Цэнтральны працэсар кампутара (ЦПУ)

Ванильная Кола напиток б а кока Кола. 7b1b6b10
Центральный процессор компьютера (ЦПУ)

Сёння мы разглядаем цэнтральны працэсар кампутара CPU (Central Processing Unit - цэнтральнае апрацоўчай прылада або ЦПУ). Гэта сэрца сістэмнага блока або, калі хочаце, - яго мозг! На жаргоне кампутарнікаў яго часам называюць «камень» (крышталічны крэмній сапраўды падобны на камень).

Гэта галоўны апрацоўшчык якая паступае ў кампутар інфармацыі. Цэнтральны працэсар выконвае ўсе неабходныя матэматычныя аперацыі з паступаюць дадзенымі, вырабляе розныя выбаркі з баз дадзеных, архівуюцца і разархівуе нашы файлы, займаецца кадаваннем відэа, апрацоўвае мадэль фізічнага ўзаемадзеяння часціц у каханай кампутарнай гульні, нарэшце!

Цэнтральны працэсар сучаснага кампутара робіць вельмі шмат, прасцей будзе пералічыць тое, чаго ён не робіць :)

Вось некалькі фотаздымкаў ЦПУ:

Першая фатаграфія, гэта двух'ядравы цэнтральны працэсар фірмы «Intel», другая - яго тыльны бок. Гэтым бокам ён і ўстаўляецца ў працэсарны раздым (сокет «socket») на мацярынскай плаце . На гэтых фотаздымках мы бачым CPU формаў фактару «LGA-775». Абрэвіятура «LGA» гэта скарачэнне ад англ. «Land Grid Array» - тып корпуса з матрыцай кантактных пляцовак. Састарэлыя мадэлі пастаўляліся ў карпусах «PGA» (Pin Grid Array - матрыца штырьковых кантактаў), менавіта такі састарэлы працэсар прадстаўлены на апошнім фота вышэй.

Увядзенне новага формаў фактару было абумоўлена тым, што колькасць «ножак» (штырьков-высноў) CPU папярэдніх пакаленняў ўзрасла да такой ступені, што паміж імі пачалі з'яўляцца паразітныя электрычныя навядзенні, якія ўплываюць на працу канчатковага прылады. Асаблівасць «LGA» у тым, што самі кантакты перанесены з корпуса працэсара на паверхню раздыма (сокета), які размешчаны на матчынай плаце. На падкладцы чыпа застаюцца толькі кантактныя паверхні (так званыя «пятачкі»).

У старэйшых мадэлях кампутараў ўстаноўка працэсара была спалучаная з пэўнай рызыкай сагнуць або (не дай Бог) зламаць адну з некалькіх сотняў PGA ножак. Страшны сон зборшчыка кампутараў! :) Цяпер усё нашмат прасцей.

Тое што мы бачым на фотаздымках вышэй, - знешняя абалонка цэнтральнага працэсара кампутара. Яе функцыя складаецца ў тым каб абараніць ядро ​​(сам крышталь крэмнія) ад механічнага ўздзеяння, забяспечыць плошчу кантакту з сістэмай астуджэння (радыятарам), а таксама - даць электрычны кантакт для харчавання прылады (фатаграфіі вышэй пад нумарам "1" і "2").

Цэнтральны працэсар кампутара складаецца з квадратнай пласцінкі тэксталіту, у якую намёртва ўмантавана яго ядро ​​(крышталь крэмнія), а таксама - высновы электрычных кантактаў, плюс - ахоўная вечка зверху. Што знаходзіцца пад гэтым вечкам мы разглядалі вось тут.

Працэс вырабу гатовых чыпаў можна апісаць прыблізна так: на тонкую крамянёвую аснову (падкладку) праз адмысловыя «маскі» з прарэзамі метадам літаграфіі па чарзе наносяцца пласты правадыроў, паўправаднікоў і ізалятараў. Часам выкарыстоўваецца працэс вытраўлення элементаў на крышталі (праз тыя ж адтуліны ў «масцы»). Пасля заканчэння працэдуры падкладка распілоўваецца на квадраты, якія надаваць у ахоўную і теплопроводящую абалонку, забяспечваюцца кантактнымі пляцоўкамі і выраб гатова!

