Компьютеры сегодня сопровождают нашу жизнь повсеместно, и мы расскажем подробно о том, из чего они состоят.
Мы открываем рубрику «ЛикБез» и первым делом я расскажу о центральном процессоре, он же ЦП, ЦПУ- central processing unit.
Создание серьезных вычислительных машин пришлось на период второй мировой войны, с помощью одной из них Британцы расшифровали Энигму. Это были электромеханические реле, с ферритовыми сердечницами и лампами. Стойки из таких устройств являлись первыми процессорами. Сейчас, уже более 75 лет спустя, процессоры представляют собой микросхемы с точностью производства измеряемой в нанометрах, т.е. в миллионных долях миллиметра.
Сейчас процессоры делятся на десктопные, серверные и мобильные. Далее мы будем говорить о ЦП в контексте десктопного процессора, т. е. процессора для персонального компьютера, процессора на архитектуре x86-64. Подробнее об архитектурах тут.
На мировом рынке существует два лидирующих производителя процессоров для ПК, это Intel и AMD. Российский Эльбрус и китайские процессоры пока только мелькают в новостях, и никак не влияют на рынок процессоров в потребительском сегменте в России.
Основной характеристикой процессора является его производительность, которая складывается из множества показателей.
Основным показателем является тактовая частота измеряемая в герцах. Современные процессоры способны обрабатывать миллиарды операций в секунду, а их частота измеряется гигагерцами. Такт — это единица измерения выполнения процессором логических операций. Некоторые операции выполняются по несколько за такт, некоторые в несколько тактов. Такт – это промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора.
Чем выше тактовая частота, тем вычислительное ядро процессора мощнее, но и имеет более высокое тепловыделение и потребление энергии.
Реальная частота процессора получается при умножении базовой частоты системной шины на множитель. В некоторых версиях процессоров, у Intel это процессоры с индексом K или X разблокированный множитель, а это значит, что увеличивать частоту процессора можно не разгоняя шину. У процессоров AMD Ryzen с индексом X реализована технология XFR, которая может немного повышать частоту, если это требуется, при допустимой температуре.
Еще один важный показатель – это количество ядер в процессоре. Ядро является главной частью процессора, которая выполняет поток команд. У каждого ядра имеется собственная тактовая частота. Современные процессоры имеют от 2 до 32 и даже более ядер, контроллер в процессоре может увеличивать частоту отдельных ядер, если на них высокая загрузка, у Intel эта технология называется Turbo boost.
Частота в ядрах не суммируется, можно привести такую аналогию: ядро это грузовик, который мчится по автостраде и везет какой-то груз, второе ядро – это второй такой грузовик. Сколько бы таких грузовиков не было, они не приедут в намеченную точку быстрее, но они способны привезти больше. Так и тут, многоядерность помогает обрабатывать множество процессов параллельно.
Современные тяжелые приложения умеют пользоваться большим количеством ядер, поэтому в любом случае, чем больше ядер, тем мощнее процессор. Количество ядер так же влияет на тепловыделение и потребление энергии.
У процессоров intel core i7 до 8 поколения включительно и core i9 имеется технология hyper threading (технология использует еще с Pentium 4), которая создает 2 потока на 1 ядро, т.е. логически из 4 ядер мы получаем 8, что видно в мониторе ресурсов в системе, у AMD аналогичная технология называется SMT и используется в процессорах Ryzen 7, Ryzen 9 и Threadripper.
Кэш память – это быстрая память внутри процессора, которая хранит часто используемые данные из оперативной памяти, чтобы сократить время обращения к ним.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней, 1 уровень или L1 – самая быстрая и маленькая память в ядре процессора, в среднем 64кб, L2 – блок памяти более высокого объема и высокой задержкой, в среднем полмегабайта, L3 – блок памяти для группы ядер, объем измеряется в мегабайтах.
Была у Intel серия процессоров с кэш памятью 4 уровня (l4) вынесенной за приделы кристалла в отдельный чип на процессоре. Это процессоры Core i7-5775C и Core i5-5675C для чипсетов H97 и Z97. 128 МБ памяти с частотой 1,8ghz ускоряла подсистему памяти, но в дальнейшем Intel отказались от этой идеи.
