Что такое электронный процессор. Что такое тактовая частота процессора. Энергопотребление и охлаждение

Центральный процессор является ключевым компонентом любого персонального компьютера. В этом материале мы расскажем об основных характеристиках современных процессоров, их технологических особенностях и базовых функциональных возможностях.

Введение

Любое компьютерное устройство, будь то ноутбук, настольный ПК или планшет состоит из нескольких важных компонентов, которые отвечают за его функциональные возможности и работоспособность в целом. Но, пожалуй, самым важным из них является центральный процессор (ЦП, ЦПУ или CPU) - устройство, отвечающее за все основные вычисления и выполняющее машинные инструкции (код программ). Недаром, именно процессор, считается мозгом компьютера и главной частью его аппаратного обеспечения.

Как правило, выбирая себе компьютер, мы в первую очередь обращаем внимание на то, какой именно процессор находится в его основе, так как от его производительности будут напрямую зависеть возможности и функциональность вашего будущего ПК. Именно поэтому, человек, который владеет информацией о современных производителях процессоров и тенденциях развития этого рынка, сможет грамотно определить не только возможности того или иного компьютерного устройства, но и оценить перспективность будущей покупки нового ПК или обновления старого.

Совершенно очевидно, что процессоры, установленные во всевозможных компьютерных и электронных устройствах, отличаются между собой не только своей производительностью, но и конструктивными особенностями, а так же принципами работы. В рамках этого цикла мы с вами будем знакомиться с процессорами, построенными на базе архитектуры x86 , которые лежат в основе большинства современных настольных компьютеров, ноутбуков и нетбуков, а так же некоторых планшетов.

Наверняка, у многих читателей, особенно тех, кто только начинает знакомиться с компьютером, существует определенное предубеждение, что разбираться во всех этих «процессорных премудростях» удел опытных пользователей, потому что это очень сложно. Но так ли все проблематично на самом деле?

С одной стороны, конечно процессор - это очень сложное устройство и досконально изучить все его технические характеристики действительно непросто. Еще больше усугубляет ситуацию тот факт, что количество моделей ЦП, которые вы сможете сейчас найти на современном рынке очень велико, так как одновременно в продаже присутствуют сразу несколько поколений чипов. Но с другой стороны, процессоры имеют всего несколько ключевых характеристик, разобравшись в которых, рядовой пользователь сможет самостоятельно оценить возможности той или иной модели процессора и сделать правильный выбор, не запутавшись во всем модельном разнообразии.

Основные характеристики процессоров

Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования моделей ранних изделий Intel - пользователи со стажем наверняка помнят еще 286-е (80286), 386-е (80386) и 486-е (80486) «персоналки», являвшиеся мечтой любого компьютерщика конца 80-ых, начала 90-ых годов.

На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD, VIA, SiS, Cyrix и многих других.

Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном рынке, являются:

• фирма производитель
• серия
• количество вычислительных ядер
• тип установочного разъема (сокет)
• тактовая частота.

Производитель (бренд) . На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intelсоставляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена.

Серия - является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.

На сегодняшний день в основе продукции компании Intelлежат пять основных семейств -Pentium (Dual-Core) , Celeron (Dual-Core) , Core i3, Core i5 и Core i7 . Первые три нацелены на бюджетные домашние и офисные решения, два последних лежат в основе производительных систем.

Процессор Intel Core i7

Несколько особняком от основных семейств держится линейка чипов Atom , отличающаяся от остальных низким энергопотреблением и невысокой стоимостью. Эти процессоры предназначены для установки в бюджетных системах, где не требуется высокая производительность, но необходимо малое потребление энергии. К таковым относятся нетбуки, неттопы, планшетные ПК и коммуникаторы.

Нельзя не упомянуть и еще об одном семействе процессоров компании из Санта-Клара - Core 2 . Не смотря на то, что оно уже не выпускается, и найти его в продаже можно лишь на различных «барахолках», до сих пор, у пользователей это семейство пользуется заслуженной популярностью, а многие нынешние домашние компьютеры оснащены процессорами именно этой серии.

Компания AMD, почитателям своей продукции, предлагает процессоры серий Athlon II , Phenom II , A-Series и FX-Series . Путь двух первых семейств подходит к логическому завершению, последние же два только набирают обороты. Кое-где еще можно встретить в продаже самые бюджетные процессоры Sempron , хотя их дни практически сочтены.

Процессор AMD FX-Series

Как и Intel, AMD имеет тоже свою «мобильную» серию под названием E- series , микропроцессоры которой характеризуются пониженным энергопотреблением и предназначены для установки в недорогие настольные и портативные ПК.

Количество вычислительных ядер . Еще в прошлом десятилетии разделение процессоров по количеству ядер не было вовсе, так как все они были одноядерными. Но времена меняются, и сегодня одноядерные ЦП можно назвать анахронизмом, а на смену им пришли многоядерные собратья. Самыми распространёнными из них являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами.

Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность, и как вы понимаете, чем их больше, тем она выше. Правда при работе со старым, неоптимизированным под многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать.

Тип разъема . Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных ПК, таковых семь - четыре для чипов Intel и три для AMD.

Основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров Intel считается LGA 1155. Самые производительные и продвинутые решения этой компании устанавливаются в разъем LGA 2011. Остальные два типа разъемов - LGA 775 и LGA 1156 доживают свои последние дни, так как выпуск процессоров под такие типы сокета практически прекращен.

Среди изделий AMD, на сегодняшний день самым используемым типом разъема можно назвать Socket AM3. Как правило, в него устанавливаются большинство бюджетных и самых ходовых продуктов компании. Правда эта ситуация в ближайшее время скорее всего измениться, так как все новейшие процессоры и производительные решения имеют разъемы Socket AM3+ и Socket FM1.

Кстати процессоры Intelи AMDможно очень просто отличить по одному характерному признаку, который вы возможно уже заметили, смотря на фотографии. Изделия компании AMD имеют на задней части множество штырьков-контактов, с помощью которых они подключаются к системной плате (вставляются в разъем). Intel же использует принципиально иное решение, так как контактные ножки находятся не на самом процессоре, в внутри разъема материнской платы.

Рассматривать разъемы здесь для мобильных решений мы не будем, так как это не имеет никакого практического смысла. Ведь тип сокета для пользователя важен только в том случае, если вы планируете самостоятельно произвести замену (апгрейд) процессора в вашем компьютере. В портативных же устройствах это сделать довольно затруднительно, да и сами мобильные версии процессоров купить в рознице практически невозможно.

Тактовая частота - характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может проделать в секунду. Правда, проводить сравнение производительности разных моделей процессоров только по показателю их тактовой частоты в корне неверно.

Дело в том, что для выполнения одной операции, разным чипам может потребоваться разное количество тактов. Кроме того, современные системы при вычислениях используют конвейерную и параллельную обработки, и могут за один такт выполнить сразу несколько операций. Все это приводит к тому, что разные модели процессоров, имеющие одинаковую тактовую частоту, могут показывать совершенно различную производительность.

Сводная таблица семейств процессоров для настольных ПК

Технологический процесс (технология производства)

При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях используется фотолитография - метод, которым с помощью литографического оборудования на тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого технологического процесса.

Intel

Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры? Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты).

Кремниевая пластина с чипами процессоров AMD

Первый процессор Intel с архитектурой x86, до сих пор являющейся основной для всех современных ЦП, был произведен в конце 70-ых годов с помощью техпроцесса равному 3 мкм (микрометра). К началу 2000-ых годов практически все ведущие производители микросхем, включая компании AMD и Intel, освоили 0,13 мкм или 130 нм - технологический процесс. Большинство современных процессоров изготавливаются по 32 нм - техпроцессу, а с середины 2012 года и по 22 нанометровой технологии.

Переход на более тонкий техпроцесс всегда является значимым событием для производителей микропроцессоров. Ведь это, как было отмечено ранее, приводит к снижению стоимости производства чипов и улучшению их ключевых характеристик, а значит, делает выпускаемую продукцию разработчика более конкурентоспособной на рынке.

Энергопотребление и тепловыделение

На ранней стадии своего развития микропроцессоры потребляли совсем небольшое количество энергии. Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал стремительно расти. Практически не учитываемый на первых порах фактор энергопотребления на сегодняшний день имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров.

Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, которое может привести к перегреву и выходу из строя, как самого процессора, так и окружающих его микросхем. Для отведения тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от количества выделяемого тепла процессором.

В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а для их охлаждения приходилось использовать массивные и шумные вентиляторы. Более того, средняя мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это значит что более половины ее должно было уходить на обслуживание «прожорливого» процессора.

Именно тогда стало понятно, что дальнейшее наращивание вычислительной мощности процессоров невозможно без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие снизить тепловыделение.

Процессоры, работающие на сверхвысоких тактовых частотах, приходится остужать вот такими гигантскими системами охлаждения.

Для оценки тепловыделения процессоров была введена величина, характеризующая требования к производительности систем охлаждения и получившая название TDP . TDP показывает на отвод какого количества тепла должна быть рассчитана та или иная система охлаждения при использовании с определенной моделью процессора. Например, TDP процессоров для мобильных ПК должно быть менее 45 Вт, так как использование в ноутбуках или нетбуках больших и тяжелых систем охлаждения невозможно.

На сегодняшний день, в эру расцвета портативных устройств (ноутбуки, неттопы, планшеты), разработчикам удалось добиться колоссальных результатов на поприще снижения энергопотребления. Этому поспособствовали: переход на более тонкий технологический процесс при производстве кристаллов, внедрение новых материалов для снижения токов утечки, изменение компоновки процессоров, применение всевозможных датчиков и интеллектуальных систем, отслеживающих температуру и напряжения, а так же внедрение других технологий энергосбережения. Все эти меры позволяют разработчикам продолжать наращивать вычислительные мощности процессоров и использовать более производительные решения в компактных устройствах.

На практике, учитывать тепловые характеристики процессора при покупке стоит, если вы хотите собрать бесшумную компактную систему, или например, желаете что бы будущий ноутбук работал как можно дольше от аккумулятора.

Архитектура процессоров и кодовые имена

В основе каждого процессора лежит так называемая процессорная архитектура - набор качеств и свойств, присущий целому семейству микрочипов. Архитектура напрямую определяет внутреннюю конструкцию и организацию процессоров.

По сложившейся традиции, компании Intelи AMD дают своим различным процессорным архитектурам кодовые имена. Это более точно позволяет систематизировать современные процессорные решения. Например, процессоры одного семейства с одинаковой тактовой частотой и количеством ядер могут быть изготовлены с применением разного технологического процесса, а значит иметь разную архитектуру и производительность. Так же применение звучных имен в названиях архитектур дает возможность производителям более эффектно презентовать, нам пользователям, свои новые разработки.

