Процессор

Что важнее — нанометры или плотность

Многие ругают Intel за то, что они ещё не смогли выпустить свой коммерческий процессор на архитектуре 5 или 7 нм, как это делают Apple и Qualcomm. Но вот по плотности размещения транзисторов — Intel безусловный лидер. На один квадратный миллиметр 10 нм процессора Intel помещается на целых 5% больше транзисторов, чем в чипах от Apple, Qualcomm или AMD. Кстати, последние поколения процессоров от этих трёх брендов производит TSMC. 

В интернете я наткнулся на сравнительную табличку процессоров Intel и TSMC:

Обратите внимание на 10- и 7-нанометровые чипы у Intel и TSMC соответственно. Размеры составляющих у них почти идентичны, поэтому 10-нанометров Intel не сильно-то и уступают 7 нм у TSMC

А вот по производительности, за счёт повышенной плотности транзисторов, как я уже сказал выше, даже выигрывают.

Однако, чем больше плотность — тем больше нагрев, поэтому чипы Intel не подойдут для использования в мобильной технике. Зато TSMC выигрывает в плане меньшего энергопотребления и тепловыделения.

А вот тут вы можете сказать — «стоп, но как Intel выдаёт больше производительности, если Apple M1, который производит TSMC разносит старые десктопные процессоры в пух и прах». Да, это действительно так, на деле Apple M1 действительно превосходит в вычислениях Intel, но причина тут не сколько в количестве транзисторов или техпроцессе, сколько в том, насколько эффективно процессор работает с этими транзисторами. В Intel x86 есть много лишних блоков команд, которые TSMC в некоторых производимых чипах, не использует. Об этом более подробно мы писали в отдельном материале с разбором x86 и Apple M1.

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Если хотите узнать о процессорах больше, посмотрите, какие бывают популярные архитектуры: CISC, RISC, MISC и другие и виды.

Перевод статьи «How does a CPU work?»

Почему кремний?

Все чипы, которые производятся для массового рынка, делаются на кремниевой основе. Если не углубляться совсем в какие-то страшные и непонятные цифры с формулами, то причина кроется в атомной структуре кремния, которая идеально подходит для того, чтобы делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Получают кремний, к слову, из песка. Да, самого обычного, который у вас есть на ближайшем берегу. Но вот в чём подвох — его чистота, если говорить в цифрах, составляет 99,5% (0,5% в таком кремнии составляют разные примеси). Может показаться, что это уже суперблизко к идеальной чистоте, но нет, для процессора необходимо, чтобы кремний имел чистоту 99,9999999%. Для этого материал проводят через цепочку определённых химических реакций. После этого кремний плавят и наращивают в один большой кристалл. Весит он под сотню килограмм и выглядит следующим образом:

После этот кристалл нарезается на пластины с диаметром около 30-сантиметров, которые тщательно шлифуются, чтобы не было никаких зазубрин. Дополнительно применяется ещё химическая шлифовка. Если хотя бы на одной пластине будут шероховатости — её забракуют. А вот готовые пластины кремния отправляют на дальнейшее производство.

Структура

Общая структура любого центрального процессора состоит из следующих блоков:

1. Блока интерфейса;
2. Операционного блока;

Блок интерфейса содержит следующие компоненты:

• Адресные регистры;
• Регистры памяти, в которых осуществляется хранение кодов передаваемых команд, выполнение которых планируется в ближайшее время;
• Устройства управления – с его помощью формируются управляющие команды, которые в дальнейшем выполняются ЦП;
• Схемы управления, отвечающие за работу портов и системных шин;

В операционный блок входят:

1. Микропроцессорная память. Состоит из: сегментных регистров, регистров признаков, регистров общего назначения и регистров подсчитывающих количество команд;
2. Арифметико-логическое устройство. С его помощью информация интерпретируется в набор логических, или арифметических операций;

Системная шина служит для передачи сигналов от центрального процессора к другим компонентам устройства. С каждым новым поколением структура процессора немного меняется и последние разработки сильно отличаются от первых процессоров, используемых на заре становления компьютерных технологий.

Что делают транзисторы в процессорах

Любое вычислительное устройство, будь то компьютер, смартфон или ваши AirPods, работает в двоичной системе счисления. То есть все операции записываются, просчитываются и выводятся в последовательности нулей и единиц.