Цяпер рынак дэсктопных працэсараў дзеляць паміж сабой практычна толькі дзве буйныя кампаніі: «Intel» і «AMD». Па дадзеных на 2011 год першая «трымала» больш за 80% гэтага рынку, а другая - крыху больш за 10%. Зусім іншая справа, - імкліва развіваецца рынак мабільных працэсараў. Тут прадстаўлена проста велізарная колькасць кампаній, якія выпускаюць свае рашэнні (ну, не зусім «свае», але пра гэта мы пагаворым у іншым артыкуле).

Схематычна ўнутраная прылада CPU можна адлюстраваць наступным чынам:

Вось нагляднае фота крышталя CPU у разрэзе:

А гэта - магутны двух'ядравы «Athlon»:

Так, вось яшчэ адна фатаграфія, для паўнаты карціны так бы мовіць:

Гэта таксама працэсар кампутара, проста ў іншым канструктыўным выкананні. Былі, у свой час, падобныя ўзоры, тэксталітавую плата якіх ўстаўлялася вертыкальна ў спецыяльны раз'ём на мацярынскай плаце. Ён называўся (Slot A), адсюль пайшоў тэрмін «слотовой працэсары». Больш за ўсё з выгляду канструкцыя нагадвае картрыдж гульнявой прыстаўкі з вентылятарам збоку :)

Калі закрануць такога важнага аспекту, як прадукцыйнасць ЦП, то яна наўпрост залежыць ад некалькіх складнікаў і з іх жа складваецца:

  • яго тактавай частоты
  • колькасці ядраў
  • колькасці і шпаркасці кэш памяці

Разбяром кожны з пунктаў падрабязней. Тактавая частата працэсара вымяраецца ў герцах (Гц).

Заўвага: Герц (Hz) - адзінка вымярэння частоты перыядычных працэсаў (у дадзеным выпадку - ваганняў). Да прыкладу, 1 Герц - адно такое ваганне (такт) у секунду.

Вымяраць тактавую частату (прадукцыйнасць) цэнтральнага працэсара ў Герцэна нязручна (занадта вялікія атрымліваюцца колькасці). Таму тут ужываюцца такія велічыні, як мегагерцы і гігагерцы. Мегагерц (Mhz) гэта - адзін мільён Герц (1 000 000 Hz). Гігагерц (Ghz) ​​гэта - 1000 мегагерц (Mhz) або - адзін мільярд Герц (1 000 000 000 Hz).

Згодна з выкладзеным вышэй атрымліваецца, што ЦП з тактавай частатой у 3 гігагерца гэта - 3000 мегагерц або тры мільярды герц! Умоўна можна сказаць так, чым вышэй частата, тым больш інструкцый можна апрацаваць за адзінку часу. Згодна з апісанаму прыкладу, працэсар у 3 Ghz (Ггц) можа выконваць тры мільярды аперацый у секунду.

Для лепшага засваення - паглядзіце невялікае тэматычнае відэа:

Паглядзець значэнне тактавай частоты можна, націснуўшы правай кнопкай мышы на пикторгамме «Мой кампутар» на працоўным стале і выбраўшы з выпаў меню пункт «Уласцівасці». На скрыншоце ніжэй прыведзены малюнкі з дадзенай інфармацыяй для аперацыйных сістэм «Windows 7» і «Windows XP».

Таксама гэты паказчык можна ўбачыць у працэсе пачатковай загрузкі аперацыйнай сістэмы, зайшоўшы ў BIOSе або скарыстацца адной з спецыялізаваны утыліт, накшталт «CpuZ». Гэтая выдатная праграма пакажа не толькі значэнне тактавай частоты, але і яшчэ шмат іншай карыснай інфармацыі.

