Prosessori

Keskusyksikkö ( CPU ; myös keskusyksikkö  - CPU ; englanniksi  keskusyksikkö , CPU , kirjaimellisesti - keskusyksikkö , usein vain prosessori ) - elektroninen yksikkö tai integroitu piiri , joka suorittaa konekäskyjä ( ohjelmakoodi ), pää osa tietokonelaitteistoa tai ohjelmoitavaa logiikkaohjainta . Joskus tätä komponenttia kutsutaan yksinkertaisesti prosessoriksi .

Aluksi termi keskusyksikkö kuvasi erikoistunutta elementtijärjestelmää, joka oli suunniteltu ymmärtämään ja suorittamaan tietokoneohjelmien konekoodia , ei vain kiinteitä loogisia operaatioita . Termin ja sen lyhenteen käyttö tietokonejärjestelmissä alkoi 1960-luvulla. Prosessorien laite, arkkitehtuuri ja toteutus ovat muuttuneet monta kertaa sen jälkeen. Nykyaikaisissa tietokonejärjestelmissä kaikki keskusyksikön toiminnot suoritetaan yleensä yhdellä erittäin integroidulla mikropiirillä  - mikroprosessorilla .

Prosessorin pääominaisuudet ovat: kellotaajuus , suorituskyky , virrankulutus, tuotannossa käytetyn litografisen prosessin normit (mikroprosessoreille) ja arkkitehtuuri .

Varhaiset prosessorit suunniteltiin ainutlaatuisiksi rakennuspalikoiksi ainutlaatuisille ja jopa ainutlaatuisille tietokonejärjestelmille. Myöhemmin, kalliista menetelmästä kehittää prosessoreja, jotka on suunniteltu suorittamaan yhtä tai useampaa pitkälle erikoistunutta ohjelmaa, tietokonevalmistajat siirtyivät tyypillisten monikäyttöisten prosessorilaitteiden sarjatuotantoon. Suuntaus tietokonekomponenttien standardointiin sai alkunsa puolijohteiden , keskustietokoneiden ja minitietokoneiden nopean kehityksen aikakaudelta , ja integroitujen piirien myötä siitä on tullut entistä suositumpi. Mikropiirien luominen mahdollisti prosessorin monimutkaisuuden lisäämisen entisestään ja pienensi niiden fyysistä kokoa. Prosessorien standardointi ja miniatyrisointi on johtanut niihin perustuvien digitaalisten laitteiden syvään tunkeutumiseen jokapäiväiseen elämään. Nykyaikaisia ​​prosessoreita ei löydy vain korkean teknologian laitteista, kuten tietokoneista, vaan myös autoista , laskimista , matkapuhelimista ja jopa lasten leluista . Useimmiten niitä edustavat mikro -ohjaimet , joissa laskentalaitteen lisäksi sirulle on sijoitettu lisäkomponentteja (ohjelma- ja tietomuisti, liitännät, I / O-portit, ajastimet jne.). Mikro-ohjaimen nykyaikaiset laskentaominaisuudet ovat verrattavissa 30 vuoden takaisiin henkilökohtaisten tietokoneiden prosessoreihin ja useammin jopa huomattavasti ylittävät niiden suorituskyvyn.

Historia

Prosessorituotannon kehityshistoria on täysin yhdenmukainen muiden elektronisten komponenttien ja piirien tuotantotekniikan kehityshistorian kanssa.

Ensimmäinen vaihe , joka vaikutti ajanjaksoon 1940-luvulta 1950-luvun lopulle, oli prosessorien luominen käyttämällä sähkömekaanisia releitä , ferriittiytimiä (muistilaitteita) ja tyhjiöputkia . Ne asennettiin telineisiin koottujen moduulien erityisiin aukkoihin. Suuri määrä tällaisia ​​telineitä, jotka oli yhdistetty johtimilla, edusti yhteensä prosessoria. Erottavia ominaisuuksia olivat alhainen luotettavuus, alhainen nopeus ja korkea lämmönpoisto.

Toinen vaihe , 1950-luvun puolivälistä 1960-luvun puoliväliin, oli transistorien käyttöönotto . Transistorit asennettiin jo ulkonäöltään lähes nykyaikaisille levyille, asennettuna telineisiin. Kuten aiemmin, keskimääräinen prosessori koostui useista tällaisista telineistä. Parempi suorituskyky, parempi luotettavuus, pienempi virrankulutus.

Kolmas vaihe , joka tuli 1960-luvun puolivälissä, oli mikrosirujen käyttö . Aluksi käytettiin matalan integrointiasteen mikropiirejä, jotka sisälsivät yksinkertaisia ​​transistori- ja vastuskokoonpanoja, sitten tekniikan kehittyessä alettiin käyttää mikropiirejä, jotka toteuttavat digitaalisten piirien yksittäisiä elementtejä (ensin perusnäppäimet ja logiikkaelementit, sitten monimutkaisempia elementtejä). - perusrekisterit, laskurit, summaimet ), myöhemmin oli mikropiirejä, jotka sisälsivät prosessorin toiminnallisia lohkoja - mikroohjelmalaite, aritmeettis-looginen yksikkö , rekisterit , laitteet tietojen ja komentoväylien kanssa työskentelemiseen.

