Procesor

Centrální procesorová jednotka ( CPU ; také centrální procesorová jednotka  - CPU ; anglicky  central processing unit , CPU , doslova - centrální procesorová jednotka , často jen procesor ) - elektronická jednotka nebo integrovaný obvod , který provádí strojové instrukce (programový kód), hlavní součást počítačového hardwaru nebo programovatelného logického řadiče . Někdy je tato součást jednoduše označována jako procesor .

Zpočátku termín centrální procesorová jednotka popisoval specializovaný systém prvků určených k pochopení a provádění strojového kódu počítačových programů , a nikoli pouze pevných logických operací . Počátek používání termínu a jeho zkratky ve vztahu k počítačovým systémům byl položen v 60. letech 20. století. Zařízení, architektura a implementace procesorů se od té doby mnohokrát změnily. V moderních výpočetních systémech jsou všechny funkce centrální procesorové jednotky obvykle vykonávány jedním vysoce integrovaným mikroobvodem  - mikroprocesorem .

Hlavní charakteristiky CPU jsou: rychlost hodin , výkon , spotřeba energie, normy litografického procesu používaného ve výrobě (pro mikroprocesory) a architektura .

Dřívější CPU byly navrženy jako jedinečné stavební bloky pro jedinečné a dokonce jedinečné počítačové systémy. Později, od nákladné metody vývoje procesorů určených k provádění jednoho nebo několika vysoce specializovaných programů, přešli výrobci počítačů na sériovou výrobu typických tříd víceúčelových procesorových zařízení. Trend standardizace počítačových komponent vznikl v době rychlého rozvoje polovodičů , sálových počítačů a minipočítačů a s příchodem integrovaných obvodů se stal ještě populárnějším. Vytvoření mikroobvodů umožnilo další zvýšení složitosti CPU a zároveň snížení jejich fyzické velikosti. Standardizace a miniaturizace procesorů vedly k hlubokému pronikání digitálních zařízení na nich založených do běžného života. Moderní procesory najdeme nejen v high-tech zařízeních, jako jsou počítače, ale také v autech , kalkulačkách , mobilních telefonech a dokonce i v dětských hračkách . Nejčastěji jsou zastoupeny mikrokontroléry , kde jsou kromě výpočetního zařízení umístěny na čipu další komponenty (programová a datová paměť, rozhraní, I/O porty, časovače atd.). Moderní výpočetní možnosti mikrokontroléru jsou srovnatelné s procesory osobních počítačů před třiceti lety a častěji i výrazně převyšují jejich výkon.

Historie

Historie vývoje výroby procesorů je plně v souladu s historií vývoje technologie výroby dalších elektronických součástek a obvodů.

První fází , která ovlivnila období od 40. do konce 50. let, bylo vytvoření procesorů využívajících elektromechanická relé , feritová jádra (paměťová zařízení) a elektronky . Byly instalovány do speciálních slotů na modulech sestavených do racků. Velké množství takových stojanů, propojených vodiči, představovalo celkem procesor. Charakteristickými rysy byla nízká spolehlivost, nízká rychlost a vysoký odvod tepla.

Druhá fáze , od poloviny 50. do poloviny 60. let, bylo zavedení tranzistorů . Tranzistory byly již namontovány na desky blízké modernímu vzhledu, instalované ve stojanech. Stejně jako dříve se průměrný procesor skládal z několika takových stojanů. Zvýšený výkon, zlepšená spolehlivost, snížená spotřeba energie.

Třetí etapou , která přišla v polovině 60. let, bylo používání mikročipů . Zpočátku se používaly mikroobvody nízkého stupně integrace, které obsahovaly jednoduché tranzistorové a odporové sestavy, poté, jak se technologie vyvíjela, začaly se používat mikroobvody, které implementují jednotlivé prvky digitálního obvodu (nejprve elementární klíče a logické prvky, poté složitější prvky - elementární registry, čítače, sčítačky ), později mikroobvody obsahující funkční bloky procesoru - mikroprogramové zařízení, aritmeticko-logická jednotka , registry , zařízení pro práci s datovými a příkazovými sběrnicemi .

