CPU

Unitate centrală de procesare ( CPU ; de asemenea unitate centrală de procesare  - CPU ; unitate centrală de procesare în limba engleză  , CPU , literalmente - unitate centrală de procesare , adesea doar un procesor ) - o unitate electronică sau un circuit integrat care execută instrucțiunile mașinii (codul programului), principalul parte din hardware -ul computerului sau controlerul logic programabil . Uneori, această componentă este denumită pur și simplu procesor .

Inițial, termenul de unitate centrală de procesare a descris un sistem specializat de elemente menite să înțeleagă și să execute codul mașină al programelor de calculator , și nu doar operații logice fixe . Începutul utilizării termenului și prescurtarea acestuia în raport cu sistemele informatice a fost stabilit în anii 1960. Dispozitivul, arhitectura și implementarea procesoarelor s-au schimbat de multe ori de atunci. În sistemele de calcul moderne, toate funcțiile unității centrale de procesare sunt de obicei realizate de un microcircuit foarte integrat  - microprocesorul .

Principalele caracteristici ale CPU sunt: ​​viteza de ceas , performanța , consumul de energie, normele procesului litografic utilizat în producție (pentru microprocesoare) și arhitectura .

Procesoarele timpurii au fost concepute ca blocuri de construcție unice pentru sisteme informatice unice și chiar unice. Mai târziu, de la metoda costisitoare de dezvoltare a procesoarelor concepute pentru a executa unul sau mai multe programe foarte specializate, producătorii de computere au trecut la producția în serie a claselor tipice de dispozitive cu procesoare multifuncționale. Tendința către standardizarea componentelor computerelor a apărut în epoca dezvoltării rapide a semiconductorilor , mainframe -urilor și minicalculatoarelor , iar odată cu apariția circuitelor integrate, a devenit și mai populară. Crearea de microcircuite a permis creșterea în continuare a complexității procesorului, reducând în același timp dimensiunea fizică a acestora. Standardizarea și miniaturizarea procesoarelor au dus la o pătrundere profundă a dispozitivelor digitale bazate pe acestea în viața de zi cu zi. Procesoarele moderne pot fi găsite nu numai în dispozitivele de înaltă tehnologie, cum ar fi computerele, ci și în mașini , calculatoare , telefoane mobile și chiar jucării pentru copii . Cel mai adesea, acestea sunt reprezentate de microcontrolere , unde, pe lângă dispozitivul de calcul, pe cip sunt amplasate componente suplimentare (memorie de programe și date, interfețe, porturi I/O, cronometre etc.). Capacitățile de calcul moderne ale microcontrolerului sunt comparabile cu procesoarele computerelor personale de acum treizeci de ani și, de cele mai multe ori, chiar depășesc semnificativ performanța acestora.

Istorie

Istoria dezvoltării producției de procesoare este pe deplin în concordanță cu istoria dezvoltării tehnologiei pentru producerea altor componente și circuite electronice.

Prima fază , care a afectat perioada dintre anii 1940 și sfârșitul anilor 1950, a fost crearea de procesoare care utilizează relee electromecanice , miezuri de ferită (dispozitive de memorie) și tuburi vidate . Au fost instalate în sloturi speciale pe modulele asamblate în rafturi. Un număr mare de astfel de rafturi, conectate prin conductori, reprezentau un procesor în total. Caracteristicile distinctive au fost fiabilitatea scăzută, viteza scăzută și disiparea ridicată a căldurii.

A doua fază , de la mijlocul anilor 1950 până la mijlocul anilor 1960, a fost introducerea tranzistoarelor . Tranzistoarele erau deja montate pe plăci apropiate de aspectul modern, instalate în rafturi. Ca și înainte, procesorul mediu a constat din mai multe astfel de rafturi. Performanță crescută, fiabilitate îmbunătățită, consum redus de energie.

A treia etapă , care a venit la mijlocul anilor 1960, a fost utilizarea microcipurilor . Inițial, s-au folosit microcircuite cu un grad scăzut de integrare, care conțineau ansambluri simple de tranzistori și rezistențe, apoi, pe măsură ce tehnologia s-a dezvoltat, au început să fie utilizate microcircuite care implementează elemente individuale ale circuitelor digitale (întâi chei elementare și elemente logice, apoi elemente mai complexe). - registre elementare, contoare, sumatoare ), ulterior au existat microcircuite care conțin blocuri funcționale ale procesorului - un dispozitiv de microprogram, o unitate aritmetic-logică , registre , dispozitive de lucru cu magistralele de date și de comandă .

A patra etapă , la începutul anilor 1970, a fost crearea, datorită unei descoperiri în tehnologie, LSI și VLSI (circuite integrate mari și, respectiv, extra-mari), un microprocesor  - un microcircuit, pe cristalul căruia sunt toate elementele principale. iar blocurile procesorului erau localizate fizic. Intel a creat în 1971 primul microprocesor 4004 pe 4 biți din lume , conceput pentru a fi utilizat în calculatoare. Treptat, aproape toate procesoarele au început să fie produse în format microprocesor. Pentru o lungă perioadă de timp, singurele excepții au fost procesoarele la scară mică optimizate hardware pentru rezolvarea unor probleme speciale (de exemplu, supercalculatoare sau procesoare pentru rezolvarea unui număr de sarcini militare) sau procesoarele care aveau cerințe speciale pentru fiabilitate, viteză sau protecție împotriva electromagnetică. impulsuri și radiații ionizante. Treptat, odată cu reducerea costurilor și răspândirea tehnologiilor moderne, aceste procesoare încep să fie fabricate și în format microprocesor.