Neljäs vaihe 1970-luvun alussa oli tekniikan läpimurron ansiosta LSI :n ja VLSI : n (vastaavasti suuret ja erittäin suuret integroidut piirit) luominen - mikroprosessori  - mikropiiri, jonka kiteessä ovat kaikki pääelementit. ja prosessorin lohkot löytyivät fyysisesti. Intel loi vuonna 1971 maailman ensimmäisen 4-bittisen mikroprosessorin 4004 , joka on suunniteltu käytettäväksi laskimissa. Vähitellen melkein kaikki prosessorit alettiin valmistaa mikroprosessorimuodossa. Pitkään ainoat poikkeukset olivat pienimuotoiset prosessorit, jotka on optimoitu laitteistolla erikoisongelmien ratkaisemiseen (esimerkiksi supertietokoneet tai prosessorit useiden sotilaallisten tehtävien ratkaisemiseen) tai prosessorit, joilla oli erityisiä vaatimuksia luotettavuudelle, nopeudelle tai sähkömagneettisilta suojauksilta. pulssit ja ionisoiva säteily. Vähitellen kustannusten alenemisen ja nykyaikaisten tekniikoiden leviämisen myötä näitä prosessoreita aletaan valmistaa myös mikroprosessorimuodossa.

Nyt sanat "mikroprosessori" ja "prosessori" ovat käytännössä tulleet synonyymeiksi, mutta silloin se ei ollut niin, koska tavalliset (isot) ja mikroprosessoritietokoneet elivät rauhanomaisesti rinnakkain ainakin 10-15 vuotta, ja vasta 1980-luvun alussa mikroprosessorit ovat syrjäyttäneet omansa. vanhemmat vastineet. Joidenkin supertietokoneiden keskusyksiköt ovat kuitenkin vielä nykyäänkin monimutkaisia ​​komplekseja, jotka on rakennettu suuren ja erittäin integroidun mikrosirun pohjalta.

Siirtyminen mikroprosessoreihin mahdollisti sitten henkilökohtaisten tietokoneiden luomisen , jotka tunkeutuivat melkein jokaiseen kotiin.

Ensimmäinen julkisesti saatavilla oleva mikroprosessori oli 4-bittinen Intel 4004, jonka Intel Corporation esitteli 15. marraskuuta 1971. Se sisälsi 2300 transistoria, käytti 92,6 kHz:n [1] kellotaajuudella ja maksoi 300 dollaria.

Sitten se korvattiin 8-bittisellä Intel 8080 :lla ja 16-bittisellä 8086 :lla, jotka loivat perustan kaikkien nykyaikaisten työpöytäsuorittimien arkkitehtuurille. 8-bittisten muistimoduulien yleisyyden vuoksi julkaistiin halpa 8088, yksinkertaistettu versio 8086:sta 8-bittisellä dataväylällä.

Tätä seurasi sen muutos, 80186 .

80286-prosessori otti käyttöön suojatun tilan 24-bittisellä osoitteella , mikä mahdollisti jopa 16 Mt:n muistin käytön.

Intel 80386 -prosessori ilmestyi vuonna 1985 ja esitteli parannetun suojatun tilan , 32-bittisen osoitteen , joka mahdollisti jopa 4 Gt RAM-muistia ja tuen virtuaalimuistimekanismille. Tämä prosessorisarja on rakennettu rekisterilaskentamalliin .

Samanaikaisesti kehitetään mikroprosessoreita, jotka perustuvat pinolaskentamalliin .

Mikroprosessorien olemassaolon vuosien aikana on kehitetty monia erilaisia ​​mikroprosessoriarkkitehtuureja . Monet niistä (täydennetyssä ja parannetussa muodossa) ovat edelleen käytössä. Esimerkiksi Intel x86, joka kehittyi ensin 32-bittiseksi IA-32:ksi ja myöhemmin 64-bittiseksi x86-64 :ksi (jota Intel kutsuu nimellä EM64T). X86 - arkkitehtuuriprosessoreja käytettiin alun perin vain IBM:n henkilökohtaisissa tietokoneissa ( IBM PC ), mutta nykyään niitä käytetään yhä enemmän kaikilla tietokoneteollisuuden aloilla supertietokoneista sulautettuihin ratkaisuihin. Arkkitehtuurit, kuten Alpha , POWER , SPARC , PA-RISC , MIPS (RISC-arkkitehtuurit) ja IA-64 ( EPIC-arkkitehtuuri ), voidaan myös listata.

Nykyaikaisissa tietokoneissa prosessorit valmistetaan kompaktin moduulin muodossa (kooltaan noin 5 × 5 × 0,3 cm), joka työnnetään ZIF -liitäntään (AMD) tai jousikuormitteiseen malliin - LGA (Intel). LGA-liittimen ominaisuus on, että nastat siirretään prosessorin kotelosta itse liittimeen - emolevyn liitäntään. Useimmat nykyaikaiset prosessorit toteutetaan yhtenä puolijohdesiruna, joka sisältää miljoonia ja viime aikoina jopa miljardeja transistoreita. Myös puolijohdekiteiden koon ja monimutkaisuuden kasvaessa 1900-luvun 20-luvulla yhden suuren kiteen jakaminen useiksi pienemmiksi (ns. siruiksi ), jotka asennettiin yhteen mikrokokoonpanoon , alkoi. saavuttaakseen suosiota . Näin voit lisätä sopivien mikropiirien tuottoa ja vähentää lämmöntuotantoa.