Разработки Intel носят географические названия мест (гор, рек, городов и т.д.), находящихся недалеко от мест размещения ее производственных структур, ответственных за разработку соответствующей архитектуры. Например, первые процессоры Core 2 Duo были построены на архитектуре Conroe (Конрой), которая получила свое название в честь города, расположенного в американском штате Техас.

Компания AMD какой-либо четкой тенденции формирования имен для своих разработок не имеет. От поколения к поколению тематическая направленность может изменяться. Например, новые процессоры компании носят кодовые имена Liano и Trinity.

Многоуровневый кэш

В процессе выполнения вычислений, микропроцессору необходимо постоянно обращаться к памяти для чтения или записи данных. В современных компьютерах функцию основного хранения данных и взаимодействия с процессором выполняет оперативная память.

Не смотря на высокую скорость обмена данными между двумя этими компонентами, процессору часто приходиться простаивать, ожидая запрошенную у памяти информацию. В свою очередь это приводит к снижению скорости вычислений и общей производительности системы.

Для улучшения этой ситуации, все современные процессоры имеют кэш - небольшой промежуточный буфер памяти с очень быстрым доступом, использующейся для хранения наиболее часто запрашиваемых данных. Когда процессору становятся необходимы какие-то данные, он сначала ищет их копии в кэше, так как оттуда выборка необходимой информации произойдет гораздо быстрее, чем из оперативной памяти.

Большинство микропроцессоров для современных компьютеров имеют многоуровневый кэш, состоящий из двух или трех независимых буферов памяти, каждый из которых отвечает за ускорения определенных процессов. Например, кэш первого уровня (L1) может отвечать за ускорение загрузки машинных инструкций, второго (L2) - ускорение записи и чтения данных, а третьего (L3) - ускорение трансляции виртуальных адресов в физические.

Одной из самых основных проблем, стоящих перед разработчиками, является нахождение оптимальных размеров кэша. С одной стороны, большой кэш может содержать больше данных, а значит процент того, что процессор найдет среди них нужные - выше. С другой стороны, чем больше размер кэша, тем больше задержка при выборке данных из него.

Поэтому, кэши разных уровней имеют разный размер, при этом кэш первого уровня - самый маленький, но и самый быстрый, а третьего - самый большой, но и самый медленный. Поиск данных в них происходит по принципу от меньшего к большему. То есть процессор сначала пытается найти необходимую ему информацию в кэше L1, затем в L2 и потом в L3 (при его наличии). При отсутствии нужных данных во всех буферах происходит обращение к оперативной памяти.

В целом, эффективность работы кэша, особенно 3-его уровня, зависит от характера обращения программ к памяти и архитектуры процессора. Например, в некоторых приложениях наличие кэша L3 может принести 20%-ый прирост производительности, а в некоторых не сказаться вовсе. Поэтому, на практике вряд ли стоит руководствоваться характеристиками многоуровневого кэша, при выборе процессора для своего компьютера.

Встроенная графика

С развитием технологий производства и как следствие уменьшением размеров чипов, у производителей появилась возможность размещать внутри процессора дополнительные микросхемы. Первой из таковых, стало графическое ядро, отвечающее за вывод изображения на монитор.

Такое решение позволяет снизить общую стоимость компьютера, так как в этом случае нет необходимости использовать отельную видеокарту. Очевидно, что гибридные процессоры ориентированы на использование в бюджетных системах и корпоративном секторе, где производительность графической составляющей вторична.

Первый пример интеграции видеопроцессора в «нормальный» ЦП продемонстрировала компания Intel в начале 2010 года. Конечно, никакой революции это не принесло, так как до этого момента графика уже давно и успешно интегрировалась в чипсеты материнских плат.

Когда-то разница по функционалу между интегрированной и дискретной графикой была принципиальной. На сегодняшний же день можно говорить лишь о разной производительности этих решений, так как встроенные видеочипы способны выводить изображения на несколько мониторов в любых доступных разрешениях, выполнять 3D-ускорение и аппаратное кодирование видео. По сути, интегрированные решения по своей производительности и возможностям можно сравнить с младшими моделями видеокарт.

Компания Intel интегрирует в свои процессоры графическое ядро под незатейливым названием IntelHDGraphics собственной разработки. При этом процессоры Core 2, Celeron и старшие модели Core i7 встроенных графических ядер не имеют.

AMD, осуществив слияние в 2006 году с гигантом по производству видеокарт, канадской компанией ATI, встраивает в свои решения видеочипы семейства Radeon HD. Более того, некоторые новые процессоры компании представляют собой объединение процессорных ядер x86 и графических Radeonна одном кристалле. Единый элемент, созданный путем слияния центрального (CPU) и графического (GPU) процессоров получил название APU, Accelerated Processor Unit (ускоренный процессорный элемент). Именно так (APU) теперь и называют процессоры A и E-серий.

В общем, интегрированные графические решения от компании AMDявляются более производительными, чем Intel HD и выглядят предпочтительнее в игровых приложениях.

Режим Turbo

Многие современные процессоры оснащены технологией, позволяющей им в некоторых случаях автоматически увеличивать тактовую частоту выше номинальной, что приводит к увеличению производительности приложений. Фактически данная технология является «саморазгоном» процессора. Время работы системы в режиме Turbo зависит от условий эксплуатации, рабочей нагрузки и конструктивных особенностей платформы.

Компания Intel в своих процессорах использует собственную технологию интеллектуального разгона под названием Turbo Boost. Используется она в производительных семействах Core i5 и Core i7.

Отслеживая параметры, связанные с нагрузкой на ЦПУ (напряжение и сила тока, температура, мощность), встроенная система управления повышает тактовую частоту ядер в случае, когда максимальный тепловой пакет (TDP) процессора еще не достигнут. При наличии незагруженных ядер они отключаются и освобождают свой потенциал для тех, которые используются приложениями. Чем меньше ядер задействовано в вычислениях, тем выше поднимается тактовая частота чипов, участвующих в вычислениях. Для однопоточных приложений ускорение может составлять 667 МГц.

AMD так же имеет свою технологию динамического разгона наиболее нагруженных ядер и применяет ее только в своих 6 и 8-ядерных чипах, к котором относятся серии Phenom II X6 и FX. Называется она Turbo Core и способна работать только в том случае, если в процессе вычислений количество загруженных ядер составляет меньше половины от их общего числа. То есть в случае 6-ядерных процессоров, число неактивных ядер должно быть не менее трех, а 8-ядерных - четырех. В отличие от Intel Turbo Boost, в этой технологии на прирост частоты не влияет количество свободных ядер и он всегда одинаков. Его величина зависит от модели процессора и колеблется от 300 до 600 МГц.

Заключение

В заключении давайте попробуем применить практически полученные знания с пользой. Например, в одном популярном магазине компьютерной электроники продаются два процессора Intel Core i5 cодинаковой тактовой частотой 2.8 ГГц. Давайте посмотрим на их описания, взятые с сайта магазина, и попробуем разобраться в их отличиях.

Если внимательно посмотреть на скриншоты, то несмотря на то, что оба процессора относятся к одному семейству общего у них не так уж много: тактовая частота, да количество ядер. Остальные характеристика рознятся, но первое на что стоит обратить внимание - это типы разъемов, в которые устанавливаются оба процессора.

Intel Core i5 760 имеет разъем Socket 1156, а значит относится к устаревшему поколению процессоров. Покупка его будет оправдана только в том случае, если у вас уже стоит в компьютере материнская плата с таким гнездом, и менять ее вы не хотите.

Более новый Core i5 2300 произведен уже по более тонкому техпроцессу (32 нм против 45 нм), а значит, имеет и более совершенную архитектуру. Несмотря на несколько меньший L3 кэш и «саморазгон» этот процессор наверняка не уступит в производительности своему предшественнику, а наличие встроенной графики позволит обойтись без приобретения отдельной видеокарты.

Несмотря на то, что у обоих процессоров тепловыделение указано одинаковым (95 Вт), Core i5 2300 в равных условиях будет холоднее своего предшественника, так как мы уже знаем, что более современный технологический процесс обеспечивает меньшее энергопотребление. В свою очередь это увеличивает его разгонный потенциал, что не может не радовать компьютерных энтузиастов.

А теперь давайте рассмотрим пример на базе процессоров AMD. Здесь мы выбрали специально процессоры из двух разных семейств - Athlon II X4 и Phenom II X4. По идее линейка Phenom является более производительной, чем Athlon, но давайте посмотрим на их характеристики и решим, все ли так однозначно.

Из характеристик видно, что оба процессора имеют одинаковые тактовую частоту и количество вычислительных ядер, практически идентичное тепловыделение, а так же у обоих отсутствует встроенное графическое ядро.

Первое различие, которое сразу бросается в глаза - процессоры устанавливаются в разные разъемы. Не смотря на то, что оба они (разъемы) на данный момент активно поддерживаются производителями системных плат, из этой пары Socket FM1 выглядит несколько предпочтительнее с точки зрения будущей модернизации, так как туда можно установить новые процессоры (APU) A-серии.

Еще одним плюсом Athlon II X4 651 является более тонкий и современный технологический процесс, по которому он был произведен. Phenom II отвечает наличием Turbo-режима и кэша третьего уровня.

В итоге, ситуация складывается неоднозначная и здесь ключевым фактором может стать розничная цена, которая у процессора из линейки Athlon II на 20-25% меньше, чем у Phenom II. А с учетом более перспективной платформы (Socket FM1) покупка Athlon II X4 651 выглядит более привлекательной.

Конечно, что бы более однозначно говорить о преимуществах тех или иных моделей процессоров, необходимо знать на базе какой архитектуры они изготовлены, а так же их реальную производительность в различных приложениях, измеренную на практике. В следующем материале, мы рассмотрим подробно современные модельные ряды микропроцессоров Intel и AMD для настольных ПК, познакомимся с характеристиками различных семейств CPU, а так же приведем сравнительные результаты их производительности.

Пожалуй, ключевым достоинством персонального компьютера как платформы является его впечатляющая гибкость и возможности кастомизации, которые сегодня, благодаря появлению новых стандартов и типов комплектующих, кажутся практически безграничными. Если лет десять назад, произнося аббревиатуру "ПК", можно было с уверенностью представить себе белый железный ящик, опутанный проводами и жужжащий где-то под столом, то сегодня столь однозначных ассоциаций нет и быть не может.

Сегодняшний ПК может быть мощной рабочей станцией, ориентированной на производительность в вычислениях или рабочей машиной дизайнера, "заточенной" под качество двухмерной графики и быструю работу с данными. Может быть топовой игровой машиной или скромной мультимедийной системой, живущей под телевизором...

