Центральный процессор компьютера (ЦПУ)

Сегодня мы рассматриваем центральный процессор компьютера CPU (Central Processing Unit - центральное обрабатывающее устройство или ЦПУ). Это сердце системного блока или, если хотите, - его мозг! На жаргоне компьютерщиков его иногда называют "камень" (кристаллический кремний действительно похож на камень).

Это главный обработчик поступающей в компьютер информации. Центральный процессор выполняет все необходимые математические операции с поступающими данными, производит различные выборки из баз данных, архивирует и разархивирует наши файлы, занимается кодированием видео, обрабатывает модель физического взаимодействия частиц в любимой компьютерной игре, наконец!

Центральный процессор современного компьютера делает очень много, проще будет перечислить то, чего он не делает :)

Вот несколько фотографий ЦПУ:

Первая фотография, это двухъядерный центральный процессор фирмы «Intel», вторая - его тыльная сторона. Этой стороной он и вставляется в процессорный разъем (сокет «socket») на материнской плате. На этих фото мы видим CPU форм фактора «LGA-775». Аббревиатура «LGA» это сокращение от англ. "Land Grid Array" - тип корпуса с матрицей контактных площадок. Устаревшие модели поставлялись в корпусах «PGA» (Pin Grid Array - матрица штырьковых контактов), именно такой устаревший процессор представлен на последнем фото выше.

Введение нового форм фактора было обусловлено тем, что количество "ножек" (штырьков-выводов) CPU предыдущих поколений возросло до такой степени, что между ними начали появляться паразитные электрические наводки, влияющие на работу конечного устройства. Особенность «LGA» в том, что сами контакты перенесены с корпуса процессора на поверхность разъема (сокета), который расположен на материнской плате. На подложке чипа остаются только контактные поверхности (так называемые "пятачки").

В старших моделях компьютеров установка процессора была сопряжена с определенным риском согнуть или (не дай Бог) сломать одну из нескольких сотен PGA ножек. Страшный сон сборщика компьютеров! :) Сейчас все намного проще.

То что мы видим на фотографиях выше, - внешняя оболочка центрального процессора компьютера. Ее функция состоит в том чтобы защитить ядро (сам кристалл кремния) от механического воздействия, обеспечить площадь контакта с системой охлаждения (радиатором), а также - предоставить электрический контакт для питания устройства (фотографии выше под номером «1» и «2»).

Центральный процессор компьютера состоит из квадратной пластинки текстолита, в которую намертво вмонтировано его ядро (кристалл кремния), а также - выводы электрических контактов, плюс - защитная крышка сверху. Что находится под этой крышкой мы рассматривали вот здесь.

Процесс изготовления готовых чипов можно описать приблизительно так: на тонкую кремниевую основу (подложку) через специальные "маски" с прорезями методом литографии поочередно наносятся слои проводников, полупроводников и изоляторов. Иногда используется процесс вытравливания элементов на кристалле (через те же отверстия в "маске"). После окончания процедуры подложка распиливается на квадраты, которые облекаются в защитную и теплопроводящую оболочку, снабжаются контактными площадками и изделие готово!

Сейчас рынок десктопных процессоров делят между собой практически только две крупные компании: «Intel» и «AMD». По данным на 2011 год первая "держала" более 80% этого рынка, а вторая - чуть более 10%. Совсем другое дело, - стремительно развивающийся рынок мобильных процессоров. Здесь представлено просто огромное количество компаний, выпускающих свои решения (ну, не совсем "свои", но об этом мы поговорим в другой статье).

Схематически внутреннее устройство CPU можно изобразить следующим образом:

Вот наглядное фото кристалла CPU в разрезе:

А это - мощный двухъядерный «Athlon»:

Да, вот еще одна фотография, для полноты картины так сказать:

Это тоже процессор компьютера, просто в другом конструктивном исполнении. Были, в свое время, подобные образцы, текстолитовая плата которых вставлялась вертикально в специальный разъем на материнской плате. Он назывался (Slot A), отсюда пошел термин "слотовые процессоры". Больше всего с виду конструкция напоминает картридж игровой приставки с вентилятором сбоку :)

Если коснуться такого важного аспекта, как производительность ЦП, то она напрямую зависит от нескольких составляющих и из них же складывается:

• его тактовой частоты
• количества ядер
• количества и быстроты кеш памяти

Разберем каждый из пунктов подробнее. Тактовая частота процессора измеряется в герцах (Гц).

Примечание: Герц (Hz) - единица измерения частоты периодических процессов (в данном случае - колебаний). К примеру, 1 Герц - одно такое колебание (такт) в секунду.