Von Neumann-arkkitehtuuri

Useimmat nykyaikaiset henkilökohtaisten tietokoneiden prosessorit perustuvat yleensä johonkin versioon John von Neumannin kuvaamasta syklisestä sarjatietojen käsittelyprosessista .

Heinäkuussa 1946 Burks, Goldstein ja von Neumann kirjoittivat kuuluisan monografian " Electronic Computing Devicen loogisen suunnittelun alustava tarkastelu ", jossa kuvattiin yksityiskohtaisesti tulevan tietokoneen laitetta ja tekniset ominaisuudet, jotka myöhemmin tunnettiin nimellä " von Neumann-arkkitehtuuri ". Tämä työ kehitti ideoita, jotka von Neumann hahmotteli toukokuussa 1945 käsikirjoituksessaan " Ensimmäinen EDVAC-raporttiluonnos ".

Von Neumann-arkkitehtuurin erottuva piirre on, että ohjeet ja tiedot tallennetaan samaan muistiin.

Erilaiset arkkitehtuurit ja erilaiset komennot voivat vaatia lisävaiheita. Esimerkiksi aritmeettiset käskyt voivat vaatia lisämuistia, jonka aikana luetaan operandit ja kirjoitetaan tuloksia.

Suorita syklin vaiheet:

  1. Prosessori asettaa ohjelmalaskurirekisteriin tallennetun numeron osoiteväylään ja antaa lukukomennon muistiin .
  2. Paljastettu numero on muistin osoite ; muisti, saatuaan osoitteen ja lukukomennon, paljastaa tähän osoitteeseen tallennetun sisällön dataväylälle ja raportoi valmiudesta.
  3. Prosessori vastaanottaa numeron tietoväylältä, tulkitsee sen käskyjoukostaan ​​komennona ( konekäskynä ) ja suorittaa sen.
  4. Jos viimeinen käsky ei ole hyppykäsky , prosessori lisää yhdellä (olettaen, että kunkin käskyn pituus on yksi) käskylaskuriin tallennettua numeroa; seurauksena seuraavan käskyn osoite muodostetaan sinne.

Tämä sykli suoritetaan poikkeuksetta, ja häntä kutsutaan prosessiksi (siis laitteen nimi).

Prosessin aikana prosessori lukee muistissa olevia käskyjä ja suorittaa ne. Tällaista komentosarjaa kutsutaan ohjelmaksi ja se edustaa prosessorin algoritmia . Lukukäskyjen järjestys muuttuu, jos prosessori lukee hyppykomennon, niin seuraavan komennon osoite voi osoittautua erilaiseksi. Toinen esimerkki prosessin muutoksesta olisi pysäytyskomento vastaanotettu tai se siirtyy keskeytyspalveluun .

Keskusprosessorin komennot ovat tietokoneen ohjauksen alin taso, joten jokaisen komennon suorittaminen on väistämätöntä ja ehdotonta. Toteutettujen toimien hyväksyttävyyttä ei tarkasteta, etenkään arvokkaan tiedon mahdollista katoamista. Jotta tietokone voisi suorittaa vain laillisia toimia, komennot on järjestettävä oikein haluttuun ohjelmaan.

Siirtymisnopeus syklin vaiheesta toiseen määräytyy kellogeneraattorin avulla . Kellogeneraattori tuottaa pulsseja, jotka toimivat keskusprosessorin rytminä. Kellopulssin taajuutta kutsutaan kellotaajuudeksi .

Putkilinja-arkkitehtuuri

Pipeline-arkkitehtuuri ( eng.  pipelining ) otettiin käyttöön keskusprosessoriin suorituskyvyn lisäämiseksi. Yleensä jokaisen käskyn suorittamiseksi on suoritettava useita samantyyppisiä operaatioita, esimerkiksi: käskyn hakeminen RAM -muistista , käskyn salauksen purku, operandin osoittaminen RAM-muistiin, operandin hakeminen RAM-muistista, käskyn suorittaminen , kirjoittaa tuloksen RAM-muistiin. Jokainen näistä toiminnoista liittyy kuljettimen yhteen vaiheeseen. Esimerkiksi MIPS-I- mikroprosessoriputkisto sisältää neljä vaihetta:

Liukulinjan vaiheen vapautumisen jälkeen se alkaa välittömästi työskennellä seuraavan ohjeen mukaan. Jos oletetaan, että liukuhihnan kukin vaihe käyttää työhönsä aikaa yksikön, niin komennon suorittaminen putkissa, jossa on vaiheita, vie aikayksiköitä, mutta optimistisimmassa tapauksessa tulos jokaisen seuraavan komennon suoritus saadaan joka aikayksikkö.

Itse asiassa, jos liukuhihnaa ei ole, komennon suorittaminen kestää aikayksiköitä (koska komennon suorittaminen vaatii edelleen hakemista, salauksen purkamista jne.), ja komentojen suorittaminen vaatii aikayksiköitä; liukuhihnaa käytettäessä (optimistisimmassa tapauksessa) komentojen suorittaminen vie vain yksiköitä aikaa.

Kuljettimen tehokkuutta heikentävät tekijät:

  1. Yksinkertainen liukuhihna, kun joitain vaiheita ei käytetä (esimerkiksi operandin osoittamista ja hakemista RAM-muistista ei tarvita, jos käsky toimii rekistereillä).
  2. Odotus: jos seuraava komento käyttää edellisen tulosta, niin viimeinen ei voi alkaa suoritusta ennen ensimmäisen suorittamista (tämä selviää käyttämällä komentojen epäjärjestystä).
  3. Liukulinjan tyhjentäminen, kun haarakäsky osuu siihen (tämä ongelma voidaan tasoittaa haaran ennusteella).

