Processzor

Központi feldolgozó egység ( CPU ; még központi processzor egység  - CPU ; angolul  central processzor _ _ _ _ _ _ _ számítógépes hardver vagy programozható logikai vezérlő része . Néha ezt az összetevőt egyszerűen processzornak nevezik .

Kezdetben a központi feldolgozó egység kifejezés egy speciális elemrendszert írt le, amelyet a számítógépes programok gépi kódjának megértésére és végrehajtására terveztek, nem csak rögzített logikai műveletekre . A fogalom és annak rövidítése számítógépes rendszerekkel kapcsolatos használatának kezdete az 1960-as évekre tehető. A processzorok eszköze, architektúrája és megvalósítása azóta sokszor változott. A modern számítástechnikai rendszerekben a központi feldolgozó egység összes funkcióját általában egyetlen integrált mikroáramkör  - a mikroprocesszor - látja el .

A CPU főbb jellemzői a következők: órajel , teljesítmény , energiafogyasztás, a gyártás során használt litográfiai eljárás normái (mikroprocesszorokhoz), és az architektúra .

A korai CPU-kat egyedi, sőt egyedi számítógépes rendszerek egyedi építőelemeiként tervezték. Később az egy vagy több speciális program végrehajtására tervezett processzorok fejlesztésének költséges módszeréről a számítógépgyártók áttértek a többcélú processzoreszközök tipikus osztályainak sorozatgyártására. A számítógép-alkatrészek szabványosítására irányuló tendencia a félvezetők , nagyszámítógépek és miniszámítógépek rohamos fejlődésének korszakából indult ki , és az integrált áramkörök megjelenésével még népszerűbbé vált. A mikroáramkörök létrehozása lehetővé tette a CPU összetettségének további növelését, miközben csökkentette azok fizikai méretét. A processzorok szabványosítása és miniatürizálása a rájuk épülő digitális eszközök mély behatolását eredményezte a mindennapi életben. A modern processzorok nemcsak csúcstechnológiás eszközökben, például számítógépekben találhatók meg, hanem autókban , számológépekben , mobiltelefonokban és még gyermekjátékokban is . Leggyakrabban mikrokontrollerek képviselik őket , ahol a számítási eszközön kívül további alkatrészek is találhatók a chipen (program- és adatmemória, interfészek, I / O portok, időzítők stb.). A mikrokontroller modern számítási képességei a harminc évvel ezelőtti személyi számítógépes processzorokéhoz hasonlíthatók, és gyakran még jelentősen meg is haladják azok teljesítményét.

Történelem

A processzorgyártás fejlődésének története teljes mértékben összhangban van az egyéb elektronikus alkatrészek és áramkörök gyártására szolgáló technológia fejlődésének történetével.

Az első szakasz , amely az 1940-es évektől az 1950-es évek végéig tartó időszakot érintette, az elektromechanikus relék , ferritmagok (memóriaeszközök) és vákuumcsövek felhasználásával készült processzorok létrehozása volt . A rack-ekbe összeállított modulok speciális nyílásaiba szerelték be. Számos ilyen, vezetékekkel összekapcsolt rack összesen egy processzort jelentett. Megkülönböztető jellemzői az alacsony megbízhatóság, az alacsony sebesség és a nagy hőleadás volt.

A második szakasz , az 1950-es évek közepétől az 1960-as évek közepéig a tranzisztorok bevezetése volt . A tranzisztorokat már a modern megjelenéshez közel álló táblákra szerelték, rackbe szerelték. Mint korábban, az átlagos processzor több ilyen állványból állt. Megnövelt teljesítmény, jobb megbízhatóság, csökkentett energiafogyasztás.

A harmadik szakasz , amely az 1960-as évek közepén érkezett, a mikrochipek használata volt . Kezdetben alacsony integráltsági fokú, egyszerű tranzisztor és ellenállás összeállításokat tartalmazó mikroáramkörök kerültek alkalmazásra, majd a technológia fejlődésével a digitális áramkörök egyes elemeit megvalósító mikroáramkörök (először elemi kulcsok és logikai elemek, majd bonyolultabb elemek) kezdték el használni. - elemi regiszterek, számlálók, összeadók ), később a processzor funkcionális blokkjait tartalmazó mikroáramkörök voltak - mikroprogram-eszköz, aritmetikai-logikai egység , regiszterek , adat- és parancsbuszok kezelésére szolgáló eszközök.

A negyedik szakasz , az 1970-es évek elején a technológiai áttörésnek köszönhetően az LSI és VLSI (nagy és extra nagy integrált áramkörök) létrehozása volt, egy mikroprocesszor  - egy mikroáramkör, amelynek kristályán az összes fő elem és a processzor blokkjai fizikailag elhelyezkedtek. Az Intel 1971-ben megalkotta a világ első 4 bites 4004 mikroprocesszorát , amelyet számológépekben való használatra terveztek. Fokozatosan szinte minden processzort elkezdtek mikroprocesszoros formátumban gyártani. Sokáig csak a kisméretű, speciális problémák megoldására hardverre optimalizált processzorok (például szuperszámítógépek vagy processzorok számos katonai feladat megoldására), illetve azok a processzorok jelentek kivételt, amelyeknek különleges megbízhatósági, sebességi vagy elektromágneses védelemmel kapcsolatos követelményei voltak. impulzusok és ionizáló sugárzás. Fokozatosan a költségek csökkenésével és a modern technológiák elterjedésével ezeket a processzorokat is elkezdik mikroprocesszoros formátumban gyártani.