Измерять тактовую частоту (производительность) центрального процессора в Герцах неудобно (слишком большие получаются числа). Поэтому здесь применяются такие величины, как мегагерцы и гигагерцы. Мегагерц (Mhz) это - один миллион Герц (1 000 000 Hz). Гигагерц (Ghz) это - 1000 мегагерц (Mhz) или - один миллиард Герц (1 000 000 000 Hz).

Согласно изложенному выше получается, что ЦП с тактовой частотой в 3 Гигагерца это - 3000 Мегагерц или три миллиарда герц! Условно можно сказать так, чем выше частота, тем больше инструкций можно обработать за единицу времени. Согласно описанному примеру, процессор в 3 Ghz (Ггц) может выполнять три миллиарда операций в секунду.

Для лучшего усвоения - посмотрите небольшое тематическое видео:

Посмотреть значение тактовой частоты можно, нажав правой кнопкой мыши на пикторгамме "Мой компьютер" на рабочем столе и выбрав из выпавшего меню пункт "Свойства". На скриншоте ниже приведены изображения с данной информацией для операционных систем «Windows 7» и «Windows XP».

Также этот показатель можно увидеть в процессе начальной загрузки операционной системы, зайдя в биос или воспользоваться одной из специализированный утилит, навроде «CpuZ». Эта замечательная программа покажет не только значение тактовой частоты, но и еще много другой полезной информации.

Примечание: достаточно подробно работу данной программы мы рассматривали вот здесь, поэтому не будем повторяться.

Помните знаменитый "закон" Гордона Мура, выведенный им еще в далеком 1975-ом году: "Производительность современных процессоров должна увеличиваться вдвое каждые 24 месяца!" Надо отдать должное этому прогнозу: так оно и было, до какого-то момента. Производители процессоров просто регулярно увеличивали тактовую частоту своих устройств (на фоне прочих улучшений, в виде параллельной обработки команд, расширения списка поддерживаемых инструкций, уменьшение техпроцесса и т.д.), что позволяло поддерживать живучесть данного утверждения.

Понятно, что бесконечно так продолжаться не могло: большие частоты требуют радикальной переработки системы охлаждения стремительно нагревающегося чипа. Сам автор утверждения в 2007-ом году сказал, что, по видимому, долго "закон" не просуществует. Дело в том, что при достижении определенного порога частоты (в диапазоне от 4000 до 5000 Мегагерц) любые процессоры начинают работать не стабильно и требуют усложненную систему охлаждения.

Оверклокеры ("разгонщики" центральных процессоров) со стажем утверждают, что примерный предел разогнанного процессора с воздушным охлаждением составляет 4000-4500 Mhz. Тут надо понимать, что - это лучшие образцы чипов, наиболее удачные из партии, а таких может быть один на несколько десятков, плюс топовая материнская плата, позволяющая подать на нее повышенное напряжение и повысить частоту FSB, дорогая (оверклокерская) память с дополнительным охлаждением и т.д. Если на тот же ЦП установить водяную систему охлаждения, то можно поднять частоту до 5000, но не факт что удастся добиться при этом стабильной работы устройства во всех приложениях.

Примечание: FSB (Front Side Bus - системная или фронтальная шина), - высокоскоростной интерфейс для обеспечения взаимодействия между процессором компьютера и остальными периферийными устройствами и модулями, расположенными на материнской плате. Частота системной шины - это скорость, с которой ядро процессора обменивается данными с ОЗУ, дискретной видеокартой, контроллерами жестких дисков и т.д.

Настоящие "маньяки" своего дела не останавливаются и на этом и в ход идет "тяжелая артиллерия" наподобие охлаждения с применением фреона, жидкого металла, гелия и даже жидкого азота! Последний вариант позволяет "выжать" из несчастного устройства рекордные 6000 Мегагерц и даже больше! С другой стороны, вряд ли Вы захотите работать на компьютере, покрытом коркой льда? :)

Сейчас настал тот момент, когда частота и общее быстродействие современных компьютеров вполне достаточны для решения большинства задач рядового пользователя ПК (сейчас опускаем игры и серьезные приложения для моделирования чего-либо). Именно поэтому простое увеличение этого показателя уже не будет давать такого ощутимого прироста скорости в повседневных (офисных) задачах, как раньше. Сейчас производительность современных ПК во многом определяется другими параметрами и их сочетанием.

