Центральний процесор комп'ютера (ЦПУ)

Надійний апарат для лазерної епіляції ціна від постачальника в Україні
3dc1ab76
Центральный процессор компьютера (ЦПУ)

Сьогодні ми розглядаємо центральний процесор комп'ютера CPU (Central Processing Unit - центральне обробляє пристрій або ЦПУ). Це серце системного блоку або, якщо хочете, - його мозок! На жаргоні комп'ютерників його іноді називають «камінь» (кристалічний кремній дійсно схожий на камінь).

Це головний обробник надходить в комп'ютер інформації. Центральний процесор виконує всі необхідні математичні операції зі вступниками даними, виробляє різні вибірки з баз даних, архівує і розархівуйте наші файли, займається кодуванням відео, обробляє модель фізичного взаємодії частинок в улюбленій комп'ютерній грі, нарешті!

Центральний процесор сучасного комп'ютера робить дуже багато, простіше буде перерахувати те, чого він не робить :)

Ось кілька фотографій ЦПУ:

Перша фотографія, це двоядерний центральний процесор фірми «Intel», друга - його тильна сторона. Цією стороною він і вставляється в процесорний роз'єм (сокет «socket») на материнській платі . На цих фото ми бачимо CPU форм фактора «LGA-775». Абревіатура «LGA» це скорочення від англ. «Land Grid Array» - тип корпусу з матрицею контактних майданчиків. Застарілі моделі поставлялися в корпусах «PGA» (Pin Grid Array - матриця штирьковий контактів), саме такий застарілий процесор представлений на останньому фото вище.

Введення нового форм фактора було обумовлено тим, що кількість «ніжок» (штирьків-висновків) CPU попередніх поколінь зросла до такої міри, що між ними почали з'являтися паразитні електричні наведення, що впливають на роботу кінцевого пристрою. Особливість «LGA» в тому, що самі контакти перенесені з корпусу процесора на поверхню роз'єму (сокета), який розташований на материнській платі. На підкладці чіпа залишаються тільки контактні поверхні (так звані «п'ятачки»).

У старших моделях комп'ютерів установка процесора була пов'язана з певним ризиком зігнути або (не дай Бог) зламати одну з декількох сотень PGA ніжок. Страшний сон збирача комп'ютерів! :) Зараз все набагато простіше.

Те що ми бачимо на фотографіях вище, - зовнішня оболонка центрального процесора комп'ютера. Її функція полягає в тому щоб захистити ядро ​​(сам кристал кремнію) від механічного впливу, забезпечити площа контакту з системою охолодження (радіатором), а також - надати електричний контакт для живлення пристрою (фотографії вище під номером «1» і «2»).

Центральний процесор комп'ютера складається з квадратної пластинки текстоліту, в яку намертво вмонтовано його ядро ​​(кристал кремнію), а також - висновки електричних контактів, плюс - захисна кришка зверху. Що знаходиться під цією кришкою ми розглядали ось тут.

Процес виготовлення готових чіпів можна описати приблизно так: на тонку кремнієву основу (підкладку) через спеціальні «маски» з прорізами методом літографії по черзі наносяться шари провідників, напівпровідників і ізоляторів. Іноді використовується процес витравлення елементів на кристалі (через ті ж отвори в «масці»). Після закінчення процедури підкладка розпилюється на квадрати, які вдягаються в захисну і теплопроводящую оболонку, забезпечуються контактними майданчиками і виріб готовий!

Зараз ринок десктопних процесорів ділять між собою майже виключно дві великі компанії: «Intel» і «AMD». За даними на 2011 рік перша «тримала» понад 80% цього ринку, а друга - трохи більше 10%. Зовсім інша справа, - стрімко розвивається ринок мобільних процесорів. Тут представлено просто величезна кількість компаній, що випускають свої рішення (ну, не зовсім «свої», але про це ми поговоримо в іншій статті).

Схематично внутрішній устрій CPU можна зобразити таким чином:

Ось наочне фото кристала CPU в розрізі:

А це - потужний двоядерний «Athlon»:

Так, ось ще одна фотографія, для повноти картини так сказати:

Це теж процесор комп'ютера, просто в іншому конструктивному виконанні. Були, свого часу, подібні зразки, текстолитовая плата яких вставлялася вертикально в спеціальний роз'єм на материнській платі. Він називався (Slot A), звідси пішов термін «слотові процесори». Найбільше на вигляд конструкція нагадує картридж ігрової приставки з вентилятором збоку :)

Якщо торкнутися такого важливого аспекту, як продуктивність ЦП, то вона прямо залежить від декількох складових і з них же складається:

  • його тактової частоти
  • кількості ядер
  • кількості і швидкості кеш пам'яті

Розберемо кожен з пунктів докладніше. Тактова частота процесора вимірюється в герцах (Гц).