Mára a "mikroprocesszor" és a "processzor" szavak gyakorlatilag szinonimákká váltak, de akkor még nem így volt, mert a közönséges (nagy) és a mikroprocesszoros számítógépek legalább 10-15 évig békésen egymás mellett éltek, és csak az 1980-as évek elején váltották ki a mikroprocesszorok. régebbi társai. Ennek ellenére egyes szuperszámítógépek központi feldolgozó egységei ma is komplex komplexumok, amelyek nagy és rendkívül nagy integrációs fokú mikrochipekre épülnek.

A mikroprocesszorokra való áttérés lehetővé tette a személyi számítógépek létrehozását , amelyek szinte minden otthonba behatoltak.

Az első nyilvánosan elérhető mikroprocesszor a 4 bites Intel 4004 volt, amelyet 1971. november 15-én mutatott be az Intel Corporation. 2300 tranzisztort tartalmazott, 92,6 kHz [1] órajelen működött , és 300 dollárba került.

Ezután a 8 bites Intel 8080 és a 16 bites 8086 váltotta fel , amelyek lefektették az összes modern asztali processzor architektúráját. A 8 bites memóriamodulok elterjedtsége miatt megjelent az olcsó 8088, a 8086 egyszerűsített változata, 8 bites adatbusszal.

Ezt követte annak módosítása, a 80186 .

A 80286 processzor védett módot vezetett be 24 bites címzéssel , amely akár 16 MB memória használatát tette lehetővé.

Az Intel 80386 processzor 1985-ben jelent meg, és továbbfejlesztett védett módot , 32 bites címzést vezetett be , amely akár 4 GB RAM-ot és virtuális memóriamechanizmus támogatását tette lehetővé. Ez a processzorsor egy regiszterszámítási modellre épül .

Ezzel párhuzamosan a mikroprocesszorok fejlesztése folyik, a veremszámítási modell alapján.

A mikroprocesszorok fennállásának évei során számos különböző mikroprocesszor- architektúrát fejlesztettek ki . Sok közülük (kiegészített és javított formában) ma is használatos. Például az Intel x86, amely először 32 bites IA-32-vé, majd később 64 bites x86-64 -é fejlődött (amit az Intel EM64T-nek hív). Az x86 architektúrájú processzorokat eredetileg csak az IBM személyi számítógépeiben ( IBM PC ) használták, mára azonban egyre inkább a számítógépipar minden területén használják, a szuperszámítógépektől a beágyazott megoldásokig. Az olyan architektúrák is felsorolhatók, mint az Alpha , POWER , SPARC , PA-RISC , MIPS (RISC architektúrák) és IA-64 ( EPIC architektúra ).

A modern számítógépekben a processzorokat kompakt modul formájában készítik (körülbelül 5 × 5 × 0,3 cm méretű), amelyet egy ZIF -aljzatba (AMD) vagy egy rugós kialakításra - LGA (Intel) helyeznek be. Az LGA-csatlakozó jellemzője, hogy a csapok a processzorházból átkerülnek magához a csatlakozóhoz - az alaplapon található aljzathoz. A legtöbb modern processzort egyetlen félvezető chipként valósítják meg, amely több millió, újabban pedig több milliárd tranzisztort tartalmaz. Ezenkívül a félvezető kristályok méretének és összetettségének növekedésével a XXI. század 20-as éveiben megkezdődött egyetlen nagy kristály felosztása több kisebbre (az úgynevezett " chiletekre "), amelyeket egyetlen mikroegységbe szereltek fel . hogy népszerűségre tegyen szert . Ez lehetővé teszi a megfelelő mikroáramkörök hozamának növelését és a hőtermelés csökkentését.

Von Neumann építészet

A legtöbb modern személyi számítógép processzor általában a Neumann János által leírt ciklikus soros adatfeldolgozási folyamat valamilyen változatán alapul .

1946 júliusában Burks, Goldstein és von Neumann írt egy híres monográfiát " Egy elektronikus számítástechnikai eszköz logikai tervezésének előzetes megfontolása " címmel, amely részletesen leírta a későbbiekben ismertté vált későbbi számítógép eszközét és műszaki jellemzőit. a " von Neumann építészet ". Ez a munka továbbfejlesztette azokat az elképzeléseket, amelyeket Neumann vázolt fel 1945 májusában az „ Első jelentéstervezet az EDVAC-ról ” című kéziratában.

A von Neumann architektúra sajátossága, hogy az utasításokat és az adatokat ugyanabban a memóriában tárolják.

A különböző architektúrák és parancsok további lépéseket igényelhetnek. Például az aritmetikai utasítások további memória-hozzáféréseket igényelhetnek, amelyek során az operandusokat beolvassák és az eredményeket írják.