Joissakin nykyaikaisissa prosessoreissa on valmisteilla yli 30 vaihetta, mikä parantaa prosessorin suorituskykyä, mutta johtaa kuitenkin joutoajan pidentämiseen (esimerkiksi ehdollisen haaran ennustuksen virheen sattuessa). Liukulinjan optimaalisesta pituudesta ei ole yksimielisyyttä: eri ohjelmilla voi olla merkittävästi erilaisia ​​vaatimuksia.

Superskalaariarkkitehtuuri

Mahdollisuus suorittaa useita konekäskyjä yhdessä prosessorijaksossa lisäämällä suoritusyksiköiden määrää. Tämän tekniikan ilmaantuminen on johtanut huomattavaan suorituskyvyn kasvuun, samalla kun executive-laitteiden määrän kasvulla on tietty raja, jonka yläpuolella suorituskyky käytännössä lakkaa kasvamasta ja executive-laitteet ovat tyhjäkäynnillä. Osittainen ratkaisu tähän ongelmaan on esimerkiksi Hyper-threading-tekniikka .

CISC-prosessorit

Monimutkainen käskysarja tietokone - laskelmat monimutkaisilla komentosarjalla. Prosessoriarkkitehtuuri, joka perustuu kehittyneeseen käskysarjaan. Tyypillisiä CISC :n edustajia ovat x86 -perheen mikroprosessorit (vaikka monien vuosien ajan nämä prosessorit ovat olleet vain ulkoisen käskyjärjestelmän CISC:iä: suoritusprosessin alussa monimutkaiset käskyt jaetaan yksinkertaisempiin mikrooperaatioihin (MOS), jotka suoritetaan RISC - ydin).

RISC-prosessorit

Supistettu ohjesarja tietokone - laskelmat yksinkertaistetulla ohjesarjalla (kirjallisuudessa sana vähennetty käännetään usein virheellisesti "pienennetyksi"). Yksinkertaistetun käskyjoukon pohjalta rakennetun prosessorin arkkitehtuurille on ominaista kiinteäpituisten käskyjen läsnäolo, suuri määrä rekistereitä, rekisteristä rekisteriin -toiminnot ja epäsuoran osoittamisen puuttuminen. RISC-konseptin on kehittänyt John Cock IBM Researchista ja nimen keksi David Patterson.

Käskyjoukon yksinkertaistamisella on tarkoitus vähentää liukuhihnaa, jolloin vältytään viiveiltä ehdollisten ja ehdottomien hyppyjen toiminnassa. Homogeeninen rekisterijoukko yksinkertaistaa kääntäjän työtä suoritettavan ohjelmakoodin optimoinnissa. Lisäksi RISC-prosessoreille on ominaista pienempi virrankulutus ja lämmöntuotto.

Tämän arkkitehtuurin varhaiset toteutukset sisälsivät MIPS- , PowerPC- , SPARC- , Alpha- ja PA-RISC-prosessorit . ARM-prosessoreita käytetään laajalti mobiililaitteissa .

MISC-prosessorit

Minimikäskysarja tietokone - laskelmat vähimmäismäärällä komentoja. Ideoita kehitetään edelleen Chuck Mooren tiimille, joka uskoo, että alunperin RISC-prosessoreille tarkoitettu yksinkertaisuuden periaate on haihtunut liian nopeasti taustalle. Parhaan suorituskyvyn kilpailun kuumuudessa RISC on saavuttanut ja ohittanut monet CISC-prosessorit monimutkaisuuden suhteen. MISC-arkkitehtuuri perustuu pinolaskentamalliin , jossa on rajoitettu määrä käskyjä (noin 20–30 käskyä).

VLIW-prosessorit

Erittäin pitkä ohjesana - erittäin pitkä ohjesana. Prosessorien arkkitehtuuri, jossa on selkeästi ilmaistu laskelmien rinnakkaisuus, joka on sisällytetty prosessorin käskysarjaan. Ne ovat EPIC - arkkitehtuurin perusta . Keskeinen ero superskalaarisiin CISC-prosessoreihin on, että CISC-prosessoreissa osa prosessorista (scheduler) vastaa suorituslaitteiden lataamisesta, mikä kestää melko lyhyen ajan, kun taas kääntäjä vastaa VLIW-prosessorin laskentalaitteiden lataamisesta. , mikä vie huomattavasti aikaa. enemmän aikaa (latauksen laadun ja vastaavasti suorituskyvyn pitäisi teoriassa olla korkeampi).

Esimerkiksi Intel Itanium , Transmeta Crusoe , Efficeon ja Elbrus .

Moniytimiset prosessorit

Sisältää useita prosessoriytimiä yhdessä paketissa (yhdellä tai useammalla sirulla).

Prosessorit, jotka on suunniteltu suorittamaan yhtä käyttöjärjestelmän kopiota useissa ytimissä, ovat moniprosessoinnin erittäin integroitu toteutus .

Ensimmäinen moniytiminen mikroprosessori oli IBM :n POWER4 , joka ilmestyi vuonna 2001 ja siinä oli kaksi ydintä.

Lokakuussa 2004 Sun Microsystems julkaisi UltraSPARC IV -kaksiytimisen prosessorin , joka koostui kahdesta muunnetusta UltraSPARC III -ytimestä . Vuoden 2005 alussa luotiin kaksiytiminen UltraSPARC IV+.