Иначе говоря, у каждого ПК сегодня свои задачи, которым соответствует тот или иной набор железа. Но как выбрать подходящее?

Начинать следует с центрального процессора. Видеокарта определит производительность системы в играх (и ряде рабочих приложений, использующих вычисления на GPU). Материнская плата - формат системы, её функционал "из коробки" и возможности подключения комплектующих и периферийных устройств. Однако именно процессор определит возможности системы в повседневных домашних задачах и работе.

Давайте рассмотрим, что важно при выборе процессора, а что - нет.

На что НИКОГДА не нужно обращать внимание

Производитель процессора

Как и в случае с видеокартами (да, впрочем, и со многими другими девайсами), наши соотечественники всегда рады превратить обыкновенный потребительский товар в нечто, что можно поднять на штандарты и пойти войной на сторонников противоположного лагеря. Можете представить себе ситуацию, в которой любители маринованных огурцов и консервированных помидоров разделили магазин баррикадой, покрывают друг друга последними словами и частенько прибегают к рукоприкладству? Согласитесь, звучит как полный бред... однако в сфере компьютерных комплектующих такое происходит сплошь и рядом!

Причем, как и любые сектанты, фанаты брендов видят мир исключительно разделенным на чёрное и белое. Все, абсолютно все товары с их любимым логотипом - это абсолютный идеал и само совершенство, а противоборствующие им решения - само воплощение зла, вместилище всех возможных недостатков.

О том, что у каждого из двух производителей центральных процессоров - соответственно, Intel и AMD , - есть полностью сформированные линейки продуктов, состоящие из совершенно разных по характеристикам девайсов с совершенно разной стоимостью, сектанты предпочитают умалчивать. Как, собственно, и о том, что в разных ценовых сегментах реальный лидер может меняться.

Рекомендация №1: Планируя сборку нового ПК или апгрейд старого, определитесь в первую очередь с бюджетом. Посчитайте сумму, которая у вас есть на руках, добавьте к ней некий резерв, который вы, в случае необходимости готовы добавить, а затем посмотрите, какие модели центральных процессоров в этот бюджет вписываются.

Чётко осознайте, что вы выбираете именно эти модели, и вам важны именно их характеристики. Что происходит, и кто лидирует в сегментах выше или ниже вашего бюджета - вас не касается. Вам важно только то, сколько производительности вы получите сейчас, за имеющиеся деньги.

"Игровой" или "не игровой" процессор

У процессора нет такой характеристики или функции, которая позволяла или не позволяла бы ему запускать игры (хотя родители некоторых покупателей с радостью бы за неё заплатили). У него есть производительность, которой может оказаться достаточно или недостаточно для комфортной игры. Разделение же на игровые и не игровые модели - не более чем искусственный маркетинг. Причём разделение весьма странно и зачастую не соответствует реальным возможностям ЦПУ.

Рекомендация №2: Какие бы цели вы ни ставили перед будущим ПК - будет ли он игровой системой, рабочей станцией или основным элементом домашней мультимедийной системы - руководствуйтесь самым простым параметром: тем, насколько производительности процессора достаточно для этих задач.

Раскрывашки

Кризисный 2016 год, в который упали доходы населения, а следовательно, и продажи всего и вся, включая центральные процессоры, "подарил" нам очередной миф, который теперь надолго засядет в интернетах. А уж в сознании рядовых покупателей - и того дольше.

Суть явления проста: "старые процессоры с новыми видеокартами работать не могут, бегите все покупать новые!". Особенно доставляют здесь рекомендации заменить вполне годные и актуальные процессоры Core i5 старых поколений на процессоры Core i3 новых поколений, которые по всем параметрам хуже. Ну, и, разумеется, советы потратить 40 тысяч на апгрейд платформы ради игр с видеокартой за 20 тысяч.

Рекомендация №3: Собственно, и . Задача любой раскрывашки - не помочь вам выбрать подходящий процессор, а "втюхать" девайс поновее и подороже, желательно в комплекте с материнской платой и памятью. Увидите раскрывашку - отойдите в сторонку и не слушайте. Иначе себе дороже выйдет.

Что ИНОГДА может оказаться важным

OEM и BOX-комплектация, она же "система охлаждения в комплекте"

Центральные процессоры могут поставляться в двух вариантах: "боксовой" и OEM-комплектации . Разница предельно проста: "бокс" - это, собственно, коробка, в которой, помимо самого процессора, находятся гарантийный талон и штатная система охлаждения (хотя в редких случаях вроде процессоров FX 9000-ой серии она может отсутствовать). OEM - это просто процессор, абсолютно без всего. Ни коробки, ни кулера, ни гарантийного талона.

Вызвано это тем, что OEM-комплектация по замыслу производителя процессора предназначается для фирм, собирающих и продающих готовые ПК. Процессоры в данном случае приобретаются большими партиями и поставляются в паллетах, вмещающих по 20 с лишним штук. Опять же, по логике производителя, из этих паллетов они должны попадать сразу в компьютеры.

Но в нашей стране процессор в OEM-комплектации можно свободно купить в рознице (см. гневные отзывы на тему "Вынесли процессор в пакетике" ). Такая комплектация дешевле боксовой, и порой - очень существенно.

Рекомендация №4: Боксовая комплектация - это всегда компромисс. Штатный кулер - не самый эффективный, не самый тихий и уж совершенно точно - не самый выгодный по цене. Кого-то может подкупить более длительный срок гарантии у "бокса" против OEM, однако процессор - устройство крайне живучее, и сломать его ой как непросто (разве что целенаправленно и механически). Если он прожил у вас первый день - с 95% вероятностью проживёт и следующие 10 лет. Альтернативные кулеры, опять же, могут оказаться и дешевле, и эффективнее штатного.

С другой стороны, всё упирается в цену. Если стоимость "бокса" лишь немногим выше OEM - берите бокс, хуже от этого не будет.

Свободный множитель и частота процессора

Далеко не каждому пользователю даже самого обычного игрового ПК интересен разгон, не говоря уже о платформах, на которых оный разгон вообще не нужен или противопоказан. Тем не менее, в отдельных случаях этот параметр может оказаться полезным.

Частота современных процессоров складывается из двух параметров: базовой частоты, задаваемой системной шиной, и множителя, который варьируется от модели к модели. Соответственно, изменяя один из двух параметров или оба сразу, мы можем изменять итоговую тактовую частоту процессора и его производительность. Тем не менее, далеко не все современные платформы позволяют разгонять процессор по шине (а еще меньше платформ позволяют делать это официально). Так что, если вы заранее планируете разгон - выбирайте модели ЦПУ с разблокированным множителем , этим вы сильно облегчите себе задачу.

Что же касается тактовой частоты процессора (как базовой , так и в турбо-режиме ) - это весьма специфический параметр. При прочих равных условиях - да, производительность процессоров определяется частотой. Например, если мы сравниваем два процессора из линейки Core i5 , относящихся к одному и тому же поколению и основанных на одном и том же ядре, быстрее будет тот, у которого выше частота.

Но если сравнивать Core i5 с Core i3 того же поколения или с Core i5 предшествующего поколения - частота вовсе не будет определяющим фактором! В первом случае важно будет количество исполнительных блоков, во втором - архитектурные различия и поддержка отдельных технологий и инструкций.

Рекомендация №5: Свободный множитель - параметр полезный, но далеко не для всех. Нужен он вам или нет - зависит от ситуации, и однозначных рекомендаций тут дать нельзя. Что же касается частоты - пользуйтесь этим параметром с осторожностью. Он важен только в том случае, если все остальные параметры одинаковы.

Интегрированное графическое ядро

Большинство современных процессоров за редкими исключениями оснащается встроенной графикой . У некоторых покупателей это вызывает недовольство - мол, зачем это я переплачиваю за то, чем не буду пользоваться? Однако в реальности встроенное графическое ядро не отнимает, а ЭКОНОМИТ ваши деньги.

Как так? Всё просто. Купили вы компьютер с мощным процессором, оверклокерской материнской платой и большим объемом памяти, а покупку игровой видеокарты отложили на потом. Всего лет 8-10 назад в такой ситуации вам пришлось бы искать на барахолках "затычку" для слота - устаревшую или слабую видеокарту, на которой можно было пересидеть, пока не будет приобретен более мощный современный девайс. Просто потому, что иначе компьютер бы не работал - не умели тогда процессоры выводить видео, а топовые материнские платы и встроенное видео были вещами несовместимыми.

Сегодня же - вы просто подключаете монитор к выходам на материнской плате и используете ПК, не тратя лишнее время и деньги. Более того - производительность современной встроенной графики такова, что нетребовательным пользователям и тем, кому компьютер нужен не для игр видеокарта и вовсе не нужна!

Особняком здесь стоят APU компании AMD . Их ключевое преимущество - именно мощная встроенная графика, что делает эти процессоры отличным вариантом для HTPC и мультимедийных систем, но в то же время их использование с дискретным видео теряет всякий смысл. Справедливости ради - топовые модели современных процессоров Intel оснащаются видеоядром не хуже, но стоят куда дороже APU, а производительность их процессорной части для HTPC крайне избыточна.

Кто же сегодня живёт без встроенной графики? Это топовые процессоры Intel для платформы LGA 2011-3 - им по статусу положено работать либо с мощнейшими игровыми видеокартами, либо с профессиональными ускорителями вычислений. Также лишены графики процессоры AMD под уходящую уже платформу AM3+ . И процессоры семейства Athlon II - те же самые APU, только с отключенной графической частью: экстремально дешёвые и столь же производительные за свой ценник.

Кроме того, без встроенной графики обходятся некоторые (но далеко не все) процессоры Intel Xeon , выполненные под мейнстримовые платформы LGA 115x. Об этих процессорах стоит сказать особо. Несмотря на "серверное" имя, они фактически являются аналогами десктопных Core i5/i7. Существенные различия - возможность установки в материнские платы, поддерживающие мультипроцессорные конфигурации и поддержка оперативной памяти с коррекцией ошибок (ECC).

Рекомендация №6: Бояться встроенной графики не стоит - это отличный бонус, который к тому же скоро станет стандартом для всех платформ за исключением LGA 2011-3 и возможно, её потомков. Встроенное ядро может оказаться очень полезным в отдельных случаях или вовсе избавить вас от необходимости покупать дискретную видеокарту. Но и гоняться за ним не стоит: у процессоров без встроенной графики тоже может оказаться немало достоинств.