Транзистор в процессоре можно представить в роли своеобразного переключателя. Если ток через него проходит — это 1, если нет — то это 0. И таких переключателей в современных процессорах миллиарды. Разная последовательность нулей и единиц образует информацию — программы, музыку, картинки, видео и даже этот текст. Раньше роль транзисторов в первых ЭВМ выполняли вакуумные лампы.

Например, в ENIAC (это первый компьютер общего назначения) использовалось 17,5 тысяч вакуумных ламп. На этом компьютере производили вычисления для создания водородной бомбы, а ещё составляли прогнозы погоды и решали задачи из математики и физики. Суммарное энергопотребление этих 17 с половиной тысяч вакуумных ламп составляло целых 150 кВт, а сама ЭВМ требовала площадь для её сборки в 167 квадратных метров при весе в 27 тонн.

Само собой, всё это очень ограничивало технические возможности таких компьютеров, благо в январе 1959 года Роберт Нойс, по совместительству один из восьми основателей легендарной компании Fairсhild Semiconductor Company в Кремниевой долине, изобрёл интегральную схему на основе кремния, принципы которой легли в основу производства всех микропроцессоров.

Виды процессоров

Существует два основных широко распространенных производителя процессоров: AMD и Intel. Они выпускают самые востребованные, доступные и производительные модели. Их мы можем увидеть практически на каждом компьютере или игровой приставке, например, на том же PlayStation или Xbox.

Все плюсы и минусы могут меняться, т.к. каждый год выходят новые модели, которые кардинально отличаются друг от друга. Но эти моменты, свойственны практически всем моделям этих производителей.

Intel — плюсы и минусы

• Низкое энергопотребление и температура работы
• Хорошая производительность в ПО для обработки графики и видео
• Не такие зависимые от оперативной памяти
• Лучше показывают себя в многозадачности
• Цена довольно высокая по сравнению с АМД
• Графический чип, если он есть, не такой производительный, как у конкурента
• Работа с архивами не такая быстрая, как хотелось бы
• Разгон не такой вариативный

AMD — плюсы и минусы

• Высокая производительность в играх
• Многие модели довольно «горячие», но не все
• Адекватная цена
• Отличная скорость работы с разными программами и архивами
• Графический чип, если он есть — показывает хорошие результаты
• Хорошие возможности разгона
• Зависимые от ОЗУ

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Количество транзисторов в процессоре является важным фактором, влияющим на его производительность. Как было показано ранее, в процессоре 8088 на выполнение одной инструкции требовалось 15 циклов тактовой частоты. А чтобы выполнить одну 16-битную операцию, уходило и вовсе порядка 80 циклов. Так был устроен умножитель АЛУ этого процессора. Чем больше транзисторов и чем мощнее умножитель АЛУ, тем больше всего успевает сделать процессор за один свой такт. Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

Что ждать в будущем?

Летающие автомобили, киборги, путешествие со скоростью света и перемещение во времени — это всё фантастика. Но вот 3 нм или 1,4 нм чипы, вполне возможно, нет.

На сегодня известно, что Intel к 2029 году планируют освоить 1,4 нм техпроцесс, а TSMC уже начали исследование 2 нм. Для этого компании должны разработать новое оборудование для производства, обучить персонал и сделать многое другое.

Другой вопрос, что транзистор 1,4 нм по размерам сопоставим примерно с 10 атомами и это может плохо отразиться на производительности. Случайные электроны могут менять биты по несколько раз в секунду и тогда о стабильных вычислениях может не идти и речи. Может быть закон Мура уже не актуален и его эпоха просто подходит к концу, а мы ещё этого не понимаем?

Рейтинг процессоров для ноутбуков

При выборе ноутбука мы сталкивается с десятками процессоров в нескольких различных сегментах, поэтому менее опытные покупатели могут чувствовать себя растерянными. Но способ определить лучший процессор есть! Оба производителя используют похожие системы маркировки, которые позволяют легко определить позиционирование блоков. Просто посмотрите на серию, генерацию и модель процессора (но это обязательно должна быть модель из одного сегмента и одного поколения). Надо отметить, что иногда новое поколение может быть гораздо лучше предыдущего.