Одним из таких параметров является объединение под одной теплорассеивающей крышкой большого количества ядер (на данный момент их количество может достигать двенадцати штук). Тут арифметика простая: чем больше ядер, тем выше производительность (при прочих равных условиях). Ведь все процессы, в таком случае, начинают выполняться параллельно (на каждом из ядер), что (в теории) должно ощутимо повысить общее быстродействие. На практике получается... по разному :)

Некоторые из приложений просто "не знают" что можно работать с несколькими ядрами, некоторые делают это плохо и только у специально "заточенных" под многоядерность приложений наблюдается существенный прирост. Есть приложения, которые практически не поддаются распараллеливанию. Например, офисные приложения («Microsoft Word» или «Open Office»). Другие задачи, такие как кодирование видео/аудио, компиляция программного кода, рендеринг трехмерной сцены, наоборот очень чувствительны к многопоточной обработке и максимальный выигрыш получают именно при таком подходе.

Локомотивом многоядерности по праву считаются серверные варианты центральных процессоров. Это «Intel Xeon» и «AMD Opteron» соответственно. Серверные решения характеризуются повышенным быстродействием (за счет большого кеша) и масштабируемостью (могут иметь несколько физических процессоров с большим количеством ядер внутри каждого). Подобные системы энтузиасты иногда устанавливают и у себя дома на обычные материнские платы, но это скорее ради спортивного интереса :) В основном же, подобные процессоры используются в рековых серверах, которые монтируются в специальные стойки.

Примечание: (Rack - стойка/полка) Рековый монтаж (RackMount) - принцип организации коммутационного оборудования.

Вот так подобный сервер может выглядеть отдельно:

А вот так - в рековой 19-ти дюймовой стойке (ее еще называют телекоммуникационной стойкой):

Бывают даже закрывающиеся на замки целые телекоммуникационные шкафы (Protective Cabinet). Они могут выглядеть, к примеру, вот так:

Подробно о том, как подобные сервера устроены внутри, какие у них процессоры и как организована серверная комната у нас на работе мы рассматривали в одном из уроков.

На базе подобных решений строят так называемые суперкомпьютеры. Например, компания «Intel» уже выпустила 16-ти ядерные Xeon-ы и рассматривает варианты решений с 22-24 и 28-ми ядрами. Понимаете, куда все это дело движется, да? Так что шутка команды КВН «Уральские пельмени» о 48-ми ядерном процессоре, произнесенная в 2012-м году уже не выглядит такой уж шуткой! :)

Уверен, со временем большинство приложений будет эффективно работать на многоядерных системах, сейчас пока с этим не все так радужно. Но производители центрльных процессоров упорно наращивают этот показатель и сейчас уже есть настольные системы с 12-ю ядрами. Зачем? Ну, надо же как-то объяснить покупателю, почему он просто обязан купить этот новый процессор?! :)

Третьим по важности компонентом центрального процессора компьютера является его кеш. Кеш - это небольшое количество очень быстрой памяти, которая расположена в самом ядре и служит для сохранения промежуточных результатов вычислений, а также может хранить в себе копии наиболее часто используемых данных из оперативной памяти компьютера. Кеш может выполнять роль своеобразного "моста" со скоростным движением между оперативной памятью и центральным процессором компьютера.

Кеш делится на кеш инструкций (для ускорения загрузки машинного кода) и кеш данных, обслуживающий пользовательские запросы. Последний часто имеет несколько уровней (Level 1, Level 2 и Level 3). Каждый последующий уровень больше (по объему памяти) предыдущего, но медленнее по быстродействию. Почему именно так? Думается, для удешевления конечного продукта :) Но свое такая конструкция дает, - существенное снижение задержек обращения CPU к оперативной памяти. Это своеобразный буфер между ней и ЦПУ.

Есть специфические задачи, где кеш процессора отыгрывает не последнюю роль. Считается, что к таковым относится процесс архивирования массивов информации и устройства с большим и быстрым кешем справляются с ней лучше.

Как мы видим, сами по себе ни частота, ни многоядерность, ни большой кеш не гарантируют нам повышения быстродействия абсолютно во всех задачах! Где-то достаточно будет просто большой скорости (частоты), где-то потребуется многозадачность - выполнение операции параллельно на нескольких ядрах. Тут нужен комплексный подход и тонкий баланс между всеми составляющими.

Идем дальше! Поскольку ЦП работает, на него подается электрический ток. Это приводит к тому, что он греется. Чтобы избежать такого неприятного явления, как перегрев процессора компьютера на него устанавливают различные системы охлаждения (бесшумные водяные или же на основе воздушного охлаждения, снабженные вентиляторами).