Примітка: Герц (Hz) - одиниця вимірювання частоти періодичних процесів (в даному випадку - коливань). Наприклад, 1 Герц - одне таке коливання (такт) в секунду.

Вимірювати тактову частоту (продуктивність) центрального процесора в Герцах незручно (занадто великі виходять числа). Тому тут застосовуються такі величини, як мегагерци і гигагерци. Мегагерц (Mhz) це - один мільйон Герц (1 000 000 Hz). Гігагерц (Ghz) ​​це - 1000 мегагерц (Mhz) або - один мільярд Герц (1 000 000 000 Hz).

Відповідно до викладеного вище виходить, що ЦП з тактовою частотою в 3 гігагерца це - 3000 мегагерц або три мільярди герц! Умовно можна сказати так, чим вище частота, тим більше інструкцій можна обробити за одиницю часу. Згідно описаного прикладу, процесор в 3 Ghz (Ггц) може виконувати три мільярди операцій в секунду.

Для кращого засвоєння - подивіться невелике тематичне відео:

Подивитися значення тактової частоти можна, натиснувши правою кнопкою миші на пікторгамме «Мій комп'ютер» на робочому столі і вибравши з випав меню пункт «Властивості». На скріншоті нижче наведені зображення з даною інформацією для операційних систем "Windows 7» і «Windows XP».

Також цей показник можна побачити в процесі початкового завантаження операційної системи, зайшовши в біос або скористатися однією з спеціалізований утиліт, навроде «CpuZ». Ця чудова програма покаже не тільки значення тактової частоти, а й ще багато іншої корисної інформації.

Примітка: досить докладно роботу даної програми ми розглядали ось тут, тому не будемо повторюватися.

Пам'ятаєте знамените «закон» Гордона Мура, виведений ним ще в далекому 1975-му році: «Продуктивність сучасних процесорів повинна збільшуватися удвічі кожні 24 місяці!» Треба віддати належне цим прогнозом: так воно і було, до якогось моменту. Виробники процесорів просто регулярно збільшували тактову частоту своїх пристроїв (на тлі інших поліпшень, у вигляді паралельної обробки команд, розширення списку підтримуваних інструкцій, зменшення техпроцесу і т.д.), що дозволяло підтримувати живучість цього твердження.

Зрозуміло, що нескінченно так тривати не могло: великі частоти вимагають радикальної переробки системи охолодження стрімко нагрівається чіпа. Сам автор затвердження в 2007-му році сказав, що, по видимому, довго «закон» не проіснує. Справа в тому, що при досягненні певного порогу частоти (в діапазоні від 4000 до 5000 мегагерц) будь-які процесори починають працювати не стабільно і вимагають ускладнену систему охолодження.

Оверклокери ( «розгонщики» центральних процесорів) зі стажем стверджують, що приблизний межа розігнаного процесора з повітряним охолодженням складає 4000-4500 Mhz. Тут треба розуміти, що - це кращі зразки чіпів, найбільш вдалі з партії, а таких може бути один на кілька десятків, плюс топова материнська плата, що дозволяє подати на неї підвищена напруга і підвищити частоту FSB, дорога (оверклокерская) пам'ять з додатковим охолодженням і т.д. Якщо на той же ЦП встановити водяну систему охолодження, то можна підняти частоту до 5000, але не факт що вдасться домогтися при цьому стабільної роботи пристрою у всіх додатках.

Примітка: FSB (Front Side Bus - системна або фронтальна шина), - високошвидкісний інтерфейс для забезпечення взаємодії між процесором комп'ютера і іншими периферійними пристроями та модулями, розташованими на материнській платі. Частота системної шини - це швидкість, з якою ядро процесора обмінюється даними з ОЗУ, дискретною відеокартою, контролерами жорстких дисків і т.д.

Справжні «маніяки» своєї справи не зупиняються і на цьому і в хід йде «важка артилерія» на зразок охолодження із застосуванням фреону, рідкого металу, гелію і навіть рідкого азоту! Останній варіант дозволяє «вичавити» з нещасного пристрої рекордні 6000 мегагерц і навіть більше! З іншого боку, навряд чи Ви захочете працювати на комп'ютері, вкритому кіркою льоду? :)

Зараз настав той момент, коли частота і загальну швидкодію сучасних комп'ютерів цілком достатні для вирішення більшості завдань рядового користувача ПК (зараз опускаємо гри і серйозні додатки для моделювання чого-небудь). Саме тому просте збільшення цього показника вже не буде давати такого відчутного приросту швидкості в повсякденних (офісних) завданнях, як раніше. Зараз продуктивність сучасних ПК багато в чому визначається іншими параметрами і їх поєднанням.