В случае с Intel, процессоры от слабых до самых эффективных можно классифицировать так:

• Celeron
• Pentium/Pentium Silver
• Core i3
• Core i5
• Core i7
• Core i9

Для моделей AMD было использовано следующее деление:

• Athlon/Athlon Silver
• Ryzen 3
• Ryzen 5
• Ryzen 7
• Ryzen 9

Например, если вам интересно, какой процессор для ноутбука выбрать — i5 или i7 — вы сразу будете знать, что модель Core i7 будет продуктивнее, чем Core i5. Однако стоит внимательно проверить технические характеристики сопоставимых систем, поскольку разница в спецификации может быть несущественной (например, количество ядер будет одинаковым, а тактовые частоты будут разными), но это будет иметь значительное влияние на цену ноутбука.

Какой процессор в ноутбуке выбрать: варианты конфигураций

Начнем с нетребовательных задач, таких, как работа с документами в офисных программах, электронной почтой, а также серфинг в Сети через браузер и просмотр видео на Youtube и других сервисах. Для всего этого вам будет достаточно ноутбука с процессором Celeron, Pentium и Core i3 (по возрастанию потребностей)

При покупке стоит обратить внимание на версию процессора, чтобы год выпуска был посвежей и емкость системного диска — от 128 Гбайт. В качестве оптимального варианта предлагаем три ноутбука с разными процессорами офисной производительности, но с хорошим оснащением:

При более серьезных планах на производительность «рабочей лошадки» стоит посмотреть в сторону моделей стоимостью более 45 000 рублей, оснащенных процессорами Core i5 или Core i7. Такой ноутбук позволит не нервничать при внезапно запустившемся обновлении Windows или открытии в браузере более 3 вкладок. Конечно, многое зависит от модификации ноутбука, но в качестве оптимального варианта лучше выбирать модели с оперативной памятью не менее 6 ГБайт и SSD в качестве системного диска. Все это можно докупить и установить позже. Итак, предлагаем три модели ноутбуков с разными процессорами, но с хорошим оснащением.

Мощный ноутбук для работы и игр

Как мы уже говорили, запас по мощности никогда не помешает, лишь бы позволяли выделенные средства. Предположим, что вы готовы выложить за нужную вам машинку от 70 000 рублей до 90 000 рублей. В таком ноутбуке желательно иметь производительный процессор Core i7, современную видеокарту GeForce 1050 или 1060 и достаточный объем оперативной памяти (от 8 Гбайт), а также скоростной накопитель SSD плюс HDD. Вот тройка интересных предложений:

• 10 ошибок при выборе ноутбука
• Какая видеокарта лучше для ноутбука? Разбираемся и выбираем

Фото: компании-производители, h4-konzept.de

Кремний

Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.

Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.

Как процессор обрабатывает данные

Приведенное краткое описание работы процессора компьютера иллюстрирует, что обработка данных процессором представляет из себя последовательность очень «мелких» шагов:

• считывание данных из оперативной памяти в регистры процессора,
• обработка этих данных и
• обратная запись данных из регистров процессора в ячейки оперативной памяти.

Но компенсацией за это является высочайшая скорость вычислений, сотни тысяч и миллионы таких «маленьких» операций ежесекундно. И соответственно, обеспечивается высокая скорость обработки информации, которая делает компьютер незаменимым помощником для работы, учебы, отдыха, развлечений.

Статья закончилась, можно еще прочитать:

1. О работе процессора компьютера

2. Первый процессор Intel: история появления от идеи до воплощения

3. Устройство системного блока

4. Постоянная и оперативная память компьютеров и мобильных телефонов

5. От чайника к юзеру: шаг вперед, два шага назад

Распечатать статью

Получайте актуальные статьи по компьютерной грамотности прямо на ваш почтовый ящик. Уже более 3.000 подписчиков

.

Важно: необходимо подтвердить свою подписку! В своей почте откройте письмо для активации и кликните по указанной там ссылке. Если письма нет, проверьте папку Спам

Соединяем всё вместе

То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.

Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.

Токопроводящие дорожки крупным планом. На фото они уже в несколько слоёв и не мешают друг другу.

Есть ли смысл переплачивать за производительность?