Что вам ДЕЙСТВИТЕЛЬНО важно знать

Сокет

Сокет - это разъём, в который процессор устанавливается на материнской плате. Как и любой другой разъём, он имеет определённые физические размеры, конструкцию, количество контактов и так далее. Соответственно, за редкими исключениями, установить в один сокет можно только одно семейство процессоров. Например, процессор под сокет AM4 в материнскую плату с сокетом FM2+ или LGA 1151 установить невозможно чисто физически (вернее, один раз возможно, но после этого вам потребуются и новый процессор, и новая материнская плата).

Соответственно, выбор сокета определяет то, какие процессоры вам будут доступны на момент покупки, и какие вы сможете установить в будущем (и сможете ли вообще). От него зависит производительность системы, возможности и цена будущего апгрейда, а нередко - и количество периферийных устройств, которые можно установить в ПК.

Рекомендация №7 : Определитесь с тем, что вы хотите получить от ПК. Да, некоторые современные платформы абсолютно универсальны (а некоторые будущие платформы - обещают быть такими) и гибко настраиваются под любые задачи при наличии должного количества денег, но это вовсе не значит, что у них нет аналогов. Некоторые ваши задачи могут быть решены гораздо меньшими тратами, а некоторые - гораздо эффективнее при тех же тратах.

Если вы выбираете процессор под уже имеющуюся материнскую плату - не поленитесь потратить несколько минут на то, чтобы зайти на официальный сайт производителя и посмотреть список совместимых с ней моделей ЦПУ. Это бесплатно, совершенно не сложно, и не требует никаких специальных знаний, но в ряде случаев поможет вам сэкономить время и деньги.

Бывает так, что процессор совпадает по сокету, но при этом вовсе не поддерживается материнской платой, или для запуска требует обновления микрокода биос. Второе можно сделать заранее перед покупкой нового ЦПУ, а первое лучше узнать сразу, чем потом возвращать в магазин исправный товар, в несовместимости которого с вашим железом не виноваты ни вы, ни сотрудники магазина.

Также бывают случаи, когда процессор номинально поддерживается, но на деле не может работать в конкретной материнской плате - например, когда подсистема питания материнской платы слишком слабая, а процессор наоборот, слишком прожорлив и требователен к питанию. Об этом тоже лучше узнать заранее, чем потом бороться с последствиями.

Если же вы выбираете процессор под абсолютно новую систему, обращать внимание следует на актуальные сокеты:

AM1 - платформа AMD, предназначенная для неттопов, встраиваемых систем и мультимедийных ПК начального уровня. Как и все APU, отличается наличием сравнительно мощной встроенной графики, что и является основным преимуществом.

AM4 - универсальная платформа AMD для мейнстрим-сегмента. Объединяет десктопные APU и мощные ЦПУ семейства Ryzen, благодаря чему позволяет собирать ПК буквально под любой бюджет и потребности пользователя.

TR4 - флагманская платформа AMD, предназначенная под процессоры Threadripper. Это продукт для профессионалов и энтузиастов: 16 физических ядер, 32 потока вычислений, четырёхканальный контроллер памяти и прочие впечатляющие цифры, дающие серьёзный прирост производительности в рабочих задачах, но практически не востребованные в домашнем сегменте.

LGA 1151_v2 - сокет, который ни в коем случае нельзя путать с обычным LGA 1151 (!!!). Являет собой актуальную генерацию мейнстримовой платформы Intel, и наконец-то привносит в потребительский сегмент процессоры с шестью физическими ядрами - этим и ценен. Однако обязательно следует помнить, что процессоры Coffee Lake нельзя установить в платы с чипсетами серий 200 и 100, а старые процессоры Skylake и Kaby Lake - в платы с чипсетами серии 300.

LGA 2066 - актуальная генерация платформы Intel, предназначенной для профессионалов. Также может быть интересна в качестве платформы для постепенного апгрейда. Младшие процессоры Core i3 и Core i5 практически ничем не отличаются от аналогов под LGA 1151 первой версии и стоят относительно доступно, но впоследствии их можно заменить на Core i7 и Core i9.

Количество ядер

Этот параметр требует множества оговорок, и его следует применять с осторожностью, однако именно он позволяет более-менее логично выстроить и дифференцировать центральные процессоры.

Модели с двумя вычислительными ядрами , а также с двумя физическими ядрами и четырьмя виртуальными потоками вне зависимости от тактовой частоты, степени динамического разгона, архитектурных преимуществ и фанатских мантр сегодня прочно обосновались в сегменте офисных ПК, причём даже там - не на самых ответственных местах. Всерьёз говорить об использовании таких ЦПУ в игровых машинах, а уж тем более - в рабочих станциях сегодня не приходится.

Процессоры с четырьмя вычислительными ядрами выглядят немного актуальнее, и могут удовлетворить запросы как офисных работников, так и не самых требовательных домашних пользователей. На них вполне можно собрать бюджетный игровой ПК, хотя в современных тайтлах производительность будет ограничена, а одновременное выполнение нескольких операций - к примеру, запись игрового видео, - будет невозможно или приведёт к заметному падению фпс.

Оптимальный вариант для дома - процессоры с шестью ядрами . Они способны обеспечивать высокую производительность в играх, не падают в обморок при выполнении нескольких ресурсоёмких задач одновременно, позволяют использовать ПК в качестве домашней рабочей станции, и при всём этом - сохраняют вполне доступную стоимость.

Процессоры с восемью ядрами - выбор тех, кто занят более серьёзными задачами, нежели игры. Хотя и с развлечениями они справятся без проблем, заметнее всего их преимущества - в рабочих приложениях. Если вы занимаетесь обработкой и монтажом видео, рисуете сложные макеты для полиграфии, проектируете дома или другие сложные конструкции, то выбирать стоит именно эти ЦПУ. Излишка производительности вы не заметите, а вот быстрая обработка и отсутствие зависаний в самый ответственный момент - определённо вас порадуют.

Процессоры с 10 и 16 ядрами - это уже серверный сегмент и весьма специфические рабочие станции, от предыдущего варианта отличающиеся примерно как работа дизайнера спецэффектов для большого кино от работы монтажера роликов на youtube (собственно, примерно там и используются). Однозначно рекомендовать или наоборот, отговаривать от их покупки сложно. Если вам реально требуется такая производительность - вы уже знаете, как и где будете её применять.

Рекомендация №8: Количество ядер - не самый чёткий параметр, и не всегда он позволяет отнести к одной группе процессоры с близкими характеристиками. Тем не менее, при выборе процессора стоит ориентироваться на этот параметр.

Производительность

Итоговый и самый важный параметр, которого, увы, нельзя найти ни в одном каталоге магазина. Тем не менее, в итоге именно он определяет, подойдет ли вам тот или иной процессор, и насколько эксплуатация ПК на его основе будет соответствовать вашим первоначальным ожиданиям.

Прежде, чем отправляться в магазин за процессором, который вам вроде бы подходит, не поленитесь изучить его детальные тесты. Причем "детальные" - это не видосики на ютубе, показывающие вам то, что вы должны увидеть по замыслу их автора. Детальные тесты - это масштабное сравнение процессора в синтетических бенчмарках, профессиональном софте и играх, проводимое по чёткой методике с участием всех или большинства конкурирующих решений.

Как и в случае с видеокартами, чтение и анализ подобных материалов поможет вам определить, стоит ли тот или иной процессор своих денег, и на что, при возможности, его можно заменить.

Рекомендация №9: Потратив пару вечеров на чтение и сравнение информации из разных источников (важно, чтобы они были авторитетными, и весьма желательно - зарубежными), вы сделаете аргументированный выбор и избавите себя от множества проблем в будущем. Поверьте, оно того более чем стоит.

Критерии и варианты выбора:

Согласно изложенным выше критериям, ЦПУ из каталога DNS можно распределить следующим образом:

Процессоры AMD Sempron и Athlon под сокет AM1 подойдут для сборки бюджетных мультимедийных ПК, встраиваемых систем и тому подобных задач. К примеру, если вы хотите установить в машину полноценный ПК с десктопной операционной системой или собрать небольшой неттоп, который будет скрытно жить в недрах дачного дома или гаража - стоит обратить внимание на эту платформу.

Для офисных ПК подойдут двухъядерные процессоры Intel Celeron , Pentium и Core i3 . Их преимуществом в данном случае выступит наличие встроенного графического ядра. Производительность последнего достаточна для вывода необходимой информации и ускорения работы браузеров, но совершенно недостаточна для игр, которых на рабочем месте всё равно быть не должно.

Для домашнего мультимедийного ПК лучшим выбором окажутся APU от AMD, предназначенные под актуальный сокет AM4. Представители линеек A8, A10 и А12 объединяют под одной крышкой четырёхъядерный процессор и весьма неплохую графику, которая может уверенно соперничать с бюджетными видеокартами. ПК на этой платформе можно сделать весьма компактным, но его производительности хватит для воспроизведения любого контента, а также целого ряда рабочих задач и немалого перечня игр.

Для бюджетного игрового ПК подойдут четырёхъядерные процессоры AMD Ryzen 3 и четырёхъядерные Core i3 под сокет LGA 1151_v2 (не путать с двухъядерными Core i3 под сокет LGA 1151 !!!). Производительности этих процессоров достаточно для любых домашних задач и большинства игр, однако грузить их серьёзной работой или пытаться выполнять несколько ресурсоёмких задач одновременно всё же не стоит.

Для бюджетной рабочей станции компромиссным вариантом могут стать четырёхъядерные процессоры AMD Ryzen 5 . Помимо физических ядер, они предлагают и виртуальные потоки вычислений, что в итоге позволяет выполнять операции в восемь потоков. Разумеется, это не так эффективно, как физические ядра, но вероятность увидеть 100% загрузку процессора и падение фпс ниже играбельного при записи или прямой трансляции геймплея здесь гораздо ниже, чем у предыдущих двух вариантов. Да и последующий монтаж оного видео пройдёт быстрее.

Оптимальный выбор для домашнего игрового ПК - шестиядерные процессоры AMD Ryzen 5 и Intel Core i5 под сокет LGA 1151_v2 (не путать с их четырёхъядерными предшественниками!!!). Стоимость этих ЦПУ вполне гуманна, их даже можно назвать относительно доступными, в отличие от топовых линеек Ryzen 7 и Core i7. А вот производительности - вполне хватает, чтобы играть в любые интересные пользователю игры и работать на дому. Причем даже одновременно, если будет такое желание.

Для топовых игровых ПК или рабочих станций без претензий на избранность и элитарность подойдут процессоры AMD Ryzen 7 и Intel Core i7 , имеющие, соответственно, 8 ядер/16 потоков и 6 ядер/12 потоков. Относясь к мейнстримовым платформам, эти процессоры всё ещё относительно доступны и не требуют дорогостоящих материнских плат, блоков питания и кулеров. Однако их производительности достаточно практически для всех задач, которые может поставить перед ПК рядовой пользователь.