Čtvrtou etapou na počátku 70. let bylo vytvoření, díky průlomu v technologii, LSI a VLSI (velké a extra velké integrované obvody), mikroprocesor  - mikroobvod, na jehož krystalu jsou všechny hlavní prvky a bloky procesoru byly fyzicky umístěny. Společnost Intel v roce 1971 vytvořila první 4bitový mikroprocesor na světě 4004 určený pro použití v kalkulačkách. Postupně se téměř všechny procesory začaly vyrábět v mikroprocesorovém formátu. Výjimkou byly dlouhou dobu pouze procesory malého rozsahu hardwarově optimalizované pro řešení speciálních problémů (například superpočítače nebo procesory pro řešení řady vojenských úkolů) nebo procesory, které měly speciální požadavky na spolehlivost, rychlost nebo ochranu před elektromagnetickými vlivy. pulzy a ionizující záření. Postupně se zlevňováním a rozšiřováním moderních technologií se tyto procesory začínají vyrábět i v mikroprocesorovém formátu.

Nyní se slova "mikroprocesor" a "procesor" staly prakticky synonymy, ale tehdy tomu tak nebylo, protože běžné (velké) a mikroprocesorové počítače spolu pokojně koexistovaly minimálně 10-15 let a teprve na počátku 80. let mikroprocesory vytlačily své starší protějšky. Přesto jsou centrální procesorové jednotky některých superpočítačů i dnes složité komplexy postavené na bázi mikročipů velkého a ultravelkého stupně integrace.

Přechod na mikroprocesory pak umožnil vznik osobních počítačů , které pronikly téměř do každé domácnosti.

Prvním veřejně dostupným mikroprocesorem byl 4bitový Intel 4004, představený 15. listopadu 1971 společností Intel Corporation. Obsahoval 2300 tranzistorů, běžel na hodinové frekvenci 92,6 kHz [1] a stál 300 $.

Poté byl nahrazen 8bitovými Intel 8080 a 16bitovými 8086 , které položily základ architektury všech moderních desktopových procesorů. Vzhledem k rozšířenosti 8bitových paměťových modulů byla vydána levná 8088, zjednodušená verze 8086 s 8bitovou datovou sběrnicí.

Následovala jeho modifikace, 80186 .

Procesor 80286 zavedl chráněný režim s 24bitovým adresováním , který umožňoval použití až 16 MB paměti.

Procesor Intel 80386 se objevil v roce 1985 a představil vylepšený chráněný režim , 32bitové adresování , které umožňovalo až 4 GB RAM a podporu pro mechanismus virtuální paměti. Tato řada procesorů je postavena na výpočetním modelu registru .

Paralelně se vyvíjejí mikroprocesory založené na modelu stack computingu.

Během let existence mikroprocesorů bylo vyvinuto mnoho různých architektur mikroprocesorů . Mnohé z nich (v doplněné a vylepšené podobě) se používají dodnes. Například Intel x86, který se vyvinul nejprve na 32bitový IA-32 a později na 64bitový x86-64 (který Intel nazývá EM64T). Procesory architektury x86 byly původně používány pouze v osobních počítačích IBM ( IBM PC ), ale nyní se stále více používají ve všech oblastech počítačového průmyslu, od superpočítačů po vestavěná řešení. Lze také uvést architektury jako Alpha , POWER , SPARC , PA-RISC , MIPS (architektury RISC) a IA-64 ( architektura EPIC ).