Одним з таких параметрів є об'єднання під одним теплорассеівающей кришкою великої кількості ядер (на даний момент їх кількість може досягати дванадцяти штук). Тут арифметика проста: чим більше ядер, тим вища продуктивність (при інших рівних умовах). Адже всі процеси, в такому випадку, починають виконуватися паралельно (на кожному з ядер), що (в теорії) має відчутно підвищити загальну швидкодію. На практиці виходить ... по різному :)

Деякі з додатків просто «не знають» що можна працювати з декількома ядрами, деякі роблять це погано і тільки у спеціально «заточених» під багатоядерність додатків спостерігається істотний приріст. Є програми, які практично не піддаються распараллеливанию. Наприклад, офісні додатки ( «Microsoft Word» або «Open Office»). Інші завдання, такі як кодування відео / аудіо, компіляція програмного коду, рендеринг тривимірної сцени, навпаки дуже чутливі до багатопотокової обробці і максимальний виграш отримують саме при такому підході.

Локомотивом багатоядерності по праву вважаються серверні варіанти центральних процесорів. Це «Intel Xeon» і «AMD Opteron» відповідно. Серверні рішення характеризуються підвищеною швидкодією (за рахунок великого кеша) і масштабованість (можуть мати кілька фізичних процесорів з великою кількістю ядер всередині кожного). Подібні системи ентузіасти іноді встановлюють і у себе вдома на звичайні материнські плати, але це скоріше заради спортивного інтересу :) В основному ж, подібні процесори використовуються в рекових серверах, які монтуються в спеціальні стійки.

Примітка: (Rack - стійка / полку) Реков монтаж (RackMount) - принцип організації комутаційного обладнання.

Ось так подібний сервер може виглядати окремо:

А ось так - в Реков 19-ти дюймовій стійці (її ще називають телекомунікаційної стійкою):

Бувають навіть закриваються на замки цілі телекомунікаційні шафи (Protective Cabinet). Вони можуть виглядати, наприклад, ось так:

Детально про те, як подібні сервера влаштовані всередині, які у них процесори і як організована серверна кімната у нас на роботі ми розглядали в одному з уроків.

На базі подібних рішень будують так звані суперкомп'ютери. Наприклад, компанія «Intel» вже випустила 16-ти ядерні Xeon-и і розглядає варіанти рішень з 22-24 і 28-ми ядрами. Розумієте, куди все це справа рухається, так? Так що жарт команди КВН «Уральські пельмені» про 48-ми ядерному процесорі, вимовлена ​​в 2012-му році вже не виглядає такою вже жартом! :)

Упевнений, з часом більшість додатків буде ефективно працювати на багатоядерних системах, зараз поки з цим не все так райдужно. Але виробники центрльних процесорів наполегливо нарощують цей показник і зараз вже є настільні системи з 12-ю ядрами. Навіщо? Ну, треба ж якось пояснити покупцеві, чому він просто зобов'язаний купити цей новий процесор ?! :)

Третім за важливістю компонентом центрального процесора комп'ютера є його кеш. Кеш - це невелика кількість дуже швидкої пам'яті, яка розташована в самому ядрі і служить для збереження проміжних результатів обчислень, а також може зберігати в собі копії найбільш часто використовуваних даних з оперативної пам'яті комп'ютера. Кеш може виконувати роль своєрідного «моста» зі швидкісним рухом між оперативною пам'яттю і центральним процесором комп'ютера.

Кеш ділиться на кеш інструкцій (для прискорення завантаження машинного коду) і кеш даних, обслуговуючий призначені для користувача запити. Останній часто має кілька рівнів (Level 1, Level 2 і Level 3). Кожен наступний рівень більше (за обсягом пам'яті) попереднього, але повільніше за швидкодією. Чому саме так? Здається, для здешевлення кінцевого продукту :) Але своє така конструкція дає, - істотне зниження затримок звернення CPU до оперативної пам'яті. Це своєрідний буфер між нею і ЦПУ.

Є специфічні завдання, де кеш процесора відіграє не останню роль. Вважається, що до таких належить процес архівування масивів інформації і пристрої з великим і швидким кешем справляються з нею краще.

Як ми бачимо, самі по собі ні частота, ні багатоядерність, ні великий кеш не гарантують нам підвищення швидкодії абсолютно у всіх завданнях! Десь досить буде просто великій швидкості (частоти), десь потрібно багатозадачність - виконання операції паралельно на декількох ядрах. Тут потрібен комплексний підхід і тонкий баланс між усіма складовими.

Йдемо далі! Оскільки ЦП працює, на нього подається електричний струм. Це призводить до того, що він гріється. Щоб уникнути такого неприємного явища, як перегрів процесора комп'ютера на нього встановлюють різні системи охолодження (безшумні водяні або ж на основі повітряного охолодження, забезпечені вентиляторами).