Если же её всё-таки будет недостаточно - для высокопроизводительных рабочих станций предназначены процессоры AMD Ryzen Threadripper , предназначенные для установки в сокет TR4, и топовые модели процессоров Intel под сокет LGA 2066 - Core i7 и Core i9 , имеющие по 8, 10, 12 и более физических ядер. Помимо этого, процессоры предлагают четырёхканальный контроллер памяти, что важно для ряда профессиональных задач, и до 44 линий PCI-express, позволяющих подключать много периферии, не теряя в скорости обмена данными. Рекомендовать эти ЦПУ для домашнего использования не получается и в силу их цены, и благодаря "заточенности" под многопоток и профессиональные задачи. А вот в работе процессоры под топовые платформы могут буквально в разы опережать своих десктопных собратьев.

Сегодня миллионы жителей развитых стран имеют в своих домах один или даже несколько персональных компьютеров и ноутбуков, что неудивительно, так как эти устройства сегодня используются в самых разных целях: от развлекательных до научных и коммуникационных. Однако значительная часть обладателей ПК не знает их устройства, так как при возникновении проблем предпочитает обращаться к специалистам. Такой подход вполне обоснован. Но все же стоит узнать, из каких основных компонентов состоит этот железный и интеллектуальный “друг” человека. Например, многих интересует, что такое процессор (CPU), каких видов он бывает и как его правильно выбрать.

Где у ПК мозги

Очевидно, что для того, чтобы слажено и без вмешательства человека осуществлять огромное количество операций, необходим некий управляющий центр, который будет, подобно мозгу, передавать команды различным компонентам системы и периферическим устройствам. В компьютере эта роль отведена процессору, который выполняет все логические и арифметические операции, задаваемые особой программой. Кроме того, он осуществляет управление всеми другими устройствами ПК.

Как устроен

Чтобы понять, что такое процессор компьютера, следует узнать, как он устроен. В отличие от своих аналогов прошлых десятилетий, современные устройства такого типа имеют миниатюрные размеры. На первый взгляд микропроцессор — это прямоугольная тонкая пластинка из прочного кристаллического кремния. На ее сравнительно небольшой площади расположены схемы, обеспечивающие функциональность “мозга” персонального компьютера. Пластинка заключена в керамический или пластмассовый плоский корпус, к которому она подсоединяется посредством очень тонких золотых проводков, снабженных металлическими наконечниками. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.

Компоненты

Кто уже узнал, что такое процессор, хотят понять, из каких составляющих он состоит. Несмотря на свои небольшие размеры, данное устройство включает множество компонентов. В их числе:

• шины адресов;
• регистры;
• шины данных;
• арифметико-логическое устройство;
• кэш, или быстрая память, имеющая небольшой объем 8-512 кбайт;
• математический сопроцессор;
• счетчики команд.

Ядро процессора

Под данным термином скрывается множество понятий. Если речь идет о том, что такое процессор и из каких частей он состоит, то ядро — это его составляющая, предназначенная для выполнения одного потока команд. Кроме того, есть многоядерные варианты, способные выполнять несколько потоков команд.

К "ядерным" характеристикам относятся:

• система команд;
• микроархитектура;
• количество функциональных блоков;
• напряжение питания;
• объем встроенной кэш-памяти;
• площадь кристалла;
• логический и физический интерфейс;
• максимальное и типичное тепловыделение;
• тактовые частоты;
• технология производства.

В то же время в физическом смысле под словами “ядро процессора” понимают его часть, содержащую основные функциональные блоки или обычно открытый кристалл микропроцессора. В любом случае это - необходимая часть “мозга” ПК. Таким образом, вопрос "что такое ядерный процессор" звучит несколько некорректно, если, конечно, рассматривается только CPU, а не все те устройства и программы, которые также называются процессорами.

Системная шина

Тот, кто уже узнал, что такое процессор компьютера, наверняка, заинтересуется и тем, посредством чего он осуществляет управление остальными компонентами ПК. Очевидно, что такая задача под силу только сложной системе. Она называется процессорной шиной и представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по назначению. Каждая из них имеет определенный протокол передачи данных и электрическую характеристику. К самой процессорной, или, как ее еще называют, системной шине подключается только CPU, а все другие устройства - через контроллеры материнской платы. В то же время существуют варианты, когда память подключается непосредственно в процессор, благодаря чему обеспечивается его большая эффективность. Тут уместно задать вопрос о том, что такое разрядность процессора, так как, например, выражение “разрядности процессора х 64” означает, что данное устройство снабжено 64-разрядной шиной данных, и такое количество бит оно обрабатывает за единичный такт.

Кэш

Быстрая память, или кэш — это буфер между процессором и контроллером системной памяти, которая является достаточно медленной. Этот компонент предназначен для того, чтобы увеличить общую производительность всего устройства в целом. Для достижения этой цели в буфер передаются и хранятся блоки данных, которые отрабатываются в данный момент, и поэтому процессор не бывает вынужден постоянно обращаться к системной памяти.

Кэш делится на три уровня:

• Первый уровень L1

Он подразделяется на два кэша — инструкций и данных, является самым быстрым и производит работу непосредственно с ядром процессора.

• Второй уровень L2

С L1 взаимодействует кэш L2. Он в разы больше по объему и является целостным.

• Третий уровень L3

У некоторых современных микропроцессоров существует еще и третий уровень, который больше двух предыдущих, но работает на порядок медленнее. Дело в том, что шина между 2-м и 3-м уровнем уже, чем между 1-м и 2-м. Однако скорость 3-го уровня все равно значительно выше, чем скорость системной памяти. В зависимости от того, повторяется ли информация, попадающая в кэш, на разных уровнях, или нет, различают два типа этой составляющей процессора: эксклюзивный и не эксклюзивный. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому трудно сказать, какой из них лучше. Можно только отметить, что первый тип используется в микропроцессорах AMD, а второй — в Intel.

Разъем

Рассказывая о том, что такое процессор компьютера, следует уделить внимание всем компонентам, так как данное сложное устройство функционирует лишь благодаря слаженной работе каждого из них. Например, казалось бы, какую важность может иметь такое примитивное приспособление, как разъем? Однако его применение облегчает замену процессора при модернизации ПК или его снятие на время ремонта.

Что такое частота процессора

Для сравнения любых технических устройств и для того, чтобы дать представление об их возможностях используются определенные характеристики, имеющие численное выражение. Для процессоров основной из них является тактовая частота. Причем это понятие имеет кардинальные отличия, когда речь идет об одноядерном и многоядерном вариантах. Итак, что такое тактовая частота процессора, если он способен выполнять только один поток команд? Оказывается, что этот параметр показывает, сколько вычислений в единицу времени может произвести конкретное одноядерное устройство. Соответственно, чем больше тактовая частота, тем больше процессор может выполнить операций в единицу времени. Чаще всего она составляет 1,0-4 ГГц и определяется умножением внешней частоты на определенную постоянную величину. Совсем другое дело, если нужно выяснить, что такое тактовая частота процессора. В таком случае некоторые горе-специалисты рекомендуют вычислять данный параметр для всего устройства, умножая данные для одноядерного варианта на количество составляющих. Однако это в корне неправильно, так как тактовая частота всего устройства от числа ядер не меняется, и положительный эффект касается только производительности процессора. В довершение следует отметить, что при выборе процессора частота не должна являться решающим фактором, а нужно рассматривать величины всех его характеристик в целом.

Что такое графический процессор

Как известно, современные ПК обеспечивают превосходную “картинку”. Это достигается посредством графического процессора — специального устройства выполняющего графический рендеринг. Кроме того, они предназначены для использования в качестве ускорителя 3Д графики. Благодаря конвейерной архитектуре такие устройства намного эффективнее обрабатывают изображения и другую графику, чем CPU, о котором было рассказано выше.

Текстовой процессор: что это?

В вопросах, связанных с архитектурой ПК, на данный момент есть определенная путаница, так как те же самые термины нередко используются для обозначения совсем разных вещей. В частности, термином процессор обозначаются также программы для форматирования текстов, изменения шрифтов, абзацев, проверки орфографии и многого другого. Наиболее известными примерами являются OpenOffice.org, Writer и суперпопулярная Microsoft Word. Поэтому из названия можно смело приводить, когда нужно ответить на вопрос о том, что такое текстовой процессор.

Несколько слов о наиболее распространенных процессорах персональных компьютеров

Первое место по популярности занимает процессор Intel Core i5. Он считается прекрасным вариантом, когда нужна мощная игровая машина. За ним следует модель от Intel — Celeron E3200, который стоит недешево, но является оптимальным выбором для серьезной работы в офисе. Немало поклонников среди специалистов есть и у еще одного процессора от Intel — четырехядерного Core 2 Quad. Если вы не стремитесь стать обладателем сверхмощной машины и хотите сэкономить, то обратите внимание на AMD Athlon II X2215 или AMD Phenom II X4945.

Теперь вы знаете, что такое процессор, каких видов бывает и какими характеристиками обладает.

Устройство и принцип работы процессора

Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус.

1. Введение.

Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.

Большинство современных процессоров состоит из:

• одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций;
• нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ;
• контроллера ОЗУ;
• контроллера системной шины (DMI, QPI, HT и т.д.);

И характеризуется следующими параметрами:

• типом микроархитектуры;
• тактовой частотой;
• набором выполняемых команд;
• количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;
• типом и скоростью системной шины;
• размерами обрабатываемых слов;
• наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;
• типом поддерживаемой оперативной памяти;
• объемом адресуемой памяти;
• наличием или отсутствием встроенного графического ядра;
• энергопотреблением.

Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 1.

Начнем обзор устройства процессора с его основной части – ядра.

2. Ядро процессора.

Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.

На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков:

• блока выборки инструкций;
• блоков декодирования инструкций;
• блоков выборки данных;
• управляющего блока;
• блоков выполнения инструкций;
• блоков сохранения результатов;
• блока работы с прерываниями;
• ПЗУ, содержащего микрокод;
• набора регистров;
• счетчика команд.

Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования, так как необходимо на каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.

Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода. Это необходимо, чтобы после условного перехода максимально нагрузить конвейер ядра процессора.

Блоки декодирования , как понятно из названия, – это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т.е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции. Задача эта для большинства современных коммерческих процессоров, построенных на базе концепции CISC, – очень сложная. Дело в том, что длина инструкций и количество операндов – нефиксированные, и это сильно усложняет жизнь разработчикам процессоров и делает процесс декодирования нетривиальной задачей.