Futtassa a ciklus lépéseit:

1. A processzor a programszámláló regiszterben tárolt számot a címbuszra állítja, és olvasási parancsot ad ki a memóriának .
2. A kitett szám a memóriacím ; A memória, miután megkapta a címet és az olvasási parancsot, az ezen a címen tárolt tartalmat kiteszi az adatbuszra , és készenléti jelentést készít.
3. A processzor kap egy számot az adatbusztól, azt parancsként ( gépi utasításként ) értelmezi az utasításkészletéből , és végrehajtja.
4. Ha az utolsó utasítás nem ugró utasítás , akkor a processzor eggyel növeli az utasításszámlálóban tárolt számot (feltéve, hogy minden utasítás hossza egy); ennek eredményeként ott alakul ki a következő utasítás címe.

Ez a ciklus változatlanul végrehajtódik, és őt nevezik folyamatnak (innen az eszköz neve).

Egy folyamat során a processzor beolvassa a memóriában található utasítások sorozatát, és végrehajtja azokat. Az ilyen parancssorozatot programnak nevezzük, és a processzor algoritmusát reprezentálja . Az olvasási parancsok sorrendje megváltozik, ha a processzor egy ugrásparancsot olvas, akkor a következő parancs címe eltérő lehet. Egy másik példa a folyamatváltozásra, ha leállítási parancs érkezik, vagy amikor a szolgáltatás megszakítására vált át .

A központi processzor parancsai a számítógépes vezérlés legalacsonyabb szintjét jelentik, így az egyes parancsok végrehajtása elkerülhetetlen és feltétlen. Nem ellenőrzik az elvégzett tevékenységek elfogadhatóságát, különösen nem ellenőrzik az értékes adatok esetleges elvesztését. Ahhoz, hogy a számítógép csak legális műveleteket végezhessen, a parancsokat megfelelően kell a kívánt programba rendezni.

A ciklus egyik szakaszából a másikba való átmenet sebességét az órajelgenerátor határozza meg . Az órajel-generátor impulzusokat generál, amelyek ritmusként szolgálnak a központi processzor számára. Az óraimpulzus frekvenciáját órafrekvenciának nevezzük .

Pipeline architektúra

Pipeline architektúra ( eng.  pipelining ) került be a központi processzorba a teljesítmény növelése érdekében. Általában az egyes utasítások végrehajtásához számos azonos típusú műveletet kell végrehajtani, például: utasítás lekérése a RAM -ból , utasítás visszafejtése, operandus címzése a RAM-ba, operandus lehívása a RAM-ból, utasítás végrehajtása , eredményt ír a RAM-ba. Ezen műveletek mindegyike a szállítószalag egy szakaszához kapcsolódik. Például egy MIPS-I mikroprocesszor csővezeték négy szakaszból áll:

• utasítások fogadása és dekódolása,
• operandus címzése és lekérése a RAM-ból,
• aritmetikai műveletek elvégzése,
• mentse el a művelet eredményét.

A csővezeték edik szakaszának felszabadulása után azonnal elkezd dolgozni a következő utasításon. Ha feltételezzük, hogy a csővezeték egyes szakaszai egy egységnyi időt töltenek a munkájával, akkor egy lépéshosszú csővezetéken egy parancs végrehajtása egységnyi időt vesz igénybe , azonban a legoptimistább esetben a minden következő parancs végrehajtása minden időegységben megtörténik.

Valójában csővezeték hiányában a parancs végrehajtása időegységeket vesz igénybe (mivel a parancs végrehajtása még mindig lekérést, dekódolást stb. igényel), a parancsok végrehajtása pedig időegységeket igényel ; csővezeték használatakor (a legoptimistább esetben) a parancsok végrehajtása csak egységnyi időt vesz igénybe .

A szállítószalag hatékonyságát csökkentő tényezők:

1. Egy egyszerű folyamat, amikor egyes szakaszokat nem használnak (például nincs szükség operandus címezésére és lekérésére a RAM-ból, ha az utasítás regiszterekkel működik).
2. Várakozás: ha a következő parancs az előző eredményét használja, akkor az utolsó nem indulhat el az első végrehajtása előtt (ezt a parancsok soron kívüli végrehajtásával küszöböljük ki).
3. A folyamat törlése, amikor egy elágazási utasítás eltalálja (ez a probléma kisimítható az elágazás előrejelzésével).

Egyes modern processzorok több mint 30 szakaszt tartalmaznak, ami javítja a processzor teljesítményét, de az üresjárati idő növekedéséhez vezet (például a feltételes elágazás előrejelzésének hibája esetén). Nincs konszenzus az optimális csőhosszról: a különböző programok jelentősen eltérő követelményeket támasztanak.

Szuperskaláris architektúra

Lehetőség több gépi utasítás végrehajtására egy processzorciklusban a végrehajtási egységek számának növelésével. Ennek a technológiának a megjelenése a teljesítmény jelentős növekedéséhez vezetett, ugyanakkor a végrehajtó eszközök számának növekedésének van egy bizonyos határa, amely felett a teljesítmény gyakorlatilag megáll, és a végrehajtó eszközök tétlenek. A probléma részleges megoldása például a Hyper-threading technológia .

CISC processzorok

Komplex utasításkészletű számítógép - számítások összetett parancskészlettel. Kifinomult utasításkészleten alapuló processzorarchitektúra. A CISC tipikus képviselői az x86 család mikroprocesszorai (bár évek óta ezek a processzorok csak külső utasításrendszer CISC-ként működnek: a végrehajtási folyamat elején a bonyolult utasításokat egyszerűbb mikroműveletekre (MOS) bontják le, amelyeket a rendszer hajt végre. a RISC mag).