Acum, cuvintele „microprocesor” și „procesor” au devenit practic sinonime, dar atunci nu a fost așa, deoarece computerele obișnuite (mari) și cu microprocesor au coexistat pașnic timp de cel puțin 10-15 ani și abia la începutul anilor 1980 microprocesoarele și-au înlocuit omologii mai vechi. Cu toate acestea, unitățile centrale de procesare ale unor supercalculatoare și astăzi sunt complexe complexe construite pe baza de microcipuri cu un grad mare și ultra-larg de integrare.

Trecerea la microprocesoare a permis apoi crearea computerelor personale , care au pătruns aproape în fiecare casă.

Primul microprocesor disponibil public a fost Intel 4004 pe 4 biți, introdus pe 15 noiembrie 1971 de Intel Corporation. Conținea 2300 de tranzistori, funcționa la o frecvență de ceas de 92,6 kHz [1] și costa 300 USD.

Apoi a fost înlocuit cu Intel 8080 pe 8 biți și 8086 pe 16 biți , care au pus bazele arhitecturii tuturor procesoarelor desktop moderne. Datorită prevalenței modulelor de memorie pe 8 biți, a fost lansat ieftinul 8088, o versiune simplificată a lui 8086 cu o magistrală de date pe 8 biți.

Aceasta a fost urmată de modificarea sa, 80186 .

Procesorul 80286 a introdus un mod protejat cu adresare pe 24 de biți , care a permis utilizarea a până la 16 MB de memorie.

Procesorul Intel 80386 a apărut în 1985 și a introdus un mod protejat îmbunătățit, adresare pe 32 de biți , care a permis până la 4 GB de RAM și suport pentru un mecanism de memorie virtuală. Această linie de procesoare este construită pe un model de calcul al registrului .

În paralel, se dezvoltă microprocesoare, bazate pe modelul de calcul al stivei .

De-a lungul anilor de existență a microprocesorului, au fost dezvoltate multe arhitecturi diferite de microprocesoare . Multe dintre ele (în formă completată și îmbunătățită) sunt încă folosite astăzi. De exemplu, Intel x86, care s-a dezvoltat mai întâi în IA-32 pe 32 de biți, iar mai târziu în x86-64 pe 64 de biți (pe care Intel îl numește EM64T). Procesoarele cu arhitectură x86 au fost utilizate inițial doar în calculatoarele personale IBM ( IBM PC ), dar acum sunt din ce în ce mai utilizate în toate domeniile industriei computerelor, de la supercomputere la soluții încorporate. Arhitecturile precum Alpha , POWER , SPARC , PA-RISC , MIPS (arhitecturi RISC) și IA-64 ( arhitectură EPIC ) pot fi de asemenea enumerate.

În calculatoarele moderne, procesoarele sunt realizate sub forma unui modul compact (aproximativ 5 × 5 × 0,3 cm în dimensiune) care este introdus într-o soclu ZIF (AMD) sau pe un design cu arc - LGA (Intel). O caracteristică a conectorului LGA este că pinii sunt transferați din carcasa procesorului în conectorul însuși - mufa situată pe placa de bază. Cele mai multe procesoare moderne sunt implementate ca un singur cip semiconductor care conține milioane și, mai recent, chiar miliarde de tranzistori. De asemenea, odată cu creșterea dimensiunii și complexității cristalelor semiconductoare, în anii 20 ai secolului XXI, a început împărțirea unui singur cristal mare în mai multe cristale mai mici (așa-numitele " chiplet "), instalate într-un singur microansamblu . pentru a câștiga popularitate . Acest lucru vă permite să creșteți randamentul microcircuitelor adecvate și să reduceți generarea de căldură.

Arhitectura Von Neumann

Cele mai multe procesoare moderne de computere personale se bazează în general pe o anumită versiune a procesului ciclic de procesare a datelor în serie descris de John von Neumann .

În iulie 1946, Burks, Goldstein și von Neumann au scris o monografie faimoasă intitulată „ A Preliminary Consideration of the Logical Design of an Electronic Computing Device ”, care a descris în detaliu dispozitivul și caracteristicile tehnice ale viitorului computer, care mai târziu a devenit cunoscut sub numele de „ Arhitectura von Neumann ”. Această lucrare a dezvoltat ideile evidențiate de von Neumann în mai 1945 într-un manuscris intitulat „ Primul proiect de raport asupra EDVAC ”.

O caracteristică distinctivă a arhitecturii von Neumann este aceea că instrucțiunile și datele sunt stocate în aceeași memorie.

Arhitecturi diferite și comenzi diferite pot necesita pași suplimentari. De exemplu, instrucțiunile aritmetice pot necesita accesări suplimentare la memorie în timpul cărora operanzii sunt cititi și rezultatele sunt scrise.