Сквадра Груп

Можно ли разогнать процессор в ноутбуке?

Некоторые из вас, наверное, интересуется, можно ли разогнать процессор в ноутбуке. Так, некоторые модели действительно можно настроить, то есть разогнать. Здесь надо отметить, что в настоящее время эту функцию предлагают только чипы Intel с разблокированным множителем (подобно моделям для настольных ПК, они обозначены пометкой K — например, Core i9-10980HK). Кстати, встречаются они довольно редко, хотя можно найти ноутбуки с такими процессорами.

Как разогнать процессор в ноутбуке? Эта процедура очень похожа на разгон процессора на компьютере. Прежде всего, здесь можно воспользоваться утилитой Intel Extreme Tuning Utility (XTU). Если вас интересуют детали, то есть много статей об оверклокинге. Уверен, что вы сможете самостоятельно найти их при желании.

Другое дело, стоит ли разгонять процессор в ноутбуке. Нужно понимать, что тогда мы получаем лучшие показатели, но в то же время увеличиваем количество произведенного тепла (что может привести к дросселированию процессора), вырастет потребление энергии, а также такой процесс сокращает срок службы аккумулятора. Поэтому стоит подумать, нужно ли разгонять процессор в ноутбуке. Эффект от этого будет минимальным, а проблем добавит.

Виды оперативной памяти

На данный момент времени, существует два типа памяти возможных к применению в качестве оперативной памяти в компьютере. Оба представляют собой память на основе полупроводников с произвольным доступом. Другими словами, память позволяющая получить доступ к любому своему элементу (ячейке) по её адресу.

Память статического типа

SRAM (Static random access memory) — изготавливается на основе полупроводниковых триггеров и имеет очень высокую скорость работы. Основных недостатков два: высокая стоимость и занимает много места. Сейчас используется в основном для кэша небольшой емкости в микропроцессорах или в специализированных устройствах, где данные недостатки не критичны. Поэтому в дальнейшем мы её рассматривать не будем.

Память динамического типа

DRAM (Dynamic random access memory) — память наиболее широко используемая в качестве оперативной в компьютерах. Построена на основе конденсаторов, имеет высокую плотность записи и относительно низкую стоимость. Недостатки вытекают из особенностей её конструкции, а именно, применение конденсаторов небольшой емкости приводит к быстрому саморазряду последних, поэтому их заряд приходится периодически пополнять. Этот процесс называют регенерацией памяти, отсюда возникло и название динамическая память. Регенерация заметно тормозит скорость ее работы, поэтому применяют различные интеллектуальные схемы стремящиеся уменьшить временные задержки.

Развитие технологий идет быстрыми темпами и совершенствование памяти не исключение. Компьютерная оперативная память, применяемая в настоящее время, берет свое начало с разработки памяти DDR SDRAM. В ней была удвоена скорость работы по сравнению с предыдущими разработками за счет выполнения двух операций за один такт (по фронту и по срезу сигнала), отсюда и название DDR (Double Data Rate). Поэтому эффективная частота передачи данных равна удвоенной тактовой частоте. Сейчас ее можно встретить практически только в старом оборудовании, зато на её основе была создана DDR2 SDRAM.

В DDR2 SDRAM была вдвое увеличена частота работы шины, но задержки несколько выросли. За счет применения нового корпуса и 240 контактов на модуль, она обратно не совместима с DDR SDRAM и имеет эффективную частоту от 400 до 1200 МГц.

Сейчас наиболее распространённой памятью является третье поколение DDR3 SDRAM. За счет технологических решений и снижения питающего напряжения удалось снизить энергопотребление и поднять эффективную частоту, составляющую от 800 до 2400 МГц. Несмотря на тот же корпус и 240 контактов, модули памяти DDR2 и DDR3 электрически не совместимы между собой. Для защиты от случайной установки ключ (выемка в плате) находится в другом месте.

DDR4 является перспективной разработкой, которая в ближайшее время придет на смену DDR3 и будет иметь пониженное энергопотребление и более высокие частоты, до 4266 МГц.

Наряду с частотой работы, большое влияние на итоговую скорость работы оказывают тайминги. Таймингами называются временные задержки между командой и её выполнением. Они необходимы, чтобы память могла «подготовиться» к её выполнению, в противном случае часть данных может быть искажена. Соответственно, чем меньше тайминги (латентность памяти) тем лучше и следовательно быстрее работает память при прочих равных.