RISC processzorok

Csökkentett utasításkészletű számítógép - számítások egyszerűsített utasításkészlettel (a szakirodalomban a redukált szót gyakran tévesen "csökkentett"-nek fordítják). Az egyszerűsített utasításkészletre épülő processzorok architektúráját fix hosszúságú utasítások jelenléte, nagyszámú regiszter, regiszter-regiszter műveletek, valamint az indirekt címzés hiánya jellemzi. A RISC koncepcióját John Cock , az IBM Research munkatársa dolgozta ki, a nevet David Patterson találta ki.

Az utasításkészlet egyszerűsítésének célja a csővezeték csökkentése, amivel elkerülhető a feltételes és feltétel nélküli ugrások műveleteinek késése. A homogén regiszterkészlet leegyszerűsíti a fordító munkáját a végrehajtható programkód optimalizálásakor. Ezenkívül a RISC processzorokat alacsonyabb energiafogyasztás és hőleadás jellemzi.

Ennek az architektúrának a korai megvalósításai közé tartoztak a MIPS , PowerPC , SPARC , Alpha , PA-RISC processzorok . Az ARM processzorokat széles körben használják a mobil eszközökben .

MISC processzorok

Minimális utasításkészletű számítógép – számítások minimális parancskészlettel. Chuck Moore csapatának ötleteinek továbbfejlesztése, akik úgy vélik, hogy az eredetileg RISC processzorokhoz tartozó egyszerűség elve túl gyorsan háttérbe szorult. A maximális teljesítményért folyó verseny hevében a RISC sok CISC processzort utolért és megelőzött összetettségében. A MISC architektúra egy veremszámítási modellen alapul, korlátozott számú utasítással (körülbelül 20–30 utasítás).

VLIW processzorok

Nagyon hosszú utasításszó - extra hosszú parancsszó. A processzor utasításkészletébe beépített processzorok architektúrája kifejezetten kifejezett számítási párhuzamossággal. Ezek képezik az EPIC architektúra alapját . A legfontosabb különbség a szuperskaláris CISC processzorokhoz képest, hogy a CISC processzorok esetében a processzor egy része (ütemező) felelős a végrehajtó eszközök betöltéséért, ami meglehetősen rövid ideig tart, míg a fordító feladata a VLIW processzor számítási eszközeinek betöltése. , ami jelentős időt vesz igénybe.több idő (a letöltés minőségének és ennek megfelelően a teljesítménynek elméletileg magasabbnak kell lennie).

Például Intel Itanium , Transmeta Crusoe , Efficeon és Elbrus .

Többmagos processzorok

Tartalmazzon több processzormagot egy csomagban (egy vagy több chipen).

Az operációs rendszer egyetlen példányának több magon való futtatására tervezett processzorok a többfeldolgozó rendszer magasan integrált megvalósítását jelentik .

Az első többmagos mikroprocesszor az IBM POWER4 volt , amely 2001-ben jelent meg, és kétmagos volt.

2004 októberében a Sun Microsystems kiadta az UltraSPARC IV kétmagos processzort , amely két módosított UltraSPARC III magból állt . 2005 elején elkészült a kétmagos UltraSPARC IV+.

2005. május 9-én az AMD bemutatta az első kétmagos, egychipes processzort fogyasztói PC-k számára, az Athlon 64 X2-t Manchester maggal. Az új processzorok kiszállítása hivatalosan 2005. június 1-jén kezdődött.

2005. november 14-én a Sun kiadta a nyolcmagos UltraSPARC T1 -et, magonként 4 szállal .

2006. január 5-én az Intel egy kétmagos processzort mutatott be egyetlen Core Duo chipen a mobil platformon.

2006 novemberében jelent meg az első négymagos , Kentsfield magon alapuló Intel Core 2 Quad processzor , amely két Conroe kristály összeállítása egy csomagban. Ennek a processzornak a leszármazottja az Intel Core 2 Quad volt a Yorkfield magon (45 nm), amely felépítésében hasonló a Kentsfieldhez, de nagyobb a gyorsítótár és a működési frekvenciák.

2007 októberében került forgalomba a nyolcmagos UltraSPARC T2 , mindegyik mag 8 szálon fut.

2007. szeptember 10-én megjelentek az AMD Opteron szerverekhez való valódi (egy chip formájában) négymagos processzorok , amelyek a fejlesztés során AMD Opteron Barcelona [2] kódnevet viselték . 2007. november 19-én került forgalomba az AMD Phenom [3] négymagos processzora otthoni számítógépekhez . Ezek a processzorok az új K8L (K10) mikroarchitektúrát valósítják meg.

Az AMD a saját útját járta: négymagos processzorokat egyetlen szerszámon gyárt (ellentétben az Intellel, amelynek első négymagos processzorai valójában két kétmagos szerszámot ragasztanak össze). Ennek a megközelítésnek a progresszivitása ellenére a cég első "négymagos" AMD Phenom X4-je nem volt túl sikeres. Lemaradása a versenytárs kortárs processzoraihoz képest 5-30 százalék vagy több között volt, a modelltől és a konkrét feladatoktól függően [4] .