Rulați pașii ciclului:

1. Procesorul setează numărul stocat în registrul contorului de programe pe magistrala de adrese și emite o comandă de citire în memorie .
2. Numărul expus este adresa de memorie ; memoria, după ce a primit adresa și comanda de citire, expune conținutul stocat la această adresă magistralei de date și raportează disponibilitatea.
3. Procesorul primește un număr de la magistrala de date, îl interpretează ca o comandă ( instrucțiune de mașină ) din setul său de instrucțiuni și îl execută.
4. Dacă ultima instrucțiune nu este o instrucțiune de salt , procesorul incrementează cu unu (presupunând că lungimea fiecărei instrucțiuni este una) numărul stocat în contorul de instrucțiuni; ca urmare, acolo se formează adresa următoarei instrucțiuni.

Acest ciclu este executat invariabil și el este cel care este numit procesul (de unde și numele dispozitivului).

În timpul unui proces, procesorul citește o secvență de instrucțiuni conținute în memorie și le execută. O astfel de secvență de comenzi se numește program și reprezintă algoritmul procesorului. Ordinea citirii comenzilor se schimbă dacă procesorul citește o comandă de salt, atunci adresa următoarei comenzi se poate dovedi a fi diferită. Un alt exemplu de schimbare a procesului ar fi atunci când este primită o comandă de oprire sau când aceasta trece la întreruperea serviciului .

Comenzile procesorului central sunt cel mai scăzut nivel de control al computerului, astfel încât executarea fiecărei comenzi este inevitabilă și necondiționată. Nu se verifică admisibilitatea acțiunilor efectuate, în special, nu se verifică eventuala pierdere de date valoroase. Pentru ca computerul să efectueze numai acțiuni legale, comenzile trebuie să fie organizate corespunzător în programul dorit.

Viteza de trecere de la o etapă a ciclului la alta este determinată de generatorul de ceas . Generatorul de ceas generează impulsuri care servesc drept ritm pentru procesorul central. Frecvența pulsului de ceas se numește frecvență de ceas .

Arhitectura pipeline

Arhitectura pipeline ( eng.  pipelining ) a fost introdusă în procesorul central pentru a crește performanța. De obicei, pentru a executa fiecare instrucțiune, este necesar să se efectueze un număr de operațiuni de același tip, de exemplu: preluarea unei instrucțiuni din RAM , decriptarea unei instrucțiuni, adresarea unui operand către RAM, preluarea unui operand din RAM, executarea unei instrucțiuni , scriind un rezultat pe RAM. Fiecare dintre aceste operații este asociată cu o etapă a transportorului. De exemplu, o conductă de microprocesor MIPS-I conține patru etape:

• primirea și decodarea instrucțiunilor,
• adresarea și preluarea unui operand din RAM,
• efectuarea de operații aritmetice,
• salvează rezultatul operației.

După ce cea de- a treia etapă a conductei este eliberată, începe imediat să lucreze la următoarea instrucțiune. Dacă presupunem că fiecare etapă a conductei petrece o unitate de timp pentru lucrul său, atunci execuția unei comenzi pe o conductă cu o lungime de pași va dura unități de timp, totuși, în cel mai optimist caz, rezultatul execuția fiecărei comenzi următoare va fi obținută în fiecare unitate de timp.

Într-adevăr, în absența unei conducte, executarea comenzii va dura unități de timp (întrucât executarea comenzii necesită încă preluare, decriptare etc.), iar executarea comenzilor va necesita unități de timp; atunci când utilizați o conductă (în cel mai optimist caz), va dura doar unități de timp pentru a executa comenzi.

Factori care reduc eficiența transportorului:

1. O conductă simplă atunci când unele etape nu sunt utilizate (de exemplu, adresarea și preluarea unui operand din RAM nu este necesară dacă instrucțiunea funcționează cu registre).
2. Așteptare: dacă următoarea comandă folosește rezultatul celei anterioare, atunci ultima nu poate începe să se execute înainte de executarea primei (acest lucru este depășit prin utilizarea execuției în afara ordinii comenzilor).
3. Ștergerea conductei atunci când o instrucțiune de ramificare o atinge (această problemă poate fi netezită folosind predicția ramurilor).

Unele procesoare moderne au mai mult de 30 de etape în proces, ceea ce îmbunătățește performanța procesorului, dar duce, totuși, la o creștere a timpului de inactivitate (de exemplu, în cazul unei erori în predicția ramurilor condiționate). Nu există un consens cu privire la lungimea optimă a conductei: programe diferite pot avea cerințe semnificativ diferite.

Arhitectura suprascalar

Abilitatea de a executa mai multe instrucțiuni de mașină într-un singur ciclu de procesor prin creșterea numărului de unități de execuție. Apariția acestei tehnologii a dus la o creștere semnificativă a performanței, în același timp, există o anumită limită a creșterii numărului de dispozitive executive, peste care performanța practic încetează să crească, iar dispozitivele executive sunt inactive. O soluție parțială la această problemă este, de exemplu, tehnologia Hyper-threading .