9. toukokuuta 2005 AMD esitteli ensimmäisen kaksiytimisen, yksisiruisen prosessorin kuluttajatietokoneille, Manchester-ytimellä varustetun Athlon 64 X2:n. Uusien prosessorien toimitukset alkoivat virallisesti 1. kesäkuuta 2005.

14. marraskuuta 2005 Sun julkaisi kahdeksanytimisen UltraSPARC T1 :n, jossa on 4 säiettä ydintä kohti .

Intel esitteli 5. tammikuuta 2006 kaksiytimisen prosessorin yhdellä Core Duo -sirulla mobiilialustalle.

Marraskuussa 2006 julkaistiin ensimmäinen Kentsfield- ytimeen perustuva neliytiminen Intel Core 2 Quad -prosessori , joka koostuu kahdesta Conroe-kiteestä yhdessä paketissa. Tämän prosessorin jälkeläinen oli Yorkfield-ytimessä (45 nm) oleva Intel Core 2 Quad, joka on arkkitehtuuriltaan samanlainen kuin Kentsfield, mutta jolla on suurempi välimuisti ja toimintataajuudet.

Lokakuussa 2007 kahdeksanytiminen UltraSPARC T2 tuli myyntiin , jokaisessa ytimessä on 8 säiettä.

Syyskuun 10. päivänä 2007 julkaistiin todelliset (yhden sirun muodossa) neliytimiset prosessorit AMD Opteron -palvelimille , joiden koodinimi oli AMD Opteron Barcelona [2] kehityksen aikana . 19. marraskuuta 2007 tuli myyntiin neliytiminen prosessori kotitietokoneisiin AMD Phenom [3] . Nämä prosessorit toteuttavat uuden K8L (K10) -mikroarkkitehtuurin.

AMD on mennyt omalla tavallaan valmistaen neliytimisprosessoreja yhdellä meistillä (toisin kuin Intel, jonka ensimmäiset neliytimiset prosessorit itse asiassa liimaavat kaksi kaksiytimistä muottia yhteen). Huolimatta tämän lähestymistavan progressiivisuudesta, yrityksen ensimmäinen "neliydin", nimeltään AMD Phenom X4, ei ollut kovin menestynyt. Sen jälkeenjääneisyys kilpailijan nykyaikaisista prosessoreista vaihteli 5-30 prosentin välillä tai enemmän mallista ja erityistehtävistä riippuen [4] .

Vuoden 2009 1.–2. neljännekseen mennessä molemmat yhtiöt päivittivät neliytimiset prosessorit. Intel esitteli Core i7 -perheen , joka koostuu kolmesta eri taajuuksilla toimivasta mallista. Tämän prosessorin tärkeimmät kohokohdat ovat kolmikanavaisen muistiohjaimen (DDR3-tyyppi) ja kahdeksanytimisen emulointitekniikan käyttö (hyödyllinen joissakin erityistehtävissä). Lisäksi arkkitehtuurin yleisen optimoinnin ansiosta oli mahdollista parantaa merkittävästi prosessorin suorituskykyä monenlaisissa tehtävissä. Core i7:tä käyttävän alustan heikko puoli on sen liiallinen hinta, koska tämän prosessorin asentaminen vaatii kalliin Intel X58 -piirisarjaan perustuvan emolevyn ja kolmikanavaisen DDR3 - muistisarjan , joka on myös tällä hetkellä erittäin kallista.

AMD puolestaan ​​esitteli sarjan Phenom II X4 -prosessoreita. Kehittämisensä aikana yritys otti huomioon virheensä: välimuistin kokoa lisättiin (verrattuna ensimmäisen sukupolven Phenomiin), prosessoreita alettiin valmistaa 45 nm:n prosessitekniikan mukaisesti (tämä mahdollisti vastaavasti lämmön vähentämisen hajoamista ja lisäävät merkittävästi toimintataajuuksia). Yleisesti ottaen AMD Phenom II X4:n suorituskyky on sama kuin edellisen sukupolven Intel-prosessorien (Yorkfield-ydin) kanssa ja jää paljon jälkeen Intel Core i7:stä [5] . 6-ytimisen prosessorin AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T julkaisun myötä tilanne on muuttunut hieman AMD:n hyväksi.

Vuodesta 2013 lähtien Bulldozer-sukupolven kahden, kolmen, neljän ja kuuden ytimen prosessorit sekä kahden, kolmen ja neljän moduulin AMD-prosessorit (loogisten ytimien määrä on 2 kertaa enemmän kuin moduulien määrä) ovat laajasti saatavilla. Palvelinsegmentissä on saatavilla myös 8- ytimiset Xeon- ja Nehalem-prosessorit (Intel) ja 12- ytimiset Opteronit (AMD). [6]

Välimuisti

Välimuisti on nopean lisämuistin (ns. cache  - englanninkielinen  välimuisti , ranskankielisestä  cacher  - "piilota") käyttöä kopioiden tallentamiseen tietolohkoista päämuistista (RAM), jonka käyttötodennäköisyys on suuri. lähitulevaisuudessa.