2009 1.-2. negyedévére mindkét vállalat frissítette négymagos processzorait. Az Intel bemutatta a Core i7 családot , amely három különböző frekvencián futó modellből áll. Ennek a processzornak a fő jellemzője a háromcsatornás memóriavezérlő (DDR3 típusú) és a nyolcmagos emulációs technológia használata (bizonyos feladatokhoz hasznos). Emellett az architektúra általános optimalizálásának köszönhetően számos feladattípusban jelentősen javítani lehetett a processzor teljesítményét. A Core i7-et használó platform gyenge oldala a túlzott költség, mivel ennek a processzornak a telepítéséhez drága Intel X58 lapkakészletre épülő alaplapra és háromcsatornás DDR3 memóriakészletre van szükség , ami jelenleg szintén nagyon drága.

Az AMD pedig bemutatta a Phenom II X4 processzorok sorát. A fejlesztés során a cég figyelembe vette hibáit: megnövelték a gyorsítótár méretét (az első generációs Phenomhoz képest), elkezdték a processzorokat a 45 nm-es folyamattechnológia szerint gyártani (ez ennek megfelelően lehetővé tette a hő csökkentését disszipáció és jelentősen növeli a működési frekvenciákat). Általánosságban elmondható, hogy az AMD Phenom II X4 teljesítménye megegyezik az előző generációs Intel processzorokkal (Yorkfield mag), és messze elmarad az Intel Core i7 mögött [5] . A 6 magos AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T processzor megjelenésével a helyzet kissé megváltozott az AMD javára.

2013-tól kezdve a két-, három-, négy- és hatmagos processzorok, valamint a Bulldozer generáció két-, három- és négymodulos AMD-processzorai (a logikai magok száma kétszerese a modulok számának) széles körben elérhető. A szerverszegmensben 8 magos Xeon és Nehalem processzorok (Intel) és 12 magos Opteronok (AMD) is elérhetők. [6]

Gyorsítótár

A gyorsítótárazás egy további nagysebességű memória (úgynevezett cache  - angol  cache , francia  cacher  - „hide”) használata a fő (RAM) memóriából származó információblokkok másolatainak tárolására, amelyek elérésének valószínűsége nagy. a közeljövőben.

Vannak az 1., 2. és 3. szint gyorsítótárai (L1, L2 és L3 jelöléssel – az 1., 2. és 3. szinttől). Az 1. szintű gyorsítótár a legalacsonyabb késleltetéssel (hozzáférési idővel), de kis méretű, ráadásul az 1. szintű gyorsítótárak gyakran többportossá készülnek. Tehát az AMD K8 processzorok 64 bites írást és olvasást is képesek voltak végrehajtani, vagy ciklusonként két 64 bites olvasást, az AMD K8L pedig két 128 bites olvasást vagy írást végezhet bármilyen kombinációban. Az Intel Core 2 processzorok órajelenként 128 bites írásra és olvasásra képesek. Az L2 gyorsítótár általában lényegesen nagyobb hozzáférési késleltetéssel rendelkezik, de sokkal nagyobbra tehető. A 3. szintű gyorsítótár a legnagyobb és meglehetősen lassú, de még mindig sokkal gyorsabb, mint a RAM.

Harvard építészet

A Harvard architektúra abban különbözik a Neumann architektúrától, hogy a programkódot és az adatokat különböző memóriában tárolják. Egy ilyen architektúrában sok programozási módszer lehetetlen (például egy program nem tudja megváltoztatni a kódját futás közben; lehetetlen a memória dinamikus átcsoportosítása a programkód és az adatok között); másrészt a Harvard architektúra korlátozott erőforrások esetén hatékonyabb munkát tesz lehetővé, ezért gyakran használják a beágyazott rendszerekben.

Párhuzamos architektúra

A Neumann-féle architektúrának az a hátránya, hogy szekvenciális. Nem számít, milyen hatalmas adattömböt kell feldolgozni, minden bájtjának át kell mennie a központi processzoron, még akkor is, ha minden bájton ugyanaz a művelet szükséges. Ezt a hatást von Neumann szűk keresztmetszetnek nevezik .

Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére processzorarchitektúrákat javasoltak és javasolnak, amelyeket párhuzamosnak neveznek . A szuperszámítógépekben párhuzamos processzorokat használnak .

A párhuzamos architektúra lehetséges opciói ( Flynn osztályozása szerint ):

• SISD  - egy parancsfolyam, egy adatfolyam;
• SIMD  - egy utasításfolyam, sok adatfolyam;
• MISD  - sok parancsfolyam, egy adatfolyam;
• MIMD  - sok parancsfolyam, sok adatfolyam.

Digitális jelfeldolgozók

A digitális jelfeldolgozáshoz , különösen korlátozott feldolgozási idővel, speciális, nagy teljesítményű jelmikroprocesszorokat ( digitális jelfeldolgozó processzor , DSP ) használnak párhuzamos architektúrával . 