Procesoare CISC

Computer set complex de instrucțiuni - calcule cu un set complex de comenzi. O arhitectură de procesor bazată pe un set de instrucțiuni sofisticat. Reprezentanții tipici ai CISC sunt microprocesoarele din familia x86 (deși de mulți ani aceste procesoare au fost CISC doar printr-un sistem de instrucțiuni extern: la începutul procesului de execuție, instrucțiunile complexe sunt defalcate în micro-operații mai simple (MOS) executate de către miezul RISC ).

Procesoare RISC

Calculator cu set de instrucțiuni redus - calcule cu un set simplificat de instrucțiuni (în literatură, cuvântul redus este adesea tradus greșit prin „redus”). Arhitectura procesoarelor, construită pe baza unui set de instrucțiuni simplificat, se caracterizează prin prezența instrucțiunilor cu lungime fixă, un număr mare de registre, operațiuni de la registru la registru și absența adresei indirecte. Conceptul de RISC a fost dezvoltat de John Cock de la IBM Research, numele a fost inventat de David Patterson.

Simplificarea setului de instrucțiuni are scopul de a reduce conducta, ceea ce evită întârzierile în operațiunile de salturi condiționate și necondiționate. Un set omogen de registre simplifică munca compilatorului atunci când optimizează codul de program executabil. În plus, procesoarele RISC se caracterizează printr-un consum redus de energie și prin disiparea căldurii.

Implementările timpurii ale acestei arhitecturi au inclus procesoare MIPS , PowerPC , SPARC , Alpha , PA-RISC . Procesoarele ARM sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele mobile .

Procesoare MISC

Calculator set minim de instrucțiuni - calcule cu un set minim de comenzi. Dezvoltarea în continuare a ideilor echipei lui Chuck Moore, care consideră că principiul simplității, care era inițial pentru procesoarele RISC, a dispărut prea repede în fundal. În plină cursă pentru performanță maximă, RISC a ajuns din urmă și a depășit multe procesoare CISC în ceea ce privește complexitatea. Arhitectura MISC se bazează pe un model de calcul stivă cu un număr limitat de instrucțiuni (aproximativ 20-30 de instrucțiuni).

Procesoare VLIW

Cuvânt de instrucție foarte lung - un cuvânt de instrucție foarte lung. Arhitectura procesoarelor cu paralelism exprimat explicit al calculelor încorporate în setul de instrucțiuni al procesorului. Ele sunt baza pentru arhitectura EPIC . Diferența cheie față de procesoarele CISC superscalare este că, pentru procesoarele CISC, o parte a procesorului (scheduler-ul) este responsabilă pentru încărcarea dispozitivelor de execuție, ceea ce durează destul de scurt, în timp ce compilatorul este responsabil pentru încărcarea dispozitivelor de calcul pentru procesorul VLIW. , care necesită o perioadă semnificativă de timp.mai mult timp (calitatea descărcării și, în consecință, performanța ar trebui teoretic să fie mai mare).

De exemplu, Intel Itanium , Transmeta Crusoe , Efficeon și Elbrus .

Procesoare multi-core

Conține mai multe nuclee de procesor într-un singur pachet (pe unul sau mai multe cipuri).

Proiectate pentru a rula o singură copie a unui sistem de operare pe mai multe nuclee, procesoarele sunt o implementare foarte integrată a multiprocesării .

Primul microprocesor multi-core a fost IBM POWER4 , care a apărut în 2001 și avea două nuclee.

În octombrie 2004, Sun Microsystems a lansat procesorul dual-core UltraSPARC IV , care consta din două nuclee UltraSPARC III modificate . La începutul anului 2005, a fost creat UltraSPARC IV+ dual-core.

La 9 mai 2005, AMD a introdus primul procesor dual-core, cu un singur cip pentru PC-uri de consum, Athlon 64 X2 cu nucleu Manchester. Livrările noilor procesoare au început oficial la 1 iunie 2005.

Pe 14 noiembrie 2005, Sun a lansat UltraSPARC T1 cu opt nuclee, cu 4 fire per nucleu .

Pe 5 ianuarie 2006, Intel a introdus un procesor dual-core pe un singur cip Core Duo pentru platforma mobilă.

În noiembrie 2006, a fost lansat primul procesor quad-core Intel Core 2 Quad bazat pe nucleul Kentsfield, care este un ansamblu de două cristale Conroe într-un singur pachet. Descendentul acestui procesor a fost Intel Core 2 Quad pe nucleul Yorkfield (45 nm), care este similar arhitectural cu Kentsfield, dar are un cache și frecvențe de operare mai mari.

În octombrie 2007, UltraSPARC T2 cu opt nuclee a intrat în vânzare , fiecare nucleu rulând 8 fire.

Pe 10 septembrie 2007, au fost lansate spre vânzare procesoare quad-core reale (sub forma unui singur cip) pentru serverele AMD Opteron , care aveau numele de cod AMD Opteron Barcelona [2] în timpul dezvoltării . 19 noiembrie 2007 a intrat în vânzare procesor quad-core pentru computerele de acasă AMD Phenom [3] . Aceste procesoare implementează noua microarhitectură K8L (K10).