Часто отдельные сложные команды приходится заменять микрокодом – серией простых инструкций, в совокупности выполняющих то же действие, что и одна сложная инструкция. Набор микрокода прошит в ПЗУ, встроенном в процессоре. К тому же микрокод упрощает разработку процессора, так как отпадает надобность в создании сложноустроенных блоков ядра для выполнения отдельных команд, да и исправить микрокод гораздо проще, чем устранить ошибку в функционировании блока.

В современных процессорах, обычно, бывает 2-4 блока декодирования инструкций, например, в процессорах Intel Core 2 каждое ядро содержит по два таких блока.

Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций. Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных. Например, в процессорах Intel Core используется по два блока выборки данных для каждого ядра.

Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.

Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:

ALU – арифметическое логическое устройство;

FPU – устройство по выполнению операций с плавающей точкой;

Блоки для обработки расширения наборов инструкций. Дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики. На данный момент наиболее популярными расширениями наборов инструкция являются:

MMX (Multimedia Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видео-данных;

SSE (Streaming SIMD Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для выполнения одной и той же последовательности операций над множеством данных с распараллеливанием вычислительного процесса. Наборы команд постоянно совершенствуются, и на данный момент имеются ревизии: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Targeted Accelerator) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы специализированного программного обеспечения и снижения энергопотребления при работе с такими программами. Эти инструкции могут использоваться, например, при расчете контрольных сумм или поиска данных;

3DNow – набор инструкций, разработанный компанией AMD, для расширения возможностей набора инструкций MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы приложений, использующих шифрование данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.

Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями – одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к псевдопараллельной работе, т.е. к, так называемой, многозадачности.

Обработка прерываний происходит следующим образом. Процессор перед началом каждого цикла работы проверяет наличие запроса на прерывание. Если есть прерывание для обработки, процессор сохраняет в стек адрес инструкции, которую он должен был выполнить, и данные, полученные после выполнения последней инструкции, и переходит к выполнению функции обработки прерывания.

После окончания выполнения функции обработки прерывания, из стека считываются сохраненные в него данные, и процессор возобновляет выполнение восстановленной задачи.

Регистры – сверхбыстрая оперативная память (доступ к регистрам в несколько раз быстрее доступа к КЭШ-памяти) небольшого объема (несколько сотен байт), входящая в состав процессора, для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций. Регистры процессора делятся на два типа: регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций (MMX, SSE и т.д.).

Регистры специального назначения содержат системные данные, необходимые для работы процессора. К таким регистрам относятся, например, регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т.д. Доступ к этим регистрам жестко регламентирован.

Счетчик команд – регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.

2.1 Принцип работы ядра процессора.

Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом:

1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены;

2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования;

3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита – на 4) и передает управление в блок выборки данных;

4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;

5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку;

6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов;

7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1).

Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

2.2. Способы повышения производительности ядра процессора.

Увеличение производительности ядра процессора, за счет поднятия тактовый частоты, имеет жесткое ограничение. Увеличение тактовой частоты влечет за собой повышение температуры процессора, энергопотребления и снижение стабильности его работы и срока службы.

Поэтому разработчики процессоров применяют различные архитектурные решения, позволяющие увеличить производительность процессоров без увеличения тактовой частоты.

Рассмотрим основные способы повышения производительности процессоров.

2.2.1. Конвейеризация.

Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.

Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций (К1–К5), без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт.

Такты	Выборка инструкции	Декодирование инструкции	Выборка данных	Выполнение инструкции	Сохранение результата
1	K1	-	-	-	-
2	-	K1	-	-	-
3	-	-	K1	-	-
4	-	-	-	K1	-
5	-	-	-	-	K1
6	K2	-	-	-	-
7	-	K2	-	-	-
8	-	-	K2	-	-
9	-	-	-	K2	-
10	-	-	-	-	K2
11	K3	-	-	-	-
12	-	K3	-	-	-
13	-	-	K3	-	-
14	-	-	-	K3	-
15	-	-	-	-	K3
16	K4	-	-	-	-
17	-	K4	-	-	-
18	-	-	K4	-	-
19	-	-	-	K4	-
20	-	-	-	-	K4
21	K5	-	-	-	-
22	-	K5	-	-	-
23	-	-	K5	-	-
24	-	-	-	K5	-
25	-	-	-	-	K5

Как видно из таблицы, для выполнения пяти инструкций процессору понадобилось 25 тактов. При этом в каждом такте четыре из пяти блоков ядра процессора простаивали, т.е. процессор использовал всего 20% своего потенциала. Естественно, в реальных процессорах все сложнее. Разные блоки процессора решают разные по сложности задачи. Сами инструкции тоже отличаются друг от друга по сложности. Но в общем ситуация остается такой же.

Для решения этой проблемы во всех современных процессорах выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.

Рассмотрим пример выполнения той же программы, состоящей из пяти инструкций, но с использованием принципа конвейеризации.

Такты	Выборка инструкции	Декодирование инструкции	Выборка данных	Выполнение инструкции	Сохранение результата
1	K1	-	-	-	-
2	K2	K1	-	-	-
3	K3	K2	K1	-	-
4	K4	K3	K2	K1	-
5	K5	K4	K3	K2	K1
6	-	K5	K4	K3	K2
7	-	-	K5	K4	K3
8	-	-	-	K5	K4
9	-	-	-	-	K5

Та же программа была выполнена за 9 тактов, что почти 2.8 раза быстрее, чем при работе без конвейера. Как видно из таблицы максимальная загрузка процессора была получена на 5 такте. В этот момент использовались все блоки ядра процессора. А с первого по четвертый такт, включительно, происходило наполнение конвейера.

Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.

Во-первых, реальный поток команд, обрабатываемый процессором – непоследовательный. В нем часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.

После условного перехода конвейер приходится наполнять заново. И чем длиннее конвейер, тем дольше это происходит. В результате, прирост производительности от введения конвейера снижается.

Для уменьшения влияния условных переходов на работу конвейера, в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.

Если условный переход удалось предсказать, то выполнение инструкций по новому адресу начинается раньше, чем будет закончена обработка команды условного перехода. В результате, наполнение конвейера не пострадает.

По статистике, точность блоков предсказания условных переходов в современных процессорах превышает 90%, что позволяет делать достаточно длинные, но при этом хорошо наполняемые конвейеры.

Во-вторых, часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.

В этом случае она может быть выполнена только после полного завершения обработки первой инструкции. Однако современные процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.

В большинстве современных процессорах задача анализа взаимосвязи инструкций и составления порядка их обработки ложится на плечи процессора, что неминуемо ведет к снижению его быстродействия и увеличению стоимости.

Однако все большую популярность получает статическое планирование, когда порядок выполнения программы процессором определяется на этапе компиляции программы. В этом случае инструкции, которые можно выполнить параллельно, объединяются компилятором в одну длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельны. Процессоры, работающие с такими инструкциями, построены на базе архитектура VLIW (Very long instruction word).

2.2.2. Суперскалярность.

Суперскалярность – архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в нескольких экземплярах. Скажем, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.

В этом случае блоки, выполняющие более сложные действия и работающие дольше, за счет параллельной обработки сразу нескольких инструкций не будут задерживать весь конвейер.

Однако параллельное выполнение инструкций возможно, только если эти инструкции – независимые.

Структурная схема ядра конвейера гипотетического процессора, построенного с использованием принципа суперскалярности, приведена на рисунке 1. На этом рисунке в каждом ядре процессора работает несколько блоков декодирования, несколько блоков выборки данных и несколько блоков выполнения инструкций.

2.2.3. Параллельная обработка данных.

Бесконечно повышать производительность процессоров, за счет увеличения тактовой частоты, невозможно. Увеличение тактовой частоты влечет за собой увеличение тепловыделения, уменьшение срока службы и надежности работы процессоров, да и задержки от обращения к памяти сильно снижают эффект от увеличения тактовой частоты. Действительно, сейчас практически не встретишь процессоры с тактовой частотой выше 3.8 ГГц.

Связанные с увеличением тактовой частоты проблемы заставляют разработчиков искать иные пути повышения производительности процессоров. Один из наиболее популярных способов – параллельные вычисления.

Подавляющее большинство современных процессоров имеют два и более ядра. Топовые модели могут содержать и 8, и даже 12 ядер, причем с поддержкой технологии hyper-threading. Преимущества от ввода дополнительных ядер вполне понятны, мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо решать каждый свои задачи, при этом, естественно, возрастает производительность. Однако прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания.

Во-первых, далеко не все программы поддерживают распределение вычислений на несколько ядер. Естественно, можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре работал свой набор независимых программ. Например, на одном ядре работает операционная система с набором служебных программ, на другом пользовательские программы и так далее.

Но это дает выигрыш в производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов больше, чем может дать одно ядро. Хорошо, если она поддерживает распределение нагрузки между несколькими ядрами. Но на данный момент общедоступных программ, способных распределить нагрузку между 12 ядрам, да еще в режиме Hyper-Threading, можно «сосчитать на пальцах одной руки». Я, конечно, утрирую, существуют программы, оптимизированные для многопоточных вычислений, но большинству простых пользователей они не нужны. А вот наиболее популярные программы, а тем более игры, пока что «плохо» адаптируются к многоядерным процессорам, особенно, если количество ядер больше четырех.

Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер – много, и всем им требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ.

В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.

Ну и, в-четвертых, себестоимость производства многоядерных процессоров – немаленькая, а, соответственно, и цена на такие процессоры «кусается».

Несмотря на все недостатки, применение процессоров с 2-4 ядрами, несомненно, дает значительный прирост производительности. Однако, на данный момент, применение процессоров с количеством ядер больше четырех не всегда оправдывает ожидание. Однако, в ближайшем будущем, ситуация должна кардинально измениться. Обязательно появится множество программ с поддержкой многопоточности, производительность отдельных ядер возрастет, а их цена снизится.

2.2.4. Технология Hyper-Threading.

Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором.

Однако остальные элементы ядра для обоих потоков – общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т.д.

Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее.

К тому же практически во всех программах – много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра.

Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра.

Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, – крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей.

Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading – это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален.

В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.

2.2.5. Технология Turbo Boost.

Производительность большинства современных процессоров в домашних условиях можно немного поднять, попросту говоря разогнать – заставить работать на частотах, превышающих номинальную, т.е. заявленную производителем.

Частота процессора рассчитывается, как частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый множителем. Например, процессор Core i7-970 работает с системной шиной DMI на базовой частоте – 133 МГц, и имеет множитель – 24. Таким образом, тактовая частота ядра процессора составит: 133 Мгц*24= 3192 Мгц.

Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять тактовую частоту системной шины, то тактовая частота процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его производительность. Однако процесс этот – далеко небезопасный. Из-за разгона процессор может работать нестабильно или вообще выйти из строя. Поэтому к разгону нужно подходить ответственно и тщательно контролировать параметры работы процессора.

С появление технологии Turbo Boost все стало гораздо проще. Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоту, тем самым, увеличивая свою производительность. При этом процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и т.д., не допуская сбоев и тем более выхода из строя. Например, процессор может отключить неиспользуемые ядра, тем самым, понизив общую температуру, а взамен увеличить тактовую частоту остальных ядер.

Так как на данный момент существует не очень много программ, использующих для обработки данных все процессорные ядра, особенно, если их больше четырех, то применение технологии Turbo Boost позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями.

2.2.6. Эффективность выполнения команд.

В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп:

• на классические процессоры CISC;
• на процессоры RISC с сокращенным набором команд;
• на процессоры MISC c минимальным набором команд;
• на процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.

CISC (Complex instruction set computer) – это процессоры со сложным набором команд. Архитектура CISC характеризуется:

• сложными и многоплановыми инструкциями;
• большим набором различных инструкций;
• нефиксированной длиной инструкций;
• многообразием режимов адресации.

Исторически, процессоры с архитектурой CISC появились первыми, и их появление было обусловлено общей тенденцией разработки первых ЭВМ. ЭВМ стремились сделать более функциональными и в то же время простыми для программирования. Естественно, для программистов вначале было удобнее иметь широкий набор команд, чем реализовывать каждую функцию целой отдельной подпрограммой. В результате, объем программ сильно сокращался, а вместе с ним и трудоемкость программирования.

Однако такая ситуация продолжалась недолго. Во-первых, с появлением языков высокого уровня отпала необходимость непосредственного программирования в машинных кодах и на ассемблере, и, во-вторых, со временем количество различных команд сильно выросло, а сами инструкции усложнились. В результате, большинство программистов, в основном, использовали какой-то определенный набор инструкций, практически игнорируя наиболее сложные инструкции.

В результате, программисты уже не имели особой выгоды от широкого набора инструкций, так как компиляция программ стала автоматической, а сами процессоры обрабатывали сложные и разнообразные инструкции медленно, в основном, из-за проблем с их декодированием.

К тому же новые сложные инструкции разработчики процессоров отлаживали меньше, так как это был трудоемкий и сложный процесс. В результате, некоторые из них могли содержать ошибки.

Ну и, естественно, чем сложнее инструкции, чем больше действий они выполняют, тем сложнее их выполнение распараллеливать, и, соответственно, тем менее эффективно они загружают конвейер процессора.

Однако к этому моменту уже было разработано огромное количество программ для процессоров с CISC архитектурой, поэтому экономически было невыгодно переходить на принципиально новую архитектуру, даже дающую выигрыш в производительности процессора.

Поэтому был принят компромисс, и CISC процессоры, начиная с Intel486DX, стали производить с использованием RISC-ядра. Т.е., непосредственно перед исполнением, сложные CISC-инструкции преобразуют в более простой набор внутренних инструкций RISC. Для этого используют записанные в размещенном внутри ядра процессора ПЗУ наборы микрокоманд – серии простых инструкций, в совокупности выполняющих те же действия, что и одна сложная инструкция.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенным набором инструкций.

В концепции RISC-процессоров предпочтение отдается коротким, простым и стандартизированным инструкциям. В результате, такие инструкции проще декодировать и выполнять, а, следовательно, устройство процессора становится так же проще, так как не требуется сложных блоков для выполнения нестандартных и многофункциональных инструкций. В результате, процессор становится дешевле, и появляется возможность дополнительно поднять его тактовую частоту, за счет упрощения внутренней структуры и уменьшения количества транзисторов, или снизить энергопотребление.

Так же простые RISC-инструкции гораздо проще распараллеливать, чем CISC-инструкции, а, следовательно, появляется возможность больше загрузить конвейер, ввести дополнительные блоки обработки инструкций и т.д.

Процессоры, построенные по архитектуре RISC, обладают следующими основными особенностями:

• фиксированная длина инструкций;
• небольшой набор стандартизированных инструкций;
• большое количество регистров общего назначения;
• отсутствие микрокода;
• меньшее энергопотребление, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• более простое внутреннее устройство;
• меньшее количество транзисторов, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

В результате, хотя RISC-процессоры и требуют выполнения большего количества инструкций для решения одной и той же задачи, по сравнению с CISС-процессорами, они, в общем случае, показывают более высокую производительность. Во-первых, выполнение одной RISC-инструкции занимает гораздо меньше времени, чем выполнение CISC-инструкции. Во-вторых, RISC-процессоры более широко используют возможности параллельной работы. В-третьих, RISC-процессоры могут иметь более высокую тактовую частоту, по сравнению с CISC-процессорами.

Однако, несмотря на явное преимущество RISC, процессоры не получили столь серьезного распространения, как CISC. Правда, связано это в основном не с тем, что они по каким-то параметрам могли быть хуже CISC-процессоров. Они не хуже. Дело в том, что СISC-процессоры появились первыми, а программное обеспечение для CISC -процессоров – несовместимо с RISC-процессорами.

В результате, экономически крайне невыгодно переписывать все программы, которые уже разработаны, отлажены и используются огромным количеством пользователей. Вот так и получилось, что теперь мы вынуждены использовать CISC-процессоры. Правда, как я уже говорил, разработчики нашли компромиссное решение данной проблемы, и уже очень давно в CISC-процессорах используют RISC-ядро и замену сложных команд на микропрограммы. Это позволило несколько сгладить ситуацию. Но все же RISC-процессоры по большинству параметров выигрывают даже у CISC-процессоров с RISC-ядром.

MISC (Minimal Instruction Set Computer) – дальнейшее развитие архитектуры RISС, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC-процессорах используется 20-30 простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных.

VLIW (Very long instruction word) – архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки. В некоторых реализациях процессоров длина инструкций может достигать 128 или даже 256 бит.

Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом.

Если в процессорах RISC организацией параллельной обработки данных занимался сам процессор, при этом, затрачивая часть ресурсов на анализ инструкций, выявление зависимостей и предсказание условных переходов (причем, зачастую, процессор мог ошибаться, например, в предсказании условных переходов, тем самым внося серьезные задержки в обработку инструкций, или просматривать код программы на недостаточную глубину для выявления независимых операций, которые могли бы выполняться параллельно), то в VLIW-процессорах задача оптимизации параллельной работы возлагалась на компилятор, который не был ограничен ни во времени, ни в ресурсах и мог проанализировать всю программу для составления оптимального для работы процессора кода.

В результате, процессор VLIW выигрывал не только от упразднения накладных расходов на организацию параллельной обработки данных, но и получал прирост производительности, из-за более оптимальной организации параллельного выполнения инструкций.

Кроме этого упрощалась конструкция процессора, так как упрощались или вовсе упразднялись некоторые блоки, отвечающие за анализ зависимостей и организацию распараллеливания обработки инструкций, а это, в свою очередь, вело к снижению энергопотребления и себестоимости процессоров.

Однако даже компилятору тяжело справляться с анализом кода и организацией его распараллеливания. Часто код программы был сильно взаимозависимый, и, в результате, в инструкции компилятору приходилось вставлять пустые команды. Из-за этого программы для VLIW-процессоров могли быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

Первые VLIW-процессоры появились в конце 1980-х годов и были разработаны компанией Cydrome. Так же к процессорам с этой архитектурой относятся процессоры TriMedia фирмы Philips, семейство DSP C6000 фирмы Texas Instruments, Эльбру?с 2000 – процессор российского производства, разработанный компанией МЦСТ при участии студентов МФТИ и др. Поддержка длинных инструкций с явным параллелизмом есть и в процессорах семейства Itanium.

2.3. Способы снижения энергопотребления процессора.

Не менее, чем производительность, для процессора важен и такой параметр, как энергопотребление. Особенно остро вопрос энергопотребления встал сейчас, когда наблюдается настоящий бум популярности портативных устройств.

Нашу жизнь уже нельзя представить комфортной без использования ноутбуков, планшетных компьютеров и смартфонов. Однако единственное, что омрачает эту тенденцию, – это время автономной работы подобных устройств. Так ноутбуки, в среднем, могут автономно работать 3-5 часов, планшеты – чуть больше, смартфоны уже могут протянуть при полной нагрузке почти сутки и то не все. Но все это крайне мало для комфортной работы с ними.

Время автономной работы этих устройств напрямую зависит от их энергопотребления, и немалая доля энергопотребления приходится на процессор. Для снижения энергопотребления процессоров используются различные способы и технологии. Давайте рассмотрим наиболее популярные из них.

Самый простой способ снизить энергопотребление и тепловыделение процессора – это уменьшить его тактовую частоту и напряжение, так как энергопотребление процессора пропорционально квадрату его рабочего напряжения и пропорционально тактовой частоте. Наиболее выгодно на энергопотреблении сказывается снижение напряжения. Однако при понижении напряжения рано или поздно уменьшается и тактовая частота, что естественно повлечет за собой снижение производительности.

Однако, зачастую, энергопотребление бывает более критическим параметром работы, и некоторое снижение производительности допустимо. Так большинство мобильных версий процессоров и процессоров для встраиваемых систем имеют тактовую частоту и рабочее напряжение гораздо ниже, чем у их собратьев для настольных версий.

Но не всегда производители устанавливают оптимальное сочетание напряжения и тактовой частоты. Многие мобильные процессоры с установленной тактовой частотой могли бы работать с более низким напряжением, что позволило бы существенно продлить время автономной работы портативного компьютера.

Для получения оптимального соотношения производительности к энергопотреблению, необходимо подобрать такое напряжение, при котором на заданной тактовой частоте процессор будет стабильно работать.

Тактовая частота определяется, исходя из потребностей пользователя, затем для нее подбирается минимальное рабочее напряжение путем постепенного снижения напряжения и тестирования процессора под нагрузкой.

Существуют и не столь кардинальные пути решения этой проблемы.

Например, технология EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) позволяет динамически изменять энергопотребление процессора, за счет изменения тактовой частоты процессора и напряжения. Изменение тактовой частоты происходит, за счет уменьшения или увеличения коэффициента умножения.

О коэффициенте умножения я уже упоминал выше, но повторюсь. Тактовая частота процессора рассчитывается, как тактовая частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый коэффициентом умножения. Уменьшение или увеличение этого коэффициента ведет к уменьшению или увеличению тактовой частоты процессора и к снижению или увеличению рабочего напряжения.