Gyártási folyamat

Kezdetben technikai feladatot kapnak a fejlesztők, ez alapján döntenek arról, hogy milyen lesz a leendő processzor architektúrája, belső felépítése, gyártástechnológiája. Különböző csoportok feladata a processzor megfelelő funkcionális blokkjainak fejlesztése, interakciójuk és elektromágneses kompatibilitásuk biztosítása. Tekintettel arra, hogy a processzor valójában egy digitális gép, amely teljes mértékben megfelel a Boole-algebra alapelveinek , a jövőbeli processzor virtuális modellje egy másik számítógépen futó speciális szoftver segítségével épül fel. Teszteli a processzort, végrehajt elemi parancsokat, jelentős mennyiségű kódot, kidolgozza az eszköz különböző blokkjainak interakcióját, optimalizálja azt, és megkeresi azokat a hibákat, amelyek egy ilyen szintű projektnél elkerülhetetlenek.

Ezt követően digitális alapmátrix kristályokból és digitális elektronika elemi funkcionális blokkjait tartalmazó mikroáramkörökből felépítik a processzor fizikai modelljét, amelyen ellenőrzik a processzor elektromos és időbeli jellemzőit, tesztelik a processzor architektúráját, megtalálják a hibák javítását. folytatódik, és tisztázódnak az elektromágneses kompatibilitási kérdések (például a szinte közönséges 1 GHz-es órajelnél már 7 mm-es vezetékhosszúság adó- vagy vevőantennaként működik).

Ezután kezdődik az áramköri mérnökök és a folyamatmérnökök közös munkájának szakasza, akik speciális szoftver segítségével a processzorarchitektúrát tartalmazó elektromos áramkört chip topológiává alakítják át. A modern automata tervezőrendszerek általában lehetővé teszik egy sabloncsomag közvetlen beszerzését a maszkok elektromos áramkörből történő létrehozásához. Ebben a szakaszban a technológusok az áramköri mérnökök által meghatározott műszaki megoldásokat igyekeznek megvalósítani, figyelembe véve a rendelkezésre álló technológiát. Ez a szakasz az egyik leghosszabb és legnehezebben fejleszthető szakasz, és ritkán igényel kompromisszumot az áramkör-tervezők részéről bizonyos építészeti döntések elhagyása érdekében. Számos egyedi mikroáramkörök gyártója (öntöde) kínál a fejlesztőknek (tervezőközpont vagy gyár nélküli cég ) olyan kompromisszumos megoldást, amelyben a processzor tervezésének szakaszában az általuk bemutatott elem- és blokkkönyvtárak a rendelkezésre álló technológiának megfelelően szabványosítva. ( Standard cella ), használatosak. Ez számos korlátozást vezet be az építészeti megoldásokra vonatkozóan, de a technológiai kiigazítás szakasza valójában a Lego játékon múlik. Általában az egyedi mikroprocesszorok gyorsabbak, mint a meglévő könyvtárakon alapuló processzorok.

A következő, a tervezési szakasz után a mikroprocesszoros chip prototípusának megalkotása. A modern ultra-nagy integrált áramkörök gyártása során a litográfia módszerét alkalmazzák . Ugyanakkor a leendő mikroprocesszor hordozójára (elektronikus minőségű egykristályos szilícium ( elektronikus minőségű szilícium , EGS ) vagy zafír vékony kör) felváltva vezetnek, szigetelők és félvezetők rétegeit speciális nyílásokat tartalmazó maszkokon keresztül. . A megfelelő anyagokat vákuumban elpárologtatják, és a maszk lyukain keresztül lerakják a processzorchipre. Néha maratást alkalmaznak, amikor egy agresszív folyadék korrodálja a kristály azon részeit, amelyeket nem véd a maszk. Ezzel egyidejűleg mintegy száz processzorchip képződik a hordozón. Az eredmény egy összetett többrétegű szerkezet, amely több százezer-milliárd tranzisztort tartalmaz. A csatlakozástól függően a tranzisztor a mikroáramkörben tranzisztorként, ellenállásként, diódaként vagy kondenzátorként működik. Ezeket az elemeket külön-külön chipen létrehozni általában veszteséges. A litográfiai eljárás befejezése után a szubsztrátumot elemi kristályokká fűrészeljük. A rajtuk kialakított (aranyból készült) érintkezőbetétekre vékony aranyvezetőket forrasztanak, amelyek adapterek a mikroáramkör házának érintkezőfelületeihez. Továbbá általános esetben a kristály hűtőbordája és a forgácsfedél rögzítve van.

Ezután kezdődik a processzor prototípus tesztelésének szakasza, amikor ellenőrzik annak megfelelőségét a megadott jellemzőknek, és megkeresik a fennmaradó, fel nem fedezett hibákat. A mikroprocesszor csak ezután kerül gyártásba. De a gyártás során is folyamatosan optimalizálják a processzort a technológia fejlesztésével, új tervezési megoldásokkal, hibafelismeréssel.

Az univerzális mikroprocesszorok fejlesztésével egyidejűleg olyan perifériás számítógépes áramkörök készleteit fejlesztik, amelyeket a mikroprocesszorral együtt használnak majd, és amelyek alapján alaplapokat készítenek. A mikroprocesszor-készlet ( chipset , angol  chipset ) kifejlesztése nem kevésbé nehéz feladat, mint a tényleges mikroprocesszor-chip létrehozása.

Az elmúlt néhány évben tendencia volt a chipkészlet egyes komponenseinek (memóriavezérlő, PCI Express buszvezérlő) átvitele a processzorba (további részletekért lásd: System on a chip ).