AMD și-a urmat propriul drum, producând procesoare quad-core pe o singură matriță (spre deosebire de Intel, ale cărui primele procesoare quad-core lipesc de fapt două matrițe dual-core). În ciuda întregii progresivități a acestei abordări, primul „quad-core” al companiei, numit AMD Phenom X4, nu a avut prea mult succes. Rămâne în urmă față de procesoarele contemporane ale concurentului a variat între 5 și 30 la sută sau mai mult, în funcție de model și sarcini specifice [4] .

Până în trimestrul 1-2 din 2009, ambele companii și-au actualizat liniile de procesoare quad-core. Intel a introdus familia Core i7 , formată din trei modele care rulează la frecvențe diferite. Principalele puncte de atracție ale acestui procesor sunt utilizarea unui controler de memorie cu trei canale (tip DDR3) și a tehnologiei de emulare cu opt nuclee (utilă pentru anumite sarcini specifice). În plus, datorită optimizării generale a arhitecturii, a fost posibilă îmbunătățirea semnificativă a performanței procesorului în multe tipuri de sarcini. Partea slabă a platformei care utilizează Core i7 este costul său excesiv, deoarece instalarea acestui procesor necesită o placă de bază scumpă bazată pe chipset-ul Intel X58 și un set de memorie DDR3 cu trei canale , care este, de asemenea, foarte scump în prezent.

AMD, la rândul său, a introdus o linie de procesoare Phenom II X4. În timpul dezvoltării sale, compania a ținut cont de greșelile sale: dimensiunea memoriei cache a fost crescută (comparativ cu prima generație Phenom), procesoarele au început să fie fabricate conform tehnologiei de proces de 45 nm (aceasta, în consecință, a făcut posibilă reducerea căldurii). disipare și crește semnificativ frecvențele de funcționare). În general, performanța AMD Phenom II X4 este la egalitate cu procesoarele Intel din generația anterioară (core Yorkfield) și rămâne cu mult în urma Intel Core i7 [5] . Odată cu lansarea procesorului cu 6 nuclee AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T, situația s-a schimbat ușor în favoarea AMD.

Începând cu 2013, procesoarele cu două, trei, patru și șase nuclee, precum și procesoarele AMD cu două, trei și patru module din generația Bulldozer (numărul de nuclee logice este de 2 ori mai mare decât numărul de module) sunt disponibil pe scară largă. În segmentul de servere, sunt disponibile și procesoare Xeon și Nehalem cu 8 nuclee (Intel) și Opteroni cu 12 nuclee (AMD). [6]

Memorarea în cache

Memorarea în cache este utilizarea unei memorie adiționale de mare viteză (așa-numita cache  - cache în engleză  , din franceza cacher  - „ascunde”) pentru a stoca copii ale blocurilor de informații din memoria principală (RAM), probabilitatea de accesare care este mare. in viitorul apropiat.  

Există cache ale nivelurilor 1, 2 și 3 (notate cu L1, L2 și L3 - de la Nivelul 1, Nivelul 2 și Nivelul 3). Cache-ul de nivel 1 are cea mai mică latență (timp de acces), dar o dimensiune mică, în plus, cache-urile de nivel 1 sunt adesea făcute multiportate. Deci, procesoarele AMD K8 au putut efectua atât scriere, cât și citire pe 64 de biți, sau două citiri pe 64 de biți pe ciclu, AMD K8L poate efectua două citiri sau scrieri pe 128 de biți în orice combinație. Procesoarele Intel Core 2 pot face scriere și citire pe 128 de biți pe ceas. Un cache L2 are de obicei o latență de acces semnificativ mai mare, dar poate fi mult mai mare. Cache-ul de nivel 3 este cel mai mare și este destul de lent, dar este totuși mult mai rapid decât RAM.

Arhitectura Harvard

Arhitectura Harvard diferă de arhitectura von Neumann prin faptul că codul programului și datele sunt stocate în memorie diferită. Într-o astfel de arhitectură, multe metode de programare sunt imposibile (de exemplu, un program nu își poate schimba codul în timpul execuției; este imposibil să realocați dinamic memoria între codul programului și date); pe de altă parte, arhitectura Harvard permite o muncă mai eficientă în cazul resurselor limitate, deci este adesea folosită în sistemele încorporate.

Arhitectură paralelă

Arhitectura von Neumann are dezavantajul de a fi secventiala. Oricât de mare ar trebui procesată matricea de date, fiecare octet al acestuia va trebui să treacă prin procesorul central, chiar dacă este necesară aceeași operațiune pe toți octeții. Acest efect se numește blocaj von Neumann .

Pentru a depăși acest neajuns, au fost și sunt propuse arhitecturi de procesoare, care se numesc paralele . Procesoarele paralele sunt folosite în supercalculatoare .

Opțiunile posibile pentru o arhitectură paralelă sunt (conform clasificării lui Flynn ):

• SISD  - un flux de comandă, un flux de date;
• SIMD  - un flux de instrucțiuni, multe fluxuri de date;
• MISD  - multe fluxuri de comandă, un flux de date;
• MIMD  - multe fluxuri de comandă, multe fluxuri de date.