Заўвага: досыць падрабязна працу гэтай праграмы мы разглядалі вось тут, таму не будзем паўтарацца.

Памятаеце знакаміты "закон" Гордана Мура, выведзены ім яшчэ ў далёкім 1975-ым годзе: «Прадукцыйнасць сучасных працэсараў павінна павялічвацца ўдвая кожныя 24 месяца!» Трэба аддаць належнае гэтаму прагнозу: так яно і было, да нейкага моманту. Вытворцы працэсараў проста рэгулярна павялічвалі тактавую частату сваіх прылад (на фоне іншых паляпшэнняў, у выглядзе паралельнай апрацоўкі каманд, пашырэння спісу падтрымоўваных інструкцый, памяншэнне тэхпрацэсу і г.д.), што дазваляла падтрымліваць жывучасьць дадзенага сцвярджэння.

Зразумела, што бясконца так працягвацца не магло: вялікія частоты патрабуюць радыкальнай перапрацоўкі сістэмы астуджэння імкліва награваецца чыпа. Сам аўтар сцвярджэння ў 2007-м годзе сказаў, што, па відаць, доўга «закон" не праіснуе. Справа ў тым, што пры дасягненні пэўнага парога частоты (у дыяпазоне ад 4000 да 5000 мегагерц) любыя працэсары пачынаюць працаваць не стабільна і патрабуюць ўскладнення сістэму астуджэння.

Оверклокеры ( «разгонщики» цэнтральных працэсараў) са стажам сцвярджаюць, што прыкладны мяжа разагнанага працэсара з паветраным астуджэннем складае 4000-4500 Mhz. Тут трэба разумець, што - гэта лепшыя ўзоры чыпаў, найбольш удалыя з партыі, а такіх можа быць адзін на некалькі дзесяткаў, плюс топавая матчына плата, якая дазваляе падаць на яе павышаную напружанне і павысіць частату FSB, дарагая (Оверклокерская) памяць з дадатковым астуджэннем і г.д. Калі на той жа ЦП ўсталяваць вадзяную сістэму астуджэння, то можна падняць частату да 5000, але не факт што атрымаецца дамагчыся пры гэтым стабільнай працы прылады ва ўсіх прыкладаннях.

Заўвага: FSB (Front Side Bus - сістэмная або франтальная шына), - высакахуткасны інтэрфейс для забеспячэння ўзаемадзеяння паміж працэсарам кампутара і астатнімі перыферыйнымі прыладамі і модулямі, размешчанымі на матчынай плаце. Частата сістэмнай шыны - гэта хуткасць, з якой ядро працэсара абменьваецца дадзенымі з АЗП, дыскрэтнай відэакартай, кантролерамі жорсткіх дыскаў і г.д.

Сапраўдныя «маньякі" сваёй справы ня спыняюцца і на гэтым і ў ход ідзе "цяжкая артылерыя" накшталт астуджэння з ужываннем фреона, вадкага металу, гелія і нават вадкага азоту! Апошні варыянт дазваляе «выціснуць» з няшчаснага прылады рэкордныя 6000 мегагерц і нават больш! З іншага боку, наўрад ці Вы захочаце працаваць на кампутары, пакрытым скарынкай лёду? :)

Цяпер настаў той момант, калі частата і агульная хуткадзейнасць сучасных кампутараў цалкам дастатковыя для вырашэння большасці задач радавога карыстальніка ПК (зараз апускаем гульні і сур'ёзныя прыкладання для мадэлявання чаго-небудзь). Менавіта таму простае павелічэнне гэтага паказчыка ўжо не будзе даваць такога адчувальнага прыросту хуткасці ў паўсядзённых (офісных) задачах, як раней. Зараз прадукцыйнасць сучасных ПК шмат у чым вызначаецца іншымі параметрамі і іх спалучэннем.