Различных таймингов существует много, но обычно выделяют четыре основных:

• CL (CAS Latency) — задержка между командой на чтение и началом поступления данных
• T_RCD (Row Address to Column Address Delay) — задержка между подачей команды на активацию строки и командой на чтение или запись данных
• T_RP (Row Precharge Time) — задержка между командой закрытия строки и открытием следующей
• T_RAS (Row Active Time) — время между активацией строки и её закрытием

Указываются обычно в виде строки цифр разделенных дефисом, например 2-2-3-6, если указывается только одна цифра, то подразумевается параметр CAS Latency. Это позволяет сравнить скорость работы различных модулей и объясняет разницу в стоимости казалось бы одинаковых планок.

Кстати, обычно чем больше объем модуля, тем больше тайминги, поэтому взять две планки по 2 Гб может оказаться выгоднее, чем одну на 4 Гб. К тому же использование нескольких одинаковых планок памяти активирует многоканальный режим работы, что обеспечивает дополнительное увеличение быстродействия. Справедливости ради нужно отметить, что в настоящее время влияние таймингов на производительность несколько снизилось из-за повсеместного увеличения объема кэша на основе высокоскоростной памяти статического типа интегрированного в современные процессоры.

Что такое процессор

Процессор — это часть оборудования, которая интерпретирует инструкции, управляющие компьютером. Процессоры называют мозгом компьютера неспроста: без него компьютеры не могут запускать программы.

Процессоры часто называют ЦП. Технически в компьютере есть более одного процессора, например, графический процессор (GPU), но центральный процессор, возможно, является самым важным из них.

Блоки обработки принимают инструкции из оперативной памяти (RAM) компьютера. Когда эти инструкции получены, ЦП декодирует и обрабатывает действие, а затем выдаёт результат.

Intel и AMD — самые известные компании в индустрии процессоров для настольных, портативных и серверных компьютеров. Intel Core и AMD Ryzen — одни из самых популярных процессоров для настольных ПК. Apple, Nvidia и Qualcomm известны своими процессорами для мобильных устройств.

Основные характеристики ядер ЦП

Каждое изделие построено на определенной архитектуре, что говорит об определенном наборе свойств и возможностей, присущих линейке выпускаемых чипов.

Основная отличительная особенность – техпроцесс, т.е. размер транзисторов, используемых в производстве чипа. Показатель измеряется в нанометрах. Именно транзисторы являются базой для ЦП: чем больше их размещено на кремниевой подложке – тем мощнее конкретный экземпляр чипа.

Возьмем к примеру 2 модели устройств от Intel – Core i7 2600k и Core i7 7700k. Оба имеют 4 ядра в процессоре, однако техпроцесс существенно отличается: 32 нм против 14 нм соответственно при одинаковой площади кристалла. На что это влияет? У последнего можно наблюдать такие показатели:

• базовая частота – выше;
• тепловыделение – ниже;
• набор исполняемых инструкций – шире;
• максимальная пропускная способность памяти – больше;
• поддержка большего числа функций.

Иными словами, снижение техпроцесса = рост производительности. Это аксиома.

Можно ли заменить процессор в ноутбуке?

Другое отличие, как правило, лежит в практической стороне этого сравнения. Мы знаем, что процессоры для настольных компьютеров устанавливаются в сокет (специальный разъем на материнской плате), поэтому их можно смонтировать самостоятельно, а при необходимости через некоторое время есть возможность даже заменить процессор на лучший. Что касается современных ноутбуков, то ситуация здесь совсем другая, ведь чипы предварительно припаяны к материнской плате. Поэтому это решение препятствует замене / модернизации, но позволяет построить более тонкое устройство. Это означает, что в домашних условиях почти невозможно заменить процессор в ноутбуке. К тому же за это и не каждый сервисный центр возьмется. Хотя исключения могут быть.

Исключением также могут выступать некоторые игровые ноутбуки и мобильные рабочие станции, где производители используют более эффективные процессоры для настольных ПК. Однако такие конфигурации встречаются довольно редко. К тому же цена таких решений почти заоблачная.