Procesoare digitale de semnal

Pentru procesarea semnalului digital , în special cu timp de procesare limitat, se folosesc microprocesoare de semnal specializate de înaltă performanță ( procesor de semnal digital , DSP ) cu o arhitectură paralelă . 

Procesul de fabricație

Inițial, dezvoltatorilor li se dă o sarcină tehnică, pe baza căreia se ia o decizie cu privire la care va fi arhitectura viitorului procesor, structura sa internă, tehnologia de fabricație. Diverse grupuri au sarcina de a dezvolta blocurile funcționale corespunzătoare ale procesorului, asigurând interacțiunea lor și compatibilitatea electromagnetică. Datorită faptului că procesorul este de fapt o mașină digitală care respectă pe deplin principiile algebrei booleene , un model virtual al viitorului procesor este construit folosind un software specializat care rulează pe un alt computer. Testează procesorul, execută comenzi elementare, cantități semnificative de cod, elaborează interacțiunea diferitelor blocuri ale dispozitivului, îl optimizează și caută erori care sunt inevitabile într-un proiect de acest nivel.

După aceea, se construiește un model fizic al procesorului din cristale matrice digitale de bază și microcircuite care conțin blocuri funcționale elementare ale electronicii digitale, pe care se verifică caracteristicile electrice și temporale ale procesorului, se testează arhitectura procesorului, se corectează erorile constatate. continuă, iar problemele de compatibilitate electromagnetică sunt clarificate (de exemplu, cu frecvența de ceas aproape obișnuită de 1 GHz, lungimi de conductor de 7 mm funcționează deja ca antene de transmisie sau recepție).

Începe apoi etapa muncii comune a inginerilor de circuite și a inginerilor de proces care, folosind software specializat, convertesc circuitul electric care conține arhitectura procesorului într-o topologie de cip. Sistemele moderne de proiectare automată fac posibilă, în cazul general, obținerea directă a unui pachet de șabloane pentru crearea măștilor dintr-un circuit electric. În această etapă, tehnologii încearcă să implementeze soluțiile tehnice stabilite de inginerii de circuite, ținând cont de tehnologia disponibilă. Această etapă este una dintre cele mai lungi și mai dificil de dezvoltat și rareori necesită compromisuri din partea proiectanților de circuite pentru a abandona unele decizii arhitecturale. O serie de producători de microcircuite personalizate (turtorie) oferă dezvoltatorilor (centru de proiectare sau companie fără fabrică ) o soluție de compromis, în care, în etapa de proiectare a procesorului, bibliotecile de elemente și blocuri prezentate de aceștia, standardizate în conformitate cu tehnologia disponibilă ( Celulă standard ), sunt utilizate. Acest lucru introduce o serie de restricții asupra soluțiilor arhitecturale, dar stadiul ajustării tehnologice se reduce de fapt la jocul Lego. În general, microprocesoarele personalizate sunt mai rapide decât procesoarele bazate pe biblioteci existente.

Următorul, după etapa de proiectare, este crearea unui prototip de cip cu microprocesor. La fabricarea circuitelor integrate ultra-mari moderne, se utilizează metoda litografiei . În același timp, straturi de conductori, izolatori și semiconductori sunt aplicate alternativ pe substratul viitorului microprocesor (un cerc subțire de siliciu monocristal de calitate electronică ( Siliciu de calitate electronică , EGS ) sau safir) prin măști speciale care conțin sloturi. . Substanțele corespunzătoare sunt evaporate în vid și depuse prin orificiile măștii de pe cipul procesorului. Uneori se folosește gravarea, atunci când un lichid agresiv corodează zone ale cristalului care nu sunt protejate de o mască. În același timp, pe substrat se formează aproximativ o sută de cipuri de procesor. Rezultatul este o structură complexă cu mai multe straturi, care conține sute de mii până la miliarde de tranzistori. În funcție de conexiune, tranzistorul funcționează în microcircuit ca tranzistor, rezistor, diodă sau condensator. Crearea acestor elemente pe un cip separat, în cazul general, este neprofitabilă. După încheierea procedurii de litografie, substratul este tăiat în cristale elementare. La plăcuțele de contact formate pe ele (din aur), se lipează conductori subțiri de aur, care sunt adaptoare la plăcuțele de contact ale carcasei microcircuitului. În plus, în cazul general, radiatorul cristalului și capacul pentru cip sunt atașate.

Apoi începe etapa de testare a prototipului procesorului, când se verifică conformitatea acestuia cu caracteristicile specificate și se caută erorile rămase nedetectate. Abia după aceea microprocesorul este pus în producție. Dar chiar și în timpul producției, există o optimizare constantă a procesorului asociată cu îmbunătățirea tehnologiei, noi soluții de proiectare și detectarea erorilor.

Concomitent cu dezvoltarea microprocesoarelor universale, sunt dezvoltate seturi de circuite de computer periferice care vor fi utilizate împreună cu microprocesorul și pe baza cărora sunt create plăcile de bază. Dezvoltarea unui set de microprocesoare ( chipset , chipset englezesc  ) este o sarcină nu mai puțin dificilă decât crearea propriului cip de microprocesor.