On olemassa 1., 2. ja 3. tason välimuistit (merkitty L1, L2 ja L3 - tasolta 1, tasolta 2 ja tasolta 3). 1. tason välimuistilla on alhaisin latenssi (pääsyaika), mutta pieni koko, lisäksi 1. tason välimuistit tehdään usein moniporttiseksi. Joten AMD K8 -prosessorit pystyivät suorittamaan sekä 64-bittisen kirjoitus- että lukujakson tai kaksi 64-bittistä lukua sykliä kohden, AMD K8L voi suorittaa kaksi 128-bittistä lukua tai kirjoitusta missä tahansa yhdistelmässä. Intel Core 2 -prosessorit voivat kirjoittaa ja lukea 128-bittistä kelloa kohden. L2-välimuistilla on yleensä huomattavasti suurempi pääsyviive, mutta sitä voidaan tehdä paljon suuremmaksi. Tason 3 välimuisti on suurin ja melko hidas, mutta se on silti paljon nopeampi kuin RAM.

Harvardin arkkitehtuuri

Harvardin arkkitehtuuri eroaa von Neumannin arkkitehtuurista siinä, että ohjelmakoodi ja data on tallennettu eri muistiin. Tällaisessa arkkitehtuurissa monet ohjelmointimenetelmät ovat mahdottomia (esimerkiksi ohjelma ei voi muuttaa koodiaan suorituksen aikana; on mahdotonta dynaamisesti kohdistaa muistia ohjelmakoodin ja datan välillä); toisaalta Harvardin arkkitehtuuri mahdollistaa tehokkaamman työn rajallisten resurssien tapauksessa, joten sitä käytetään usein sulautetuissa järjestelmissä.

Rinnakkaisarkkitehtuuri

Von Neumann-arkkitehtuurin haittapuolena on peräkkäisyys. Riippumatta siitä, kuinka suuri datajoukko on käsiteltävä, jokaisen sen tavun on mentävä keskusprosessorin läpi, vaikka sama toimenpide vaadittaisiin kaikilla tavuilla. Tätä vaikutusta kutsutaan von Neumannin pullonkaulaksi .

Tämän puutteen poistamiseksi on ehdotettu ja ollaan ehdottamassa prosessoriarkkitehtuureja, joita kutsutaan rinnakkaiksi . Supertietokoneissa käytetään rinnakkaisia ​​prosessoreita .

Mahdollisia vaihtoehtoja rinnakkaisarkkitehtuurille ovat ( Flynnin luokituksen mukaan ):

Digitaaliset signaaliprosessorit

Digitaalisessa signaalinkäsittelyssä , erityisesti rajoitetulla käsittelyajalla, käytetään erikoistuneita korkean suorituskyvyn signaalimikroprosessoreita ( digitaalinen signaaliprosessori , DSP ), joilla on rinnakkaisarkkitehtuuri . 

Valmistusprosessi

Aluksi kehittäjille annetaan tekninen tehtävä, jonka perusteella päätetään tulevan prosessorin arkkitehtuurista, sisäisestä rakenteesta, valmistustekniikasta. Eri ryhmien tehtävänä on kehittää prosessorin vastaavia toimintalohkoja, varmistaa niiden vuorovaikutus ja sähkömagneettinen yhteensopivuus. Koska prosessori on itse asiassa digitaalinen kone, joka on täysin Boolen algebran periaatteiden mukainen , tulevaisuuden prosessorin virtuaalimalli rakennetaan käyttämällä erikoisohjelmistoa, joka on käynnissä toisessa tietokoneessa. Se testaa prosessoria, suorittaa peruskomentoja, merkittäviä määriä koodia, selvittää laitteen eri lohkojen vuorovaikutusta, optimoi sen ja etsii virheitä, jotka ovat väistämättömiä tämän tason projektissa.

Sen jälkeen digitaalisista perusmatriisikiteistä ja digitaalisen elektroniikan perustoimintolohkoja sisältävistä mikropiireistä rakennetaan prosessorin fyysinen malli, jolla tarkistetaan prosessorin sähköiset ja ajalliset ominaisuudet, testataan prosessorin arkkitehtuuria, löydetään virheiden korjaus. jatkuu ja sähkömagneettista yhteensopivuutta koskevia kysymyksiä selvitetään (esim. lähes tavallisella 1 GHz:n kellotaajuudella 7 mm:n johdinpituudet toimivat jo lähetys- tai vastaanottoantenneina).

Sitten alkaa piiriinsinöörien ja prosessiinsinöörien yhteisen työn vaihe, jotka erikoisohjelmistojen avulla muuntavat prosessorin arkkitehtuurin sisältävän sähköpiirin sirutopologiaksi . Nykyaikaiset automaattiset suunnittelujärjestelmät mahdollistavat yleensä stensiilipaketin suoraan hankkimisen maskien luomiseksi sähköpiiristä. Tässä vaiheessa teknikot yrittävät toteuttaa piiriinsinöörien laatimia teknisiä ratkaisuja ottaen huomioon käytettävissä olevan tekniikan. Tämä vaihe on yksi pisimmistä ja vaikeimmin kehitettävistä ja vaatii harvoin piirisuunnittelijoiden kompromisseja joidenkin arkkitehtonisten päätösten luopumiseksi. Useat räätälöityjen mikropiirien valmistajat (valimo) tarjoavat kehittäjille (suunnittelukeskus tai tehtaaton yritys ) kompromissiratkaisun, jossa prosessorin suunnitteluvaiheessa niiden esittämät elementti- ja lohkokirjastot standardoidaan käytettävissä olevan tekniikan mukaisesti. ( Vakiosolu ), käytetään. Tämä asettaa joukon rajoituksia arkkitehtonisille ratkaisuille, mutta teknologisen sopeutumisen vaihe jää itse asiassa Legon pelaamiseen. Yleensä mukautetut mikroprosessorit ovat nopeampia kuin olemassa oleviin kirjastoihin perustuvat prosessorit.