Адным з такіх параметраў з'яўляецца аб'яднанне пад адным теплорассеивающей вечкам вялікай колькасці ядраў (на дадзены момант іх колькасць можа дасягаць дванаццаці штук). Тут арыфметыка простая: чым больш ядраў, тым вышэй прадукцыйнасць (пры іншых роўных умовах). Бо ўсе працэсы, у такім выпадку, пачынаюць выконвацца паралельна (на кожным з ядраў), што (у тэорыі) павінна адчувальна павялічыць агульная хуткадзейнасць. На практыцы атрымліваецца ... па рознаму :)

Некаторыя з прыкладанняў проста «не ведаюць» што можна працаваць з некалькімі ядрамі, некаторыя робяць гэта дрэнна і толькі ў адмыслова «заменчаных» пад многоядерность прыкладанняў назіраецца істотны прырост. Ёсць прыкладання, якія практычна не паддаюцца распаралельваннем. Напрыклад, офісныя прыкладання ( «Microsoft Word» або «Open Office"). Іншыя задачы, такія як кадаваньне відэа / аўдыё, кампіляцыя праграмнага кода, рэндэрынг трохмернай сцэны, наадварот вельмі адчувальныя да шматструменнай апрацоўцы і максімальны выйгрыш атрымліваюць менавіта пры такім падыходзе.

Лакаматывам шмат'ядравых па праве лічацца серверныя варыянты цэнтральных працэсараў. Гэта «Intel Xeon» і «AMD Opteron» адпаведна. Серверныя рашэнні характарызуюцца павышаным хуткадзейнасцю (за кошт вялікага кэша) і маштабаванасцю (могуць мець некалькі фізічных працэсараў з вялікай колькасцю ядраў ўнутры кожнага). Падобныя сістэмы энтузіясты часам усталёўваюць і ў сябе дома на звычайныя матчыны платы, але гэта хутчэй дзеля спартыўнага інтарэсу :) У асноўным жа, падобныя працэсары выкарыстоўваюцца ў рековых серверах, якія мантуюцца ў спецыяльныя стойкі.

Заўвага: (Rack - стойка / палка) Рековый мантаж (RackMount) - прынцып арганізацыі камутацыйнага абсталявання.

Вось так падобны сервер можа выглядаць асобна:

А вось так - у рековой 19-ці цалевай стойцы (яе яшчэ называюць тэлекамунікацыйнай стойкай):

Бываюць нават зачыняюцца на замкі цэлыя тэлекамунікацыйныя шафы (Protective Cabinet). Яны могуць выглядаць, да прыкладу, вось так:

Падрабязна пра тое, як падобныя сервера ўладкованыя ўнутры, якія ў іх працэсары і як арганізавана серверная пакой у нас на працы мы разглядалі ў адным з урокаў.

На базе падобных рашэнняў будуюць так званыя суперкамп'ютэры. Напрыклад, кампанія «Intel» ужо выпусціла 16-ці ядзерныя Xeon-ы і разглядае варыянты рашэнняў з 22-24 і 28-мі ядрамі. Разумееце, куды ўсё гэта справа рухаецца, да? Так што жарт каманды КВЗ «Уральскія пяльмені» аб 48-мі ядзерным працэсары, вымаўленая ў 2012-м годзе ўжо не выглядае такой ужо жартам! :)

Упэўнены, з часам большасць прыкладанняў будзе эфектыўна працаваць на шмат'ядравых сістэмах, зараз пакуль з гэтым не ўсё так вясёлкава. Але вытворцы центрльных працэсараў ўпарта нарошчваюць гэты паказчык і цяпер ужо ёсць настольныя сістэмы з 12-ю ядрамі. Навошта? Ну, трэба ж неяк растлумачыць пакупніку, чаму ён проста абавязаны купіць гэты новы працэсар ?! :)

Трэцім па важнасці кампанентам цэнтральнага працэсара кампутара з'яўляецца яго кэш. Кэш - гэта невялікая колькасць вельмі хуткай памяці, якая размешчана ў самым ядры і служыць для захавання прамежкавых вынікаў вылічэнняў, а таксама можа захоўваць у сабе копіі найбольш часта выкарыстоўваюцца дадзеных з аператыўнай памяці кампутара. Кэш можа выконваць ролю своеасаблівага «моста» з хуткасным рухам паміж аператыўнай памяццю і цэнтральным працэсарам кампутара.