În ultimii câțiva ani, a existat o tendință de a transfera unele dintre componentele chipset-ului (controler de memorie, controler de magistrală PCI Express) în procesor (pentru mai multe detalii, consultați: System on a chip ).

Consumul de energie al procesorului

Consumul de energie al procesorului este strâns legat de tehnologia de fabricație a procesorului.

Primele procesoare cu arhitectură x86 consumau o cantitate foarte mică (după standardele moderne) de putere, care este o fracțiune de watt . O creștere a numărului de tranzistori și o creștere a frecvenței de ceas a procesoarelor au condus la o creștere semnificativă a acestui parametru. Cele mai productive modele consumă 130 sau mai mulți wați. Factorul de consum de energie, care la început era nesemnificativ, are acum un impact serios asupra evoluției procesoarelor:

• îmbunătățirea tehnologiei de producție pentru reducerea consumului, căutarea de noi materiale pentru reducerea curenților de scurgere, scăderea tensiunii de alimentare a nucleului procesorului;
• apariția unor prize (prize pentru procesoare) cu un număr mare de contacte (mai mult de 1000), dintre care majoritatea sunt concepute pentru a alimenta procesorul. Deci, procesoarele pentru popularul soclu LGA775 au 464 de contacte principale de alimentare (aproximativ 60% din total);
• modificarea aspectului procesoarelor. Cristalul procesorului s-a mutat din interior spre exterior pentru o mai bună disipare a căldurii către radiatorul sistemului de răcire;
• instalarea senzorilor de temperatură în cristal și a unui sistem de protecție împotriva supraîncălzirii care reduce frecvența procesorului sau chiar o oprește dacă temperatura crește inacceptabil;
• apariția în cele mai recente procesoare a sistemelor inteligente care modifică dinamic tensiunea de alimentare, frecvența blocurilor individuale și a nucleelor ​​de procesor și dezactivează blocurile și nucleele neutilizate;
• apariția unor moduri de economisire a energiei pentru procesorul „adormitor” la sarcină redusă.

Temperatura de funcționare a procesorului

Un alt parametru CPU este temperatura maximă admisă a unui cristal semiconductor ( TJMax ) sau a suprafeței procesorului, la care este posibilă funcționarea normală. Multe procesoare de consum sunt operabile la temperaturi de suprafață (cipuri) nu mai mari de 85 °C [7] [8] . Temperatura procesorului depinde de volumul de lucru al acestuia și de calitatea radiatorului. Dacă temperatura depășește maximul permis de producător, nu există nicio garanție că procesorul va funcționa normal. În astfel de cazuri, pot apărea erori în funcționarea programelor sau blocarea computerului. În unele cazuri, sunt posibile modificări ireversibile în interiorul procesorului însuși. Multe procesoare moderne pot detecta supraîncălzirea și își pot limita propria performanță în acest caz.

Disiparea căldurii procesorului și disiparea căldurii

Radiatoarele pasive și răcitoarele active sunt folosite pentru a elimina căldura de la microprocesoare . Pentru un contact mai bun cu radiatorul, pe suprafața procesorului se aplică pastă termică .

• Radiator Gigabyte BRIX Nettop

• Radiatoare bazate pe cipuri Raspberry Pi

• Cooler CPU, inclusiv radiator și ventilator. Acesta din urmă are iluminat decorativ

Măsurarea și afișarea temperaturii microprocesorului

Pentru a măsura temperatura microprocesorului, de obicei în interiorul microprocesorului, un senzor de temperatură al microprocesorului este instalat în centrul capacului microprocesorului . La microprocesoarele Intel, senzorul de temperatură este o diodă termică sau un tranzistor cu un colector închis și bază ca o diodă termică, la microprocesoarele AMD este un termistor.

Producători

Cele mai populare procesoare astăzi produc:

• pentru computere personale, laptopuri și servere - Intel și AMD ;
• pentru supercalculatoare - Intel și IBM ;
• pentru acceleratoare grafice și calcul de înaltă performanță - NVIDIA și AMD
• pentru telefoane mobile și tablete [9]  - Apple , Samsung , HiSilicon și Qualcomm .

Majoritatea procesoarelor pentru computere personale, laptopuri și servere sunt compatibile cu Intel în ceea ce privește instrucțiunile. Majoritatea procesoarelor utilizate în prezent în dispozitivele mobile sunt compatibile cu ARM , adică au un set de instrucțiuni și interfețe de programare dezvoltate de ARM Limited .

Procesoare Intel : 8086 , 80286 , i386 , i486 , Pentium , Pentium II , Pentium III , Celeron (versiunea simplificată de Pentium), Pentium 4 , Core 2 Duo , Core 2 Quad , Core i3 , Core i5 , Core i9 , , Core i7 Xeon (serie de procesoare pentru servere), Itanium , Atom (seria de procesoare pentru tehnologie încorporată), etc.