Processzor fogyasztás

A processzor energiafogyasztása szorosan összefügg a processzor gyártási technológiájával.

Az első x86 architektúrájú processzorok (modern szabványok szerint) nagyon kis mennyiségű energiát fogyasztottak, ami a watt töredéke . A tranzisztorok számának növekedése és a processzorok órajel-frekvenciájának növekedése ennek a paraméternek a jelentős növekedéséhez vezetett. A legproduktívabb modellek 130 vagy több wattot fogyasztanak. Az eleinte jelentéktelen energiafogyasztási tényező mára komoly hatással van a processzorok fejlődésére:

• a termelési technológia fejlesztése a fogyasztás csökkentése érdekében, új anyagok keresése a szivárgóáramok csökkentésére, a processzormag tápfeszültségének csökkentése;
• nagyszámú (több mint 1000) érintkezővel rendelkező foglalatok (a processzorok foglalatai) megjelenése , amelyek többsége a processzor táplálására szolgál. Tehát a népszerű LGA775 foglalat processzorai 464 fő tápcsatlakozóval rendelkeznek (az összes körülbelül 60%-a);
• a processzorok elrendezésének megváltoztatása. A processzorkristály belülről kifelé mozdult el a jobb hőelvezetés érdekében a hűtőrendszer radiátorába;
• hőmérséklet-érzékelők beszerelése a kristályba és túlmelegedés elleni védelmi rendszer, amely csökkenti a processzor frekvenciáját, vagy akár le is állítja, ha a hőmérséklet elfogadhatatlanul emelkedik;
• olyan intelligens rendszerek megjelenése a legújabb processzorokban, amelyek dinamikusan változtatják a tápfeszültséget, az egyes blokkok és processzormagok frekvenciáját, letiltják a nem használt blokkokat és magokat;
• energiatakarékos módok megjelenése a processzor "elalvásához" alacsony terhelés mellett.

Processzor üzemi hőmérséklet

Egy másik CPU paraméter egy félvezető kristály ( TJMax ) vagy a processzor felületének megengedett maximális hőmérséklete, amelyen a normál működés lehetséges. Sok fogyasztói processzor 85 °C-nál nem magasabb felületi (chip) hőmérsékleten működik [7] [8] . A processzor hőmérséklete a munkaterhelésétől és a hűtőborda minőségétől függ. Ha a hőmérséklet meghaladja a gyártó által megengedett maximumot, nincs garancia arra, hogy a processzor megfelelően fog működni. Ilyen esetekben hibák léphetnek fel a programok működésében vagy a számítógép lefagy. Egyes esetekben a processzoron belül visszafordíthatatlan változások lehetségesek. Sok modern processzor képes észlelni a túlmelegedést és korlátozni saját teljesítményét ebben az esetben.

Processzor hőleadása és hőleadása

Passzív radiátorokat és aktív hűtőket használnak a mikroprocesszorokból származó hő eltávolítására . A hűtőbordával való jobb érintkezés érdekében hőpasztát viszünk fel a processzor felületére .

• Gigabyte BRIX Nettop radiátor

• Raspberry Pi chipekre épülő hűtőbordák

• CPU-hűtő hűtőbordával és ventilátorral. Utóbbi díszvilágítással rendelkezik

Mikroprocesszor hőmérsékletének mérése és kijelzése

A mikroprocesszor hőmérsékletének mérésére, általában a mikroprocesszor belsejében, a mikroprocesszor- hőmérséklet- érzékelőt a mikroprocesszor fedelének közepére szerelik . Az Intel mikroprocesszorokban a hőmérséklet érzékelő egy termikus dióda vagy egy tranzisztor zárt kollektorral és termikus dióda alappal, az AMD mikroprocesszorokban ez egy termisztor.

Producerek

A manapság legnépszerűbb processzorok a következőket állítják elő:

• személyi számítógépekhez, laptopokhoz és szerverekhez - Intel és AMD ;
• szuperszámítógépekhez - Intel és IBM ;
• grafikus gyorsítókhoz és nagy teljesítményű számítástechnikához - NVIDIA és AMD
• mobiltelefonokhoz és táblagépekhez [9]  - Apple , Samsung , HiSilicon és Qualcomm .

A legtöbb személyi számítógéphez, laptophoz és szerverhez használt processzor utasításait tekintve Intel-kompatibilis. A mobileszközökben jelenleg használt processzorok többsége ARM -kompatibilis, vagyis az ARM Limited által kifejlesztett utasításokkal és programozási felületekkel rendelkezik .

Intel processzorok : 8086 , 80286 , i386 , i486 , Pentium , Pentium II , Pentium III , Celeron (a Pentium egyszerűsített változata), Pentium 4 , Core 2 Duo , Core 2 Quad , Core i3 , Core , ii5 , Core , 7 Xeon (processzorok sorozata szerverekhez), Itanium , Atom (processzorok sorozata beágyazott technológiához) stb.

Az AMD az x86 architektúrájú processzorok sorában (80386 és 80486 analógok, K6 család és K7 család – Athlon , Duron , Sempron ) és x86-64 ( Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Ryzen 3 , Ryzen 5 , Ryzen 7 , Ryzen 7) található. , Phenom , Opteron stb.). IBM processzorokat ( POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC ) használnak szuperszámítógépekben, 7. generációs video set-top boxokban, beágyazott technológiában; korábban Apple számítógépekben használtak .