Несмотря на постоянное уменьшение технологического процесса и оптимизацию энергопотребления, топовые модели процессоров упорно штурмуют планку TDP в 200 Ватт, а некоторые (AMD) ее уже успешно покорили! Можно ли подобное "достижение" однозначно назвать победой? Не думаю :)

Каждый из производителей дает своему новому изделию кодовое название, которое характеризует целую линейку или семейство продуктов, основанную на одной микроархитектуре. В недалеком прошлом использовались такие звучные названия, как «Coppermine», «Wolfdale», «Barton», «Nahalem», «Prescott», «Conroe», «Sandy Bridge».

Именно микроархитектура ядра и определяет, какие из новых технологий будут заложены в будущий процессор. Например: аппаратная (на уровне "железа") поддержка технологии виртуализации (Visualization Technology), защита от переполнения буфера (Intel Execute Disable Bit), «AMD Turbo Core» автоматический управляемый разгон процессора (аналог TurboBoost от Intel), различные варианты инструкций SSE и 3D Now и т.д.

Сейчас модно говорить не про CPU, а про APU (Accelerated Processor Unit - ускоренный процессор). Что это такое? Это объединение на одном кристалле или просто под одной теплораспределительной крышкой собственно ЦПУ и видеокарты. Подобные решения еще иногда называют гибридными процессорами. Результатом этого являются снижение общего энергопотребления и стоимости системы за счёт сокращения числа комплектующих (внешняя видеокарта уже не нужна).

Понятно, что подобная система не может тягаться с полноценным игровым компьютером, но для большинства задач очень даже подходит. Учитывая то, что в 2006-м году известная компания «AMD» купила не менее известную компанию по производству графических ускорителей «ATI», то логично, что ее APU выглядят более предпочтительно (именно за счет графической составляющей). Компания «Intel» никогда графикой серьезно не занималась, ее конек - центральные процессоры и на этом поле ей нет равных!

Что еще можно сказать о процессорах в прикладном плане? Вам, как потенциальному покупателю, не лишним будет знать, что их можно приобрести в двух разных вариантах поставки: «Box» (Бокс) и «Tray» (Трэй). Бокс это - коробочная поставка:

Давайте посмотрим, что находится внутри коробки?

Мы видим здесь упакованную в защитный пластик систему охлаждения (снизу) и сам центральный процессор компьютера (обведен красным). Обратите внимание, что в боксовой поставке на нижнюю поверхность радиатора охлаждения уже нанесен термоинтерфейс (теплопроводящее вещество в виде трех серых полосок). Термоинтерфейс служит для лучшей передачи тепла с ядра кристалла на радиатор. Нам остается только вскрыть упаковку и установить конструкцию на плату.

Если же Вы решили приобрести процессор в поставке трэй, то будьте готовы к тому, что его могут вынести Вам в полиэтиленовом кулечке :) Вы покупаете отдельно только сам чип, без системы охлаждения. Зачем это может быть нужно? К примеру, я делал так, когда собирал свой домашний компьютер. Стандартное (боксовое) охлаждение мне не нравилось и я решил установить вместо него систему башенного типа. Зачем переплачивать за ненужный кусок алюминия с вентилятором, который потом будет лежать без дела?

Напоследок небольшая ремарка из личного опыта: в современных играх процессор - не главное. Основная нагрузка ложиться на внешнюю видеокарту, поэтому если Вы собираетесь производить модернизацию (апгрейд) своего компьютера именно с этой целью, то в первую очередь обратите внимание именно на его графическую подсистему. Почему я так уверенно об этом заявляю? Потому что сделав именно так (оставив старый процессор и купив новый GPU), я получил абсолютно нормальное быстродействие во всех играх 2015-го года!

Да, чуть не забыл! Я же хотел поделиться с Вами замечательной программой для тестирования процессоров! Она позволяет по максимуму нагрузить ЦП и выявить возможные проблемы в его работе. Нагружается не только сам процессор, но и фазы питания на материнской плате, поэтому утилита полезна вдвойне. Также она пригодится тем, кто занимается ремонтом компьютеров и, по долгу службы, вынужден устраивать своим "пациентам" стресс-тест на стабильность их работы.

Программа имеет различные режимы тестирования, а результаты ее работы Вы можете видеть в режиме реального времени в форме удобных, наглядных графиков.

Или - в виде таблицы:

Ну пока на этом все, разобрались мы с процессором, вы теперь будете знать, для чего в компьютере служит процессор, и по какой схеме и принципу он работает. Если вам будет интересно, можете посмотреть видео про то, как делают процессоры. Вам понравиться, советую посмотреть!