Seuraava suunnitteluvaiheen jälkeen on mikroprosessorisirun prototyypin luominen. Nykyaikaisten ultrasuurien integroitujen piirien valmistuksessa käytetään litografiamenetelmää . Samanaikaisesti johtimien, eristeiden ja puolijohteiden kerroksia levitetään vuorotellen tulevan mikroprosessorin substraatille (ohut ympyrä elektronista laatua olevaa yksikiteistä piitä ( elektroniikkalaatuista piitä , EGS ) tai safiiria) erityisten, aukkoja sisältävien maskien kautta. . Vastaavat aineet haihdutetaan tyhjiössä ja kerrostetaan maskin reikien kautta prosessorisirun päälle. Joskus käytetään syövytystä, kun aggressiivinen neste syövyttää kiteen alueita, joita ei suojaa maski. Samaan aikaan substraatille muodostuu noin sata prosessorisirua. Tuloksena on monimutkainen monikerroksinen rakenne, joka sisältää satoja tuhansia - miljardeja transistoreita. Kytkennästä riippuen transistori toimii mikropiirissä transistorina, vastuksena, diodina tai kondensaattorina. Näiden elementtien luominen sirulle erikseen on yleensä kannattamatonta. Litografiatoimenpiteen päätyttyä substraatti sahataan alkuainekiteiksi. Niille muodostettuihin kosketinlevyihin (kullasta valmistettuihin) juotetaan ohuita kultajohtimia, jotka ovat sovittimia mikropiirikotelon kosketintyynyihin. Lisäksi yleisessä tapauksessa kiteen jäähdytyselementti ja sirun kansi on kiinnitetty.

Sitten alkaa prosessorin prototyypin testausvaihe, kun sen yhteensopivuus määritettyjen ominaisuuksien kanssa tarkistetaan ja jäljellä olevat havaitsemattomat virheet etsitään. Vasta sen jälkeen mikroprosessori otetaan tuotantoon. Mutta myös tuotannon aikana prosessoria optimoidaan jatkuvasti, mikä liittyy tekniikan parantamiseen, uusiin suunnitteluratkaisuihin ja virheiden havaitsemiseen.

Samaan aikaan universaalien mikroprosessorien kehittämisen kanssa kehitetään sarjoja oheistietokonepiirejä, joita käytetään mikroprosessorin kanssa ja joiden pohjalta luodaan emolevyjä. Mikroprosessorisarjan ( piirisarja , englantilainen  piirisarja ) kehittäminen on yhtä vaikea tehtävä kuin varsinaisen mikroprosessorisirun luominen.

Viime vuosina on ollut taipumus siirtää joitakin piirisarjan komponentteja (muistiohjain, PCI Express -väyläohjain) prosessoriin (katso lisätietoja: System on a chip ).

Prosessorin virrankulutus

Prosessorin virrankulutus liittyy läheisesti prosessorin valmistustekniikkaan.

Ensimmäiset x86-arkkitehtuuriprosessorit kuluttivat hyvin vähän (nykyaikaisten standardien mukaan) tehoa, joka on watin murto-osa . Transistorien määrän kasvu ja prosessorien kellotaajuuden lisääntyminen johtivat tämän parametrin merkittävään kasvuun. Tuottavimmat mallit kuluttavat 130 wattia tai enemmän. Aluksi merkityksettömällä virrankulutuskertoimella on nyt vakava vaikutus prosessorien kehitykseen:

Prosessorin käyttölämpötila

Toinen CPU-parametri on puolijohdekiteen ( TJMax ) tai prosessorin pinnan suurin sallittu lämpötila, jossa normaali toiminta on mahdollista. Monet kuluttajaprosessorit toimivat pintalämpötiloissa (sirujen) korkeintaan 85 °C [7] [8] . Prosessorin lämpötila riippuu sen työmäärästä ja jäähdytyselementin laadusta. Jos lämpötila ylittää valmistajan salliman enimmäisarvon, ei ole mitään takeita siitä, että prosessori toimii normaalisti. Tällaisissa tapauksissa voi tapahtua virheitä ohjelmien toiminnassa tai tietokoneen jumiutuminen. Joissakin tapauksissa peruuttamattomat muutokset itse prosessorissa ovat mahdollisia. Monet nykyaikaiset prosessorit voivat havaita ylikuumenemisen ja rajoittaa omaa suorituskykyään tässä tapauksessa.

Prosessorin lämmönpoisto ja lämmönpoisto

Passiivipattereita ja aktiivisia jäähdyttimiä käytetään poistamaan lämpöä mikroprosessoreista . Paremman kosketuksen saamiseksi jäähdytyselementin kanssa prosessorin pinnalle levitetään lämpötahnaa .

Mikroprosessorin lämpötilan mittaus ja näyttö

Mikroprosessorin lämpötilan mittaamiseksi, yleensä mikroprosessorin sisällä, mikroprosessorin lämpötila- anturi on asennettu mikroprosessorin kannen keskelle . Intelin mikroprosessoreissa lämpötila-anturi on lämpödiodi tai transistori, jossa on suljettu kollektori ja kanta lämpödiodina, AMD-mikroprosessoreissa se on termistori.