Кэш дзеліцца на кэш інструкцый (для паскарэння загрузкі машыннага кода) і кэш дадзеных, абслуговы карыстацкія запыты. Апошні часта мае некалькі узроўняў (Level 1, Level 2 і Level 3). Кожны наступны ўзровень больш (па аб'ёме памяці) папярэдняга, але павольней па хуткадзейнасці. Чаму менавіта так? Думаецца, для патаннення канчатковага прадукта :) Але сваё такая канструкцыя дае, - істотнае зніжэнне затрымак звароту CPU да аператыўнай памяці. Гэта своеасаблівы буфер паміж ёй і ЦПУ.

Ёсць спецыфічныя задачы, дзе кэш працэсара адыгрывае не апошнюю ролю. Лічыцца, што да такіх адносіцца працэс архівавання масіваў інфармацыі і прылады з вялікім і хуткім кэшам спраўляюцца з ёй лепш.

Як мы бачым, самі па сабе ні частата, ні многоядерность, ні вялікі кэш не гарантуюць нам павышэння хуткадзейнасці абсалютна ва ўсіх задачах! Дзесьці дастаткова будзе проста вялікай хуткасці (частоты), дзе-то спатрэбіцца шматзадачнасць - выкананне аперацыі паралельна на некалькіх ядрах. Тут патрэбен комплексны падыход і тонкі баланс паміж усімі складнікамі.

Ідзем далей! Паколькі ЦП працуе, на яго падаецца электрычны ток. Гэта прыводзіць да таго, што ён грэецца. Каб пазбегнуць такога непрыемнага з'явы, як перагрэў працэсара кампутара на яго усталёўваюць розныя сістэмы астуджэння (бясшумныя вадзяныя ці ж на аснове паветранага астуджэння, забяспечаныя вентылятарамі).

Нягледзячы на ​​пастаяннае памяншэнне тэхналагічнага працэсу і аптымізацыю энергаспажывання, топавыя мадэлі працэсараў ўпарта штурмуюць планку TDP у 200 Ват, а некаторыя (AMD) яе ўжо паспяхова пакарылі! Ці можна падобнае «дасягненне» адназначна назваць перамогай? Не думаю :)

Кожны з вытворцаў дае свайму новаму вырабу кодавае назву, якое характарызуе цэлую лінейку або сямейства прадуктаў, заснаваную на адной микроархитектуре. У недалёкім мінулым выкарыстоўваліся такія гучныя назвы, як «Coppermine», «Wolfdale», «Barton», «Nahalem», «Prescott», «Conroe», «Sandy Bridge».

Менавіта микроархитектура ядра і вызначае, якія з новых тэхналогій будуць закладзены ў будучы працэсар. Напрыклад: апаратная (на ўзроўні «жалеза») падтрымка тэхналогіі віртуалізацыі (Visualization Technology), абарона ад перапаўнення буфера (Intel Execute Disable Bit), «AMD Turbo Core» аўтаматычны кіраваны разгон працэсара (аналаг TurboBoost ад Intel), розныя варыянты інструкцый SSE і 3D Now і г.д.

Цяпер модна казаць не пра CPU, а пра APU (Accelerated Processor Unit - паскораны працэсар). Што гэта такое? Гэта аб'яднанне на адным крышталі або проста пад адным теплораспределительной вечкам уласна ЦПУ і відэакарты . Падобныя рашэнні яшчэ часам называюць гібрыднымі працэсарамі. Вынікам гэтага з'яўляюцца зніжэнне агульнага энергаспажывання і кошту сістэмы за кошт скарачэння колькасці камплектуючых (знешняя відэакарта ўжо не патрэбна).