A személyi számítógépekhez, laptopokhoz és szerverekhez készült processzorok értékesítésének piaci részesedése évek szerint:

Szovjetunió/Oroszország

Kína

• Loongson (Godson) család
• Shenwei (SW) család
• YinHeFeiTeng (FeiTeng) család

Japán

• NEC VR ( MIPS , 64 bit)
• Hitachi S.H. ( RISC ) [13] [14]

A megahertz mítosz

A fogyasztók körében elterjedt tévhit az, hogy a magasabb órajelű processzorok mindig jobban teljesítenek , mint az alacsonyabb órajelű processzorok. Valójában az órajel- összehasonlításokon alapuló teljesítmény -összehasonlítások csak az azonos architektúrával és mikroarchitektúrával rendelkező processzorokra érvényesek .

Lásd még

• társprocesszor
• Kriptoprocesszor
• Számítógépes hardver platform
• Moore törvénye
• Megszakítási vezérlő
• Megszakítás
• Termikus interfész
• Óraszabályozás

Jegyzetek

1. ↑ 4004 adatlap
2. ↑ Az AMD Barcelona már kapható
3. ↑ AMD Phenom: egy igazi négymagos processzor tesztjei
4. ↑ AMD Phenom X4 9850: a helyreállítható és nem helyrehozható hibákról iXBT.com, 2008
5. ↑ AMD Phenom II X4: az új, 45 nm-es THG.ru processzor tesztjei
6. ↑ Az AMD zöld utat adott az Opteron 6100 sorozatú overclockers 8 és 12 magos processzorainak.
7. ↑ R. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. A változó autóipari környezet: High-Temperature Electronics  (angol)  (a hivatkozás nem elérhető) . EEE TRANZACTIONS ON ELEKTRONIKAI CSOMAGOLÁS GYÁRTÁSÁRA, VOL. 27. sz. 2004. JÚLIUS 3., 164-176. IEEE (2004. július). - "Félvezetők: A legtöbb szilícium alapú integrált áramkör maximális névleges környezeti hőmérséklete 85 C, ami elegendő fogyasztói, hordozható és számítástechnikai termékekhez." A katonai és autóipari alkalmazásokhoz használt eszközök jellemzően 125 C-ra vannak besorolva. Hozzáférés időpontja: 2015. május 26. Az eredetiből archiválva : 2015. május 27.
8. ↑ Ebrahimi Khosrow; Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer. Az adatközpont hűtési technológiájának, működési feltételeinek és az ezekhez tartozó alacsony minőségű hulladékhő-hasznosítási lehetőségek áttekintése.  (angol) . Megújuló és Fenntartható Energia Szemle 31 622-638. Elsevier Ltd (2014). - ", az elektronikai hőkezelési kutatások többsége a 85 °C-ot tekinti a mikroprocesszorok biztonságos és hatékony működéséhez a legnagyobb megengedett csatlakozási hőmérsékletnek". Letöltve: 2015. május 26.
9. ↑ https://sweetcode.io/strategy-analytics-q1-2018-smartphone-apps-processor-market-share-chips-with-on-device-artificial-intelligence-ai-grew-three-fold/
10. ↑ A CNews 2010 AMD megszakította piaci részesedését az Inteltől (hozzáférhetetlen link) . Letöltve: 2019. június 29. Az eredetiből archiválva : 2015. június 7.. (határozatlan) 
11. ↑ Az Intel megerősíti pozícióját a processzorpiacon - Üzleti - Piackutatás - Compulenta
12. ↑ 1 2 PassMark CPU-benchmarkok – AMD vs Intel Market Share
13. ↑ RISC processzorok perifériákhoz
14. ↑ Made-in-Japan mikroprocesszorok

Irodalom

• Scott Mueller. PC-k frissítése és javítása = PC-k frissítése és javítása. - 17. kiadás - M .: Williams , 2007. - S. 59-241. — ISBN 0-7897-3404-4 .
• Nyikolaj Alekszejev. Szilícium evolúció  // ComputerBild  : folyóirat. - 2011. - október 10. ( 22. sz.). - S. 80-85 .
• Kagan Boris Moiseevich Elektronikus számítógépek és rendszerek. Harmadik kiadás. M.: Energoatomizdat, 1991. - 590 p.
• Lazarev V. G., Piil E. I. Vezérlőautomaták szintézise 1989.

Linkek

• A processzorok rövid története: 31 év az építészet életében a hwp.ru oldalon
• Chris Kaspersky . RISC vs. CISC  (nem elérhető hivatkozás) , Computerra, 1999
• SZÁMÍTÓGÉP: Központi feldolgozó egység Univerzális népszerű tudományos online lexikon Krugosvet
• CPU-teljesítmény - összehasonlítás a cpubenchmark.net oldalon 
• A mobil processzorok teljesítményének összehasonlítása a notebookcheck-ru.com oldalon 
• Processzor adatbázis (fotók és specifikációk) a cpu-world.com oldalon  (eng.)

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán nagy kínai Nagy norvég Nagy orosz Britannica (online) Treccani