Тепловыделение — в характеристиках современных десктопных процессорах пишут типичное тепловыделение. Но это не значит, что достаточно подобрать кулер с таким же теплоотведедением, так как для соблюдения приемлемой температуры, с учетом внешней температуры, пыли и амортизации комплектующих кулер должен быть мощнее. Очень важно правильно подобрать устройство охлаждения как для процессора, так и организовать воздушные потоки внутри системного блока. У Intel есть процессоры с индексом Т, c расчётным тепловыделением до 35 Вт у современных моделей, на их можно основе собирать компактные модели компьютеров.
Еще один важный показатель, о котором многие не знают — максимальная рабочая температура. У современных процессоров это температура может быть в районе 84-100 градусов Цельсия, при достижении которой срабатывают защитные системы: тро́тлинг, т.е. пропуск тактов или защитное выключение.
Во многих десктопных процессорах присутствуют графические ядра, для обработки изображения. Сейчас intel запустили процессоры и индексом F, без графического ядра.
Т.е. встроенной графики у этих процессоров нет и порты на материнской плате не будут выдавать изображение на монитор. ПК на основе процессоров с индексом F обязательно требуется видеокарта. Так же графического ядра нет во всех высокопроизводительных процессорах на сокетах 2066 и TR4.
Со значением маркировки процессоров Intel можно ознакомиться тут.
Сокет – это гнездо для процессора. Выбранный процессор должен быть совместим с сокетом, а так же его версией на материнской плате. Актуальные сокеты у Intel — 1151v2 и 2066, у AMD – AM4 и TR4.
Примерно 9 лет назад, с выходом семейства core i, в процессоры intel переехал контроллер памяти, теперь процессор обращается к памяти напрямую, а не через контроллер в материнской плате, который назывался «северный мост». Так же в процессор переехал и контроллер PCI-e.
Техпроцессом называют размер литографии измеряемой в нанометрах. Чем ниже этот показатель, тем современнее процессор. Чем меньше размер транзистора, тем больше их можно упаковать в процессор, при том же энергопотреблении и выделении тепла.
Еще один показатель процессора – это количество линий PCI-e. Ими формируется ширина канала связи по данной шине между процессором и высокопроизводительными платами расширения, например, видеокартами или сопроцессорами.
Процессоры Intel семейства Pentium и Celeron, core i3, i5, i7 i9 на сокете LGA1151 последней версии, имеют всего 16 линий PCI-e.
Процессоры Intel семейства i9 на 2066 сокете имеют 44 линии PCI-e, а i7-7800X — 28 линий PCI-e. Процессоры от AMD семейства Ryzen 3, 5, 7 и 9 имеют так же 16 линий, но имеют еще 4 линии PCI-e для m.2 ssd NVMe, а Threadripper 64 (4 из которых на чипсет) линии PCI-e. Это одна из причин, почему для сборки серьезных рабочих станций используются топовые серии или серверные процессоры, где линий PCI-e больше.
SSD и периферийные устройства получают линии PCI-E от чипсета материнской платы, который соединен с процессором через шину DMI, но об этом мы поговорим в ЛикБезе про материнские платы.
Физический процессор состоит из трех основных компонентов, то что мы все видим, держа его в руке – термораспределительная металлическая крышка и текстолитовое основание с контактной площадкой. Внутри находится кремниевый кристалл, в котором находятся ядра, а иногда и не один, это может быть графическое ядро или еще один набор основных ядер – это самая сложная и дорогая часть процессора. Внутри кристалла процессора Intel core i7 находится 4 ядра, видеоядро, кэш память, контроллер оперативной памяти, DMI интерфейс для соединения с периферийными устройствами через чипсет материнской платы. А в процессорах AMD Epic и Threadripper находится сразу 4 кристалла по 4 ядра, но в тоже время процессор Intel i9 имеет 18 ядер упакованных в одном кристалле. Между кристаллом и термораспределительной крышкой есть слой термопасты, в топовых моделях используется припой. О термопастах и других термоинтрефейсках так же будет статья.
Серверные процессоры с архитектурой х86-64 на нашем рынке представлены компаниями Intel — процессоры Xeon, и AMD — процессоры Epic. Для них справедливо все, что указано выше.
Они отличаются тем, что некоторые из них поддерживают работу нескольких процессоров в одной системе: 2, 4 или 8. Вот, например, современные серверные процессоры Intel Xeon Scalable на сокете 3647:
Все серверные процессоры могут работать с ECC памятью. Семейство Intel Xeon Scalable поддерживает память ECC REG и энергонезависимую память Optane в формате DIMM модулей. Подробнее про это будет в ЛикБезе про память.