Зразумела, што падобная сістэма не можа цягацца з паўнавартасным гульнявым кампутарам, але для большасці задач вельмі нават падыходзіць. Улічваючы тое, што ў 2006-м годзе вядомая кампанія «AMD» купіла не менш вядомую кампанію па вытворчасці графічных паскаральнікаў «ATI», то лагічна, што яе APU выглядаюць больш пераважна (менавіта за кошт графічнай складнікам). Кампанія «Intel» ніколі графікай сур'ёзна не займалася, яе канёк - цэнтральныя працэсары і на гэтым полі ёй няма роўных!

Што яшчэ можна сказаць пра працэсарах ў прыкладным плане? Вам, як патэнцыйнаму пакупніку, не лішнім будзе ведаць, што іх можна набыць у двух розных варыянтах пастаўкі: «Box» (Бокс) і «Tray» (Трэй). Бокс гэта - скрынкавая пастаўка:

Давайце паглядзім, што знаходзіцца ўнутры скрынкі?

Мы бачым тут ўпакаваную ў ахоўны пластык сістэму астуджэння (знізу) і сам цэнтральны працэсар кампутара (абведзены чырвоным). Звярніце ўвагу, што ў боксового пастаўцы на ніжнюю паверхню радыятара ахладжэння ўжо нанесены термоинтерфейс (теплопроводящее рэчыва ў выглядзе трох шэрых палосак). Термоинтерфейс служыць для лепшай перадачы цяпла з ядра крышталя на радыятар. Нам застаецца толькі адчыніць ўпакоўку і ўсталяваць канструкцыю на плату.

Калі ж Вы вырашылі набыць працэсар ў пастаўцы Трэй, то будзьце гатовыя да таго, што яго могуць вынесці Вам у поліэтыленавым пакуначку :) Вы купляеце асобна толькі сам чып, без сістэмы астуджэння. Навошта гэта можа быць трэба? Да прыкладу, я рабіў так, калі збіраў свой хатні кампутар. Стандартнае (боксового) астуджэнне мне не падабалася і я вырашыў усталяваць замест яго сістэму вежавага тыпу. Навошта пераплачваць за непатрэбны кавалак алюмінія з вентылятарам, які потым будзе ляжаць без справы?

Напрыканцы невялікая рэмарка з асабістага вопыту: у сучасных гульнях працэсар - не галоўнае. Асноўная нагрузка кладзецца на знешнюю відэакарту, таму калі Вы збіраецеся вырабляць мадэрнізацыю (апгрэйд) свайго кампутара менавіта з гэтай мэтай, то ў першую чаргу звярніце ўвагу менавіта на яго графічную падсістэму. Чаму я так упэўнена пра гэта заяўляю? Таму што зрабіўшы менавіта так (пакінуўшы стары працэсар і купіўшы новы GPU), я атрымаў абсалютна нармальнае хуткадзейнасць ва ўсіх гульнях 2015 года года!

Так, ледзь не забыўся! Я ж хацеў падзяліцца з Вамі выдатнай праграмай для тэставання працэсараў! Яна дазваляе па максімуме нагрузіць ЦП і выявіць магчымыя праблемы ў яго працы. Нагружаецца не толькі сам працэсар, але і фазы харчавання на мацярынскай плаце, таму ўтыліта карысная ўдвая. Таксама яна спатрэбіцца тым, хто займаецца рамонтам кампутараў і, па абавязку службы, вымушаны ладзіць сваім «пацыентам» стрэс-тэст на стабільнасць іх працы.

Праграма мае розныя рэжымы тэставання, а вынікі яе працы Вы можаце бачыць у рэжыме рэальнага часу ў форме зручных, навочных графікаў.

Ці - у выглядзе табліцы:

Ну пакуль на гэтым усё, разабраліся мы з працэсарам, вы цяпер будзеце ведаць, для чаго ў кампутары служыць працэсар, і па якой схеме і прынцыпу ён працуе. Калі вам будзе цікава, можаце паглядзець відэа пра тое, як робяць працэсары. Вам спадабацца, раю паглядзець!

3090
adminpc
-