що забезпечує миттєву передачу даних CPU до оперативної пам'яті або навпаки.

Основною характеристикою кеш-пам'яті є її відмінність за рівнями. Якщо він високий, то пам'ять більш повільна і об'ємна. Найшвидшою і найменшою вважається пам'ять першого рівня. Принцип функціонування даного елемента дуже простий – CPU зчитує із ОЗУ дані та заносить їх у кеш будь-якого рівня, видаляючи при цьому ту інформацію, до якої зверталися давно. Якщо процесору потрібна буде ця інформація ще раз, він отримає її швидше завдяки тимчасовому буферу.

Сокет (роз'єм)

Завдяки тому, що процесор має власний роз'єм (гніздовий або щілинний), можна легко замінити його при поломці або модернізувати комп'ютер. Без наявності сокету ЦП просто впаювався в материнську плату, ускладнюючи подальший ремонт або заміну. Варто звернути увагу – кожен роз'єм призначений виключно для встановлення певних процесорів.

Часто користувачі з неуважності купують несумісні процесор та материнську плату, через що виникають додаткові проблеми.

Схожі поради

Ергономічна миша: опис, характеристики, фото Ергономічна миша

Усі етапи створення мультфільму на комп'ютері в домашніх умовах

«Живі картинки»: як роблять сучасні мультики

Програма зміни слів

Цікаві та дивовижні факти про клавіатуру Перша у світі клавіатура для комп'ютера

Контактна інформація органів контролю