В случаях, когда процессор используется не полностью, его тактовую частоту можно снизить, уменьшая коэффициент умножения. Как только пользователю потребуется больше вычислительных ресурсов, коэффициент умножения будет повышен, вплоть до своего номинального значения. Таким образом, удается несколько снизить энергопотребление.

Аналогичная технология для уменьшения энергопотребления, основанная на динамическом изменении напряжения и тактовой частоты, в зависимости от нагрузки на процессор, используется и компанией AMD, называется она - Cool’n’Quiet .

В абсолютном большинстве случаев вычислительные машины либо вовсе простаивают, либо используются лишь на долю своих возможностей. Например, для просмотра фильма или набора текста вовсе не нужно тех огромных вычислительных возможностей, которыми обладают современные процессоры. Тем более эти мощности не нужны и при простое компьютера, когда пользователь отошел или просто решил сделать небольшой перерыв. Снижая в такие моменты тактовую частоту процессора и его напряжение, можно получить очень серьезный прирост в экономии энергопотребления.

Параметры работы технологии EIST можно настраивать, используя BIOS и программное обеспечение операционной системы, и устанавливать требуемые для конкретного случая профили управления энергопотреблением, тем самым балансируя производительность процессора и его энергопотребление.

Естественно, разработчики стараются оптимизировать и саму структуру процессора для снижения энергопотребления и возможности работы процессора при сверхнизких напряжениях. Однако эта задача – крайне сложная и трудоемкая. Опытные образцы процессоров уже практически вплотную приблизились к порогу минимального рабочего напряжения и уже с трудом отличают напряжение логической единицы от логического нуля. Однако, несмотря на это, разработчики процессоров, в том числе инженеры корпорации Intel, обещают уменьшить энергопотребление современных процессоров аж в 100 раз за ближайшие десять лет. Ну что же, подождем и посмотрим, что у них выйдет.

3. КЭШ-память.

Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает ваших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора – это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

КЭШ-память строится на базе дорогой SRAM-памяти (static random access memory), обеспечивающей доступ к ячейкам памяти гораздо более быстрый, чем к ячейкам DRAM-памяти (dynamic random access memory), на базе которой построена оперативная память. К тому же SRAM-память не требует постоянной регенерации, что так же увеличивает ее быстродействие. Однако более подробно устройство SRAM, DRAM и других типов памяти рассмотрим в следующей статье, а сейчас более подробно рассмотрим принцип работы и устройства КЭШ-памяти.

КЭШ-память делится на несколько уровней. В современных процессорах, обычно, бывает три уровня, а в некоторых топовых моделях процессоров иногда встречается и четыре уровня КЭШ-памяти.

КЭШ-память более высокого уровня всегда больше по размеру и медленнее КЭШ-памяти более низкого уровня.

Самая быстрая и самая маленькая КЭШ-память – это КЭШ-память первого уровня. Она обычно работает на частоте процессора, имеет объем несколько сотен килобайт и располагается в непосредственной близости от блоков выборки данных и команд. При этом она может быть единой (Принстонская архитектура) или разделяться на две части (Гарвардская архитектура): на память команд и память данных. В большинстве современных процессоров используют разделенную КЭШ-память первого уровня, так как это позволяет одновременно с выборкой команд осуществлять выборку данных, что крайне важно для работы конвейера.

КЭШ-память второго уровня – более медленная (время доступа, в среднем, 8-20 тактов процессора), но зато имеет объем несколько мегабайт.

КЭШ-память третьего уровня – еще медленнее, но имеет сравнительно большой объем. Встречаются процессоры с КЭШ-памятью третьего уровня больше 24 Мб.

В многоядерных процессорах, обычно, последний уровень КЭШ-памяти делают общим для всех ядер. Причем, в зависимости от нагрузки на ядра, может динамически изменяться отведенный ядру объем КЭШ-памяти последнего уровня. Если ядро имеет высокую нагрузку, то ему выделяется больше КЭШ-памяти, за счет уменьшения объема КЭШ-памяти для менее нагруженных ядер. Не все процессоры обладают такой возможностью, а только поддерживающие технологию Smart Cache (например, Intel Smart Cache или AMD Balanced Smart Cache).

КЭШ-память более низкого уровня – обычно, индивидуальная для каждого ядра процессора.

Мы рассмотрели, как устроена КЭШ-память, давайте теперь разберемся, как она работает.

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Однако, чем больше уровней КЭШ-памяти, тем сложнее алгоритм замещения устаревших данных и тем больше времени тратится на согласования данных во всех уровнях КЭШ-памяти. В результате, выигрыш от скорости работы КЭШ-памяти быстро сходит на нет. К тому же SRAM-память – очень дорогая, и при больших объемах, а, как помните, каждый новый уровень КЭШ-памяти должен быть больше предыдущего, быстро снижается показатель цена-качество, что крайне негативно сказывается на конкурентоспособности процессора. Поэтому на практике больше четырех уровней КЭШ-памяти не делают.

Ситуация с КЭШ-памятью дополнительно усложняется в многоядерных процессорах, каждое ядро которых содержит свою КЭШ-память. Необходимо вводить дополнительную синхронизацию данных, хранящихся в КЭШ-памяти разных ядер. Например, один и тот же блок данных основной оперативной памяти был занесен в КЭШ-память первого и второго ядра процессора. Затем первый процессор изменил этот блок памяти. Получается, что в КЭШ-памяти второго процессора лежат уже устаревшие данные и необходимо их обновить, а это дополнительная нагрузка на КЭШ-память, что приводит к снижению общего быстродействия процессора. Эта ситуация тем сложнее, чем больше ядер в процессоре, чем больше уровней КЭШ-памяти и чем больше их объем.

Но, несмотря на такие трудности в работе с КЭШ-памятью, ее применение дает явный прирост скорости работы без существенного увеличения стоимости ЭВМ. И пока не будет придумана оперативная память, которая сможет по скорости соперничать с SRAM-памятью, а по цене – с DRAM-памятью, будет применяться иерархическая организация оперативной памяти с использованием нескольких уровней КЭШ-памяти.

Пожалуй, на этом закончим обзор устройства процессора, так как обзор системных шин и принцип их работы приводился в статье «Устройство и назначение материнской платы» , а описание контроллера основной оперативной памяти, часто входящего в состав процессора, типов оперативной памяти и принципов ее работы будет в следующей статье.

Что такое процессор? Здесь Вы сможете прочитать небольшую терминологию данного понятия. Мы рассмотрим из чего он состоит, что такое ядро процессора, системная шина, кэш процессора, какие разъемы бывают у процессора, а также популярные изготовители. А теперь, приступим к делу.

Процессор (ЦП или CPU ) – это устройство или схема, которая исполняет машинные команды (инструкции). Является наиважнейшим компонентом любого компьютера и ноутбука. Выполняет любые, как логические, так и арифметические операции. Также управляет всеми устройствами, подключенными к ПК.

На данный момент процессоры представляют собой схему (микропроцессор) и является маленькой тонкой пластиной, квадратной по форме. На такой схеме расположены элементы, обеспечивающие функциональность самого процессора и ПК в целом. Такая пластина защищена пластмассовым или керамическим корпусом, подсоединенная золотыми проводами с наконечниками из металла. Данная конструкция позволяет присоединить процессор к системной плате.

Из чего состоит процессор?

• Регистры
• Арифметико-логическое устройство
• Шины данных и адресов
• Кэш память
• Математический сопроцессор

У специалистов разных профессий понятие об архитектуре процессора немного отличаются. Например, программисты думают, то архитектура процессора – это когда процессор способен выполнять наборы машинных кодов. Разработчики компьютерных составляющих думают иначе, а именно то, что архитектора процессора отражает какие-либо свойства и качества, которые присущи целому семейству процессоров (другими словами, организация процессоров или их внутренняя конструкция). Например, существует такая архитектура, как Intel Pentium, она обозначается, как P5. К примеру, Pentium IV обозначается, как NetBurst.

Модель архитектуры процессора Pentium 4

Даже если процессоры имеют одинаковую архитектуру, они могут иметь различия. В первую очередь это конечно же различие в процессорных , которые наделяют сам процессор, какими-либо характеристиками. Конечно, отличаться они могут и размерами кэша, и различиями в частоте системной шины. По сути, термин ядро процессора четкого определения не имеет, но может позволить выделить особенности какой-либо модели.

В случае замены ядра, скорее всего придется менять и процессорный разъем, что влечет за собой определенные трудности, которые связаны с совместимостью системных плат. Конечно, разработчики постоянно занимаются над совершенствованием ядер. Такие нововведения называются ревизией ядер, они в свою очередь обозначаются буквенными и цифирными значениями.

Что такое системная шина?

Системная шина или шина процессора (FSB ) – является совокупностью сигнальных линий, объединённых по назначению. Простыми словами, системная шина связывает все компоненты компьютера с процессором, будь это , или . Процессор подключается только к системной шине, остальные устройства подключаются через специальные контроллеры.

Что такое разъем (сокет) процессора?

Есть два типа разъемов (сокетов) – гнездовой и щелевой . Хотя это можно считать, как один разъем, потому что он создан лишь для установки процессора. Наличие сокета значительно облегчает замену процессора. Также его можно было бы снять на время ремонта компьютера. Кстати, если что, данный разъем расположен на . У компаний Intel и AMD свои типы разъемов, которые можно посмотреть .

Что такое регистр процессора?

Регистром в процессоре является блок ячеек, который образует сверхбыструю оперативную память. Такая память используется только процессором.

Что такое кэш процессора?

Кеш – это технология которая во всех современных процессорах является обязательной, еще ее называют быстрой памятью. Кэш технология является буфером между процессором и котроллером, который является медленной памятью. Буфер является хранилищем блоков данных, которые отрабатываются именно сейчас, таким образом процессору не нужно обращаться к контроллеру. Такое свойство очень хорошо увеличивает производительность процессора.

На данный момент существует несколько уровней кэша. L1 – кэш первого уровня , является самым быстрым и работает напрямую с ядром. Далее идет кэш второго уровня — L2 , который взаимодействует с L1. Такой кэш по объему намного больше, чем L1. Иногда может встречаться и кэш третьего уровня – L3 . Он достаточно медленный, а по объему еще больше, чем L2, но опять же, он быстрее, чем системная память.

Также, кэш разделяют на эксклюзивный и не эксклюзивный .

К первому типу относят кэш, в котором данные разделены на оригинальные в строгом порядке. К не эксклюзивному кэшу относят кэш, данные которого могут повторяться на всех уровнях кэша. Например, компания Intel, использует не эксклюзивный тип, а AMD – cсоответственно эксклюзивный. Трудно сказать, какой лучше, у обоих есть и достоинства, и недостатки.