AMD are în linia sa de procesoare cu arhitectură x86 (analogice 80386 și 80486, familia K6 și familia K7 - Athlon , Duron , Sempron ) și x86-64 ( Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Ryzen 3 , Ryzen 5 , Ryzen 97 ) , Phenom , Opteron , etc.). Procesoarele IBM ( POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC ) sunt folosite în supercomputere, set-top box-uri video de generația a 7-a, tehnologie încorporată; folosit anterior pe computerele Apple .

Cotele de piață ale vânzărilor de procesoare pentru computere personale, laptopuri și servere pe ani:

URSS/Rusia

China

• Familia Loongson (finul).
• Familia Shenwei (SW).
• Familia YinHeFeiTeng (FeiTeng).

Japonia

• NEC VR ( MIPS , 64 de biți)
• Hitachi S.H. ( RISC ) [13] [14]

Mitul megahertzului

O concepție greșită comună în rândul consumatorilor este că procesoarele cu tac mai mare au întotdeauna rezultate mai bune decât procesoarele cu tac mai scăzut. De fapt, comparațiile de performanță bazate pe comparațiile vitezei de ceas sunt valabile numai pentru procesoarele care au aceeași arhitectură și microarhitectură .

Vezi și

• coprocesor
• Criptoprocesor
• Platformă hardware pentru computer
• Legea lui Moore
• Controler de întrerupere
• Întrerupe
• Interfata termica
• Accelerarea ceasului

Note

1. ↑ 4004 fișă de date
2. ↑ AMD Barcelona este deja la vânzare
3. ↑ AMD Phenom: teste ale unui procesor quad-core real
4. ↑ AMD Phenom X4 9850: despre erorile recuperabile și nerecuperabile iXBT.com, 2008
5. ↑ AMD Phenom II X4: testele noului procesor de 45 nm THG.ru
6. ↑ AMD a dat undă verde procesoarelor cu 8 și 12 nuclee din seria Opteron 6100 overclockers.ua
7. ↑ R. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. Mediul auto în schimbare: electronice de înaltă temperatură  (în engleză)  (link nu este disponibil) . TRANZACȚII EEE PRIVIND PRODUCȚIA DE AMBALARE ELECTRONICĂ, VOL. 27, nr. 3, IULIE 2004 164-176. IEEE (iulie 2004). - „Semiconductori: temperatura ambientală nominală maximă pentru majoritatea circuitelor integrate pe bază de siliciu este de 85 C, ceea ce este suficient pentru aplicații de produse de consum, portabile și de calcul.” Dispozitivele pentru aplicații militare și auto sunt de obicei evaluate la 125 C.". Data accesului: 26 mai 2015. Arhivat din original pe 27 mai 2015.
8. ↑ Ebrahimi Khosrow; Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer. O revizuire a tehnologiei de răcire a centrelor de date, a condițiilor de funcționare și a oportunităților corespunzătoare de recuperare a căldurii reziduale de calitate scăzută.  (engleză) . Evaluări privind energia regenerabilă și durabilă 31 622-638. Elsevier Ltd (2014). - ", majoritatea cercetărilor de management termic al electronicii 85 °C consideră temperatura maximă admisă de joncțiune pentru funcționarea sigură și eficientă a microprocesoarelor". Preluat: 26 mai 2015.
9. ↑ https://sweetcode.io/strategy-analytics-q1-2018-smartphone-apps-processor-market-share-chips-with-on-device-artificial-intelligence-ai-grew-three-fold/
10. ↑ CNews 2010 AMD a scăzut cota de piață de la Intel (link inaccesibil) . Consultat la 29 iunie 2019. Arhivat din original pe 7 iunie 2015. (nedefinit) 
11. ↑ Intel isi intareste pozitia pe piata procesoarelor - Afaceri - Cercetare de piata - Compulenta
12. ↑ 1 2 Benchmarks CPU PassMark - AMD vs Intel Market Share
13. ↑ Procesoare RISC pentru periferice
14. ↑ Microprocesoare fabricate în Japonia

Literatură

• Scott Mueller. Upgrading and Repairing PCs = Upgrading and Repairing PCs. - Ed. a XVII-a. - M. : Williams , 2007. - S. 59-241. — ISBN 0-7897-3404-4 .
• Nikolay Alekseev. Evoluția siliciului  // ComputerBild  : jurnal. - 2011. - 10 octombrie ( Nr. 22 ). - S. 80-85 .
• Kagan Boris Moiseevich Calculatoare și sisteme electronice. A treia editie. M.: Energoatomizdat, 1991. - 590 p.
• Lazarev V. G., Piil E. I. Sinteza automatelor de control 1989.

Link -uri

• O scurtă istorie a procesoarelor: 31 de ani în viața arhitecturii pe hwp.ru
• Chris Kaspersky . RISC vs. CISC  (link indisponibil) , Computerra, 1999
• CALCULATOR: Unitate centrală de procesare Enciclopedie online universală populară Krugosvet
• Comparația performanței procesorului la cpubenchmark.net 
• Comparația performanței procesorului mobil la notebookcheck-ru.com 
• Baza de date procesoare (fotografii și specificații) la cpu-world.com  (ing.)

Dicționare și enciclopedii	mare danez mare chinezesc Mare norvegian Rusă mare Britannica (online) Treccani