Tuottajat

Nykyään suosituimmat prosessorit tuottavat:

Useimmat henkilökohtaisten tietokoneiden, kannettavien tietokoneiden ja palvelimien prosessorit ovat ohjeiden suhteen Intel-yhteensopivia. Suurin osa mobiililaitteissa tällä hetkellä käytetyistä prosessoreista on ARM -yhteensopivia, eli niillä on ARM Limitedin kehittämä ohjesarja ja ohjelmointirajapintoja .

Intel-prosessorit : 8086 , 80286 , i386 , i486 , Pentium , Pentium II , Pentium III , Celeron (Pentiumin yksinkertaistettu versio), Pentium 4 , Core 2 Duo , Core 2 Quad , Core i3 , Core , ii5 , Core , 7 Xeon (palvelimien prosessorisarja), Itanium , Atom (sulautetun tekniikan prosessorisarja) jne.

AMD :llä on sarjassaan x86-arkkitehtuuriprosessoreja (analogit 80386 ja 80486, K6-perhe ja K7-perhe - Athlon , Duron , Sempron ) ja x86-64 ( Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Ryzen 3 , Ryzen 5 , Ryzen 7 , Ryzen 7). , Phenom , Opteron jne.). IBM - prosessoreita ( POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC ) käytetään supertietokoneissa, 7. sukupolven videosovittimissa, sulautetussa tekniikassa; aiemmin käytetty Applen tietokoneissa .

Henkilökohtaisten tietokoneiden, kannettavien tietokoneiden ja palvelimien prosessorien myynnin markkinaosuudet vuosien mukaan:

vuosi Intel AMD muu
2007 78,9 % 13,1 % 8,0 %
2008 80,4 % 19,3 % 0,3 %
2009 [10] 79,7 % 20,1 % 0,2 %
2010 80,8 % 18,9 % 0,3 %
2011 [11] 83,7 % 10,2 % 6,1 %
2012 65,3 % 6,4 % 28,3 %
2018 [12] 77,1 % 22,9 % 0 %
2019 [12] 69,2 % 30,8 % 0 %

Neuvostoliitto/Venäjä

Kiina

Japani

Megahertsimyytti

Kuluttajien keskuudessa yleinen väärinkäsitys on, että korkeamman kellotuksen prosessorit toimivat aina paremmin kuin heikommin kellotetut prosessorit. Itse asiassa kellonopeusvertailuihin perustuvat suorituskykyvertailut ovat voimassa vain prosessoreille, joilla on sama arkkitehtuuri ja mikroarkkitehtuuri .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ 4004 tietolomake
  2. ↑ AMD Barcelona on jo myynnissä
  3. ↑ AMD Phenom: todellisen neliytimisen prosessorin testit
  4. ↑ AMD Phenom X4 9850: korjattavista ja ei-palautettavista virheistä iXBT.com, 2008
  5. ↑ AMD Phenom II X4: uuden 45 nm:n prosessorin THG.ru testit
  6. ↑ AMD näytti vihreää valoa Opteron 6100 -sarjan overclockers.ua 8- ja 12-ytimisille prosessoreille
  7. ↑ R. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. Muuttuva autoympäristö: High-Temperature Electronics  (englanniksi)  (linkki ei ole käytettävissä) . EEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKING MANUFACTURING, VOL. 27, nro. 3. heinäkuuta 2004 164-176. IEEE (heinäkuu 2004). - "Puolijohteet: Useimpien piipohjaisten integroitujen piirien suurin nimellinen ympäristön lämpötila on 85 C, mikä riittää kuluttajille, kannettaville ja laskentatuotteille." Sotilas- ja autoteollisuuden laitteet on tyypillisesti mitoitettu 125 C.". Käyttöpäivä: 26. toukokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 27. toukokuuta 2015.
  8. ↑ Ebrahimi Khosrow; Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer. Katsaus konesalin jäähdytysteknologiaan, käyttöolosuhteisiin ja vastaaviin huonolaatuisiin hukkalämmön talteenottomahdollisuuksiin.  (englanniksi) . Uusiutuvan ja kestävän energian arviot 31 622-638. Elsevier Ltd (2014). - ", suurin osa elektroniikan lämmönhallintatutkimuksista pitää 85 °C:n suurinta sallittua liitoslämpötilaa mikroprosessorien turvalliselle ja tehokkaalle toiminnalle". Haettu: 26.5.2015.
  9. ↑ https://sweetcode.io/strategy-analytics-q1-2018-smartphone-apps-processor-market-share-chips-with-on-device-artificial-intelligence-ai-grew-three-fold/
  10. ↑ CNews 2010 AMD vähensi markkinaosuutta Inteliltä (linkki ei ole käytettävissä) . Haettu 29. kesäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 7. kesäkuuta 2015. 
  11. ↑ Intel vahvistaa asemaansa prosessorimarkkinoilla - Liiketoiminta - Markkinatutkimus - Compulenta
  12. ↑ 1 2 PassMark CPU -vertailuarvot – AMD vs Intel Market Share
  13. ↑ RISC-prosessorit oheislaitteille
  14. ↑ Japanissa valmistetut mikroprosessorit

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
 Mikro-ohjaimet
Arkkitehtuuri
8-bittinen
16-bittinen
32-bittinen
Valmistajat
Komponentit
Periferia
Liitännät
OS
Ohjelmointi