В основе любого «умного» устройства лежит процессор — компонент, который отвечает за вычисления внутри гаджета. Процессоры есть в компьютерах, смартфонах, смарт-часах и браслетах — в любой вычислительной технике.
Рассказываем, что такое процессор и почему без него не может обойтись ни один компьютер.
Что представляет собой процессор
Центральный процессор еще называют CPU или ЦПУ. Это небольшое устройство, которое выглядит как квадратная или прямоугольная пластина. Процессор домашнего компьютера имеет размер около 5 см по каждой стороне.
В центре пластины — чип из кремния. К нему припаяно множество транзисторов. Именно они выполняют вычисления, а кремний проводит между ними ток.
Кремний — полупроводник: он может изменять свою способность проводить ток в зависимости от обстоятельств. Поэтому его проводимостью можно управлять, и он подходит для создания процессоров.
В компьютере процессор расположен на материнской плате — она связывает его с другими компонентами, например с жестким диском или видеокартой. Так процессор получает возможность обмениваться информацией с другими системами.
Кроме центрального процессора компьютера, существуют сопроцессоры — дополнительные процессоры, которые расширяют возможности ЦПУ. Например, ускоряют математические вычисления или решают какие-то узкие задачи. Также свой процессор может быть у видеокарты: это позволяет ей обрабатывать сложную графику.
Для чего нужен процессор
Функционально процессор — это мозг компьютера. Как и человеческий мозг, он обрабатывает всю информацию, которую получает устройство, управляет системой и памятью компьютера.
Функции процессора можно разделить на несколько групп:
- интерпретация и выполнение инструкций — программы компьютера отправляют процессору инструкции в двоичном коде, а он проводит вычисления и выполняет эти инструкции;
- обработка информации — другие системы могут передавать процессору данные, которые он обрабатывает с помощью вычислений и возвращает результат;
- управление памятью — процессор записывает данные в постоянную память, получает информацию из оперативной памяти, управляет доступом к памяти и пользуется собственным кэшем для краткосрочного хранения данных;
- управление системой — процессор взаимодействует с другими аппаратными компонентами, например жестким диском и видеокартой, передает иным системам результаты своих вычислений.
Принцип работы процессора основан на вычислительном цикле, или fetch-decode-execute cycle. Это последовательность действий, которая постоянно повторяется — миллионы раз в секунду. Именно в рамках вычислительного цикла процессор выполняет инструкции и обрабатывает информацию.
Цикл состоит из трех основных шагов:
- Fetch — получение команды, которую процессору отправила какая-либо программа.
- Decode — декодирование, или расшифровка полученной команды, перевод в понятный для процессора вид.
- Execute — выполнение команды.
На третьем шаге процессор вычисляет результат и может совершить с ним какое-либо действие. Например, записать его в память или создать на его основе команду, чтобы передать в другую систему. В этот момент в компьютере что-нибудь происходит: создается новый файл, открывается программа, отрисовывается картинка — в зависимости от того, какой была команда.
Внутреннее устройство процессора в компьютере
Основной компонент процессора — кристалл: та самая кремниевая пластина с транзисторами. Он состоит из двух главных частей:
- Ядро. Именно оно отвечает за вычисления. Ядро в свою очередь включает в себя арифметическо-логическое устройство для выполнения операций, устройство управления, которое обрабатывает команды, и других компонентов. В современных процессорах ядер обычно больше одного — поэтому устройства могут выполнять несколько команд одновременно.
- Память процессора. Ее еще называют запоминающим устройством. Она тоже состоит из двух компонентов: регистров и кэша. Регистры — очень маленькие ячейки памяти, которые хранят данные текущей команды. Кэш чуть больше: в нем хранятся часто используемые команды, к которым нужен быстрый доступ.
Кроме того, к процессору присоединены шины — каналы передачи данных. С их помощью ЦПУ обменивается информацией с другими системами и компонентами.