Незважаючи на постійне зменшення технологічного процесу і оптимізацію енергоспоживання, топові моделі процесорів наполегливо штурмують планку TDP в 200 Ватт, а деякі (AMD) її вже успішно підкорили! Чи можна подібне «досягнення» однозначно назвати перемогою? Не думаю :)

Кожен з виробників дає своєму новому виробу кодову назву, яке характеризує цілу лінійку або сімейство продуктів, засновану на одній мікроархітектурі. В недалекому минулому використовувалися такі гучні назви, як «Coppermine», «Wolfdale», «Barton», «Nahalem», «Prescott», «Conroe», «Sandy Bridge».

Саме мікроархітектура ядра і визначає, які з нових технологій будуть закладені в майбутній процесор. Наприклад: апаратна (на рівні «заліза») підтримка технології віртуалізації (Visualization Technology), захист від переповнення буфера (Intel Execute Disable Bit), «AMD Turbo Core» автоматичний керований розгін процесора (аналог TurboBoost від Intel), різні варіанти інструкцій SSE і 3D Now і т.д.

Зараз модно говорити не про CPU, а про APU (Accelerated Processor Unit - прискорений процесор). Що це таке? Це об'єднання на одному кристалі або просто під одним теплорозподільної кришкою власне ЦПУ і відеокарти . Подібні рішення ще іноді називають гібридними процесорами. Результатом цього є зниження загального енергоспоживання і вартості системи за рахунок скорочення числа комплектуючих (зовнішня відеокарта вже не потрібна).

Зрозуміло, що подібна система не може змагатися з повноцінним ігровим комп'ютером, але для більшості завдань дуже навіть підходить. З огляду на те, що в 2006-му році відома компанія «AMD» купила не менше відому компанію з виробництва графічних прискорювачів «ATI», то логічно, що її APU виглядають більш переважно (саме за рахунок графічної складової). Компанія «Intel» ніколи графікою серйозно не займалася, її коник - центральні процесори і на цьому полі їй немає рівних!

Що ще можна сказати про процесори в прикладному плані? Вам, як потенційному покупцеві, не зайвим буде знати, що їх можна придбати в двох різних варіантах поставки: «Box» (Бокс) і «Tray» (Трей). Бокс це - коробочки поставка:

Давайте подивимося, що знаходиться всередині коробки?

Ми бачимо тут упаковану в захисний пластик систему охолодження (знизу) і сам центральний процесор комп'ютера (обведений червоним). Зверніть увагу, що в боксової постачання на нижню поверхню радіатора охолодження вже завдано термоінтерфейс (теплопровідних речовина у вигляді трьох сірих смужок). Термоінтерфейс служить для кращої передачі тепла з ядра кристала на радіатор. Нам залишається тільки розкрити упаковку і встановити конструкцію на плату.

Якщо ж Ви вирішили придбати процесор в постачанні Трей, то будьте готові до того, що його можуть винести Вам в поліетиленовому мішечку :) Ви купуєте окремо тільки сам чіп, без системи охолодження. Навіщо це може бути потрібно? Наприклад, я робив так, коли збирав свій домашній комп'ютер. Стандартне (боксове) охолодження мені не подобалося і я вирішив встановити замість нього систему баштового типу. Навіщо переплачувати за непотрібний шматок алюмінію з вентилятором, який потім буде лежати без діла?

Наостанок невелика ремарка з особистого досвіду: в сучасних іграх процесор - не головне. Основне навантаження лягає на зовнішню відеокарту, тому якщо Ви збираєтеся проводити модернізацію (апгрейд) свого комп'ютера саме з цією метою, то в першу чергу зверніть увагу саме на його графічну підсистему. Чому я так впевнено про це заявляю? Тому що зробивши саме так (залишивши старий процесор і купивши новий GPU), я отримав абсолютно нормальне швидкодія в усіх іграх 2015 го року!

Так, мало не забув! Я ж хотів поділитися з Вами чудовою програмою для тестування процесорів! Вона дозволяє по максимуму навантажити ЦП і виявити можливі проблеми в його роботі. Навантажується не тільки сам процесор, але і фази живлення на материнській платі, тому утиліта корисна подвійно. Також вона стане в нагоді тим, хто займається ремонтом комп'ютерів і, за службовим обов'язком, змушений влаштовувати своїм «пацієнтам» стрес-тест на стабільність їх роботи.

Програма має різні режими тестування, а результати її роботи Ви можете бачити в режимі реального часу в формі зручних, наочних графіків.

Або - у вигляді таблиці:

Ну поки на цьому все, розібралися ми з процесором, ви тепер будете знати, для чого в комп'ютері служить процесор, і за якою схемою і принципом він працює. Якщо вам буде цікаво, можете подивитися відео про те, як роблять процесори. Вам сподобатися, раджу подивитися!

3090
adminpc
-