V moderních počítačích jsou procesory vyráběny ve formě kompaktního modulu (o rozměrech asi 5 × 5 × 0,3 cm), který se vkládá do patice ZIF (AMD) nebo na odpruženou konstrukci - LGA (Intel). Charakteristickým rysem konektoru LGA je, že kolíky jsou přeneseny z pouzdra procesoru do samotného konektoru - patice umístěné na základní desce. Většina moderních procesorů je implementována jako jeden polovodičový čip obsahující miliony a v poslední době dokonce miliardy tranzistorů. S růstem velikosti a složitosti polovodičových krystalů začalo ve 20. letech 21. století také dělení jednoho velkého krystalu na několik menších (takzvané „ čiplety “), instalované v jedné mikrosestavě . získat popularitu . To umožňuje zvýšit výtěžnost vhodných mikroobvodů a snížit tvorbu tepla.

Architektura von Neumann

Většina moderních procesorů osobních počítačů je obecně založena na nějaké verzi cyklického procesu sériového zpracování dat popsaného Johnem von Neumannem .

V červenci 1946 napsali Burks, Goldstein a von Neumann slavnou monografii s názvem „ Předběžná úvaha o logickém návrhu elektronického výpočetního zařízení “, která podrobně popsala zařízení a technické vlastnosti budoucího počítače, který se později stal známým jako " von Neumannova architektura ". Tato práce rozvinula myšlenky nastíněné von Neumannem v květnu 1945 v rukopisu nazvaném „ První návrh zprávy o EDVAC “.

Charakteristickým rysem von Neumannovy architektury je, že instrukce a data jsou uloženy ve stejné paměti.

Různé architektury a různé příkazy mohou vyžadovat další kroky. Například aritmetické instrukce mohou vyžadovat další přístupy do paměti, během kterých se čtou operandy a zapisují se výsledky.

Kroky cyklu:

  1. Procesor nastaví číslo uložené v registru čítače programu na adresovou sběrnici a vydá příkaz ke čtení do paměti .
  2. Vystavené číslo je adresa paměti ; paměť po přijetí adresy a příkazu čtení vystaví obsah uložený na této adrese datové sběrnici a hlásí připravenost.
  3. Procesor přijme číslo z datové sběrnice, interpretuje jej jako příkaz ( strojovou instrukci ) ze své instrukční sady a provede jej.
  4. Pokud poslední instrukce není instrukce skoku , procesor zvýší o jednu (za předpokladu, že délka každé instrukce je jedna) číslo uložené v čítači instrukcí; v důsledku toho se tam vytvoří adresa další instrukce.

Tento cyklus se provádí vždy a je to on, kdo se nazývá proces (odtud název zařízení).

Během procesu procesor čte sekvenci instrukcí obsažených v paměti a provádí je. Taková posloupnost příkazů se nazývá program a představuje algoritmus procesoru. Pořadí čtení příkazů se změní, pokud procesor čte příkaz skoku, pak se adresa dalšího příkazu může ukázat jako jiná. Dalším příkladem změny procesu by bylo přijetí příkazu k zastavení nebo přepnutí na službu přerušení .

Příkazy centrálního procesoru jsou nejnižší úrovní řízení počítače, takže provedení každého příkazu je nevyhnutelné a bezpodmínečné. Nekontroluje se přípustnost provedených úkonů, zejména se nekontroluje případná ztráta cenných dat. Aby počítač mohl provádět pouze právní úkony, musí být příkazy správně uspořádány do požadovaného programu.

Rychlost přechodu z jedné fáze cyklu do druhé je určena generátorem hodin . Generátor hodin generuje impulsy, které slouží jako rytmus pro centrální procesor. Frekvence hodinového pulsu se nazývá hodinová frekvence .

Architektura potrubí

Za účelem zvýšení výkonu byla do centrálního procesoru zavedena pipeline architektura ( angl.  pipelining ). Obvykle je pro provedení každé instrukce nutné provést několik operací stejného typu, například: načtení instrukce z RAM , dešifrování instrukce, adresování operandu do RAM, načtení operandu z RAM, provedení instrukce , zápis výsledku do RAM. Každá z těchto operací je spojena s jedním