Поверх кристалла находится слой изоляционного материала, несколько защитных слоев и термоинтерфейс для отведения тепла. Поэтому сам кристалл как правило не видно. Его можно увидеть, только если разобрать процессор, но в домашних условиях это невозможно без поломки устройства.
Основные характеристики процессора
Процессоры разных видов и серий отличаются друг от друга по множеству параметров. От этих параметров зависит, насколько быстро и эффективно будет работать процессор. Вот некоторые из характеристик, которые могут быть важны при выборе устройства.
Тактовая частота. Этот параметр показывает, сколько операций в секунду способен выполнить процессор. Он измеряется в мегагерцах или гигагерцах: 1 МГц — миллион операций в секунду, а 1 ГГц — миллиард операций. То есть, чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор будет совершать вычисления и исполнять команды.
Разрядность. Это количество информации, которую процессор может обработать за один такт — то есть за одну операцию. Информация измеряется в битах: 1 бит — это ноль или единица. Например, 64-разрядный процессор обрабатывает 64 бита за такт. Чем выше разрядность, тем производительнее устройство.
Количество ядер. В современных процессорах обычно несколько ядер. Они выполняют операции одновременно друг с другом, поэтому вычисления заметно ускоряются. Тут принцип тот же: чем больше ядер, тем выше скорость работы.
Часто разные ядра берут на себя разные задачи. Например, в современных процессорах есть P-ядра и E-ядра: первые предназначены для более сложных вычислений, вторые, более энергоэффективные — для тех, что не требуют высокой нагрузки на процессор.
Количество потоков. Увеличение количества ядер — не единственный способ выполнять несколько действий одновременно. Большинство современных процессоров поддерживают многопоточность: одно ядро одновременно решает несколько задач. Чем больше потоков, тем больше операций оно может выполнять. Правда, многопоточность не так заметно увеличивает производительность, как дополнительные ядра.
Размер транзисторов. Этот параметр еще называют техпроцессом. В современных процессорах его измеряют в нанометрах. Чем меньше транзисторы, тем большее их количество можно разместить на процессоре — и тем выше его производительность. Кроме того, маленькие транзисторы выделяют меньше тепла.
Самый маленький техпроцесс в современном мире — около 2 нанометров. Но крупные производители уже разрабатывают процессоры с техпроцессом 1 нм и даже меньше. Правда, до их выпуска на рынок придется подождать еще несколько лет.
Размер кэша. Кэш — это внутренняя память процессора. Она очень быстрая, но не очень большая, и состоит из трех уровней: L1, L2, L3. В кэше процессор хранит самые распространенные команды, которые могут быстро ему понадобиться. Чем больше кэш, тем больше команд в нем можно сохранить — и тем эффективнее будет работать процессор.
Выделение тепла. Во время работы, особенно при выполнении сложных команд, процессор греется. Чем больше тепла он выделяет — тем более мощная система охлаждения ему понадобится.
Энергопотребление. Это то, сколько электроэнергии в ваттах потребяет процессор. Чем более сложную задачу он решает, тем больше энергии потребляет — и тем сильнее греется. Параметр стоит учитывать, чтобы понимать энергоэффективность процессора.
Сокет. Так называется разъем, с помощью которого процессор соединяют с материнской платой. Если ЦПУ покупают отдельно от материнской платы, нужно проследить, чтобы их сокеты подходили друг к другу — иначе процессор не получится установить.
Какой бывает архитектура процессора
Еще один важный параметр — архитектура, или то, как процессор спроектирован внутри. Архитектуры различаются подходом к написанию инструкций для процессора, устройством компонентов и многим другим.
Компьютерные процессоры обычно используют неймановскую архитектуру — и программа, и ее данные хранятся в оперативной памяти. Среди них существует несколько стандартных архитектурных концепций:
- CISC — архитектура с длинными командами и небольшим набором регистров. По сравнению с другими у нее есть проблемы с быстродействием и параллельными вычислениями. Но многие компьютеры до сих пор работают на процессорах, основанных на ней;
- RISC — архитектура с короткими командами, длина которых ограничена, чтобы выполнить их можно было за один такт. Большинство современных процессоров имеют архитектуру, основанную на ней — в основном это процессоры для мобильных устройств;
- VLIW — архитектура с очень длинными инструкциями, в каждой из которых находится несколько операций. У таких процессоров несколько арифметическо-логических устройств, которые исполняют инструкции параллельно. Сейчас такой подход используется в сопроцессорах мобильных устройств;
- MISC — архитектура с последовательностями очень коротких команд. Такие процессоры довольно дешевые и не слишком сильно греются. Часто их используют в IoT-устройствах.
В рамках этих концепций существуют уже более конкретные реализации архитектуры — и их множество. Например, архитектура ARM основана на RISC. А архитектура x86-x64 — на CISC. И у каждой из них тоже есть вариации.
Кроме неймановской, также существует гарвардская архитектура. В ней программа и данные хранятся в разных местах, и процессор может обращаться к ним одновременно. Но этот вид архитектуры редко используется в компьютерах. Его в основном применяют в бытовых, медицинских и других приборах.
Какие процессоры существуют на рынке
Главных производителей процессоров в мире два: Intel и AMD. Именно они выпускают большинство современных ЦПУ. Но на рынке есть не только они — рассмотрим главных производителей процессоров для компьютеров и мобильных устройств.
- Intel — один из самых популярных производителей процессоров. Он выпускает линейки ЦПУ для персональных компьютеров, ноутбуков и нетбуков, а также для мобильных устройств, профессиональных компьютеров и серверов. Например, легковесный Intel Atom используется в мобильных гаджетах, а линейка Intel Core i9 — высокопроизводительные процессоры, которые часто применяют в геймерских сборках ПК.
- AMD — еще один популярный производитель, который выпускает процессоры под разные нужды. Например, линейка AMD Ryzen 9 подходит для геймеров, а AMD Threadripper — для сложных вычислений, например видеомонтажа. А специализированная серия AMD EPYC предназначена для серверов.
- Apple — производитель смартфонов и компьютеров, который также создает для них процессоры. Они предназначены специально для техники Apple. Изначально компания выпускала ЦПУ только для своих мобильных устройств, но с 2020 года начала переводить на собственные процессоры ПК и ноутбуки. Процессоры Apple основаны на ARM-архитектуре, поэтому энергоэффективны и быстро работают.
- Qualcomm — один из наиболее популярных производителей ЦПУ для мобильных устройств. Его процессоры Snapdragon основаны на архитектуре ARM и используются в смартфонах Samsung, Sony, Xiaomi и многих других.
- Nvidia — самый известный производитель графических процессоров и видеокарт. Именно эта компания ввела термин GPU — графический процессор. Но кроме них, она также выпускает специализированные процессоры для автомобильной электроники и многое другое.
Кроме того, собственные процессоры создают некоторые производители электроники, например Huawei, IBM и другие. Зачастую они предназначены для устройств, которые производит сама корпорация.
Стоит также упомянуть компанию ARM. Сама по себе она не производит процессоры, но разработала архитектуру ARM и выдает лицензии на ее использование другим компаниям — производством занимаются уже они. Например, лицензией ARM пользуются Apple и Qualcomm.
Краткие выводы
- Процессор — это устройство, которое отвечает за вычисления в компьютере, его своеобразный мозг. Он есть во всех современных гаджетах: компьютерах, телефонах, умной бытовой технике, смарт-часах и даже автомобилях.
- Главный компонент процессора — кристалл. Это пластинка кремния с огромным количеством транзисторов, которые и выполняют вычисления. Кристалл окружают защитные, изолирующие и отводящие тепло слои.
- В ходе работы процессор получает инструкции от других систем и исполняет их. Результат он отправляет в память или возвращает какой-то другой системе. Он отвечает за вычисления, управление памятью и системами компьютера.
- У процессора есть вычислительные ядра и собственная память. От количества ядер и размера памяти зависит производительность устройства. Также важны количество потоков, размер транзисторов, тактовая частота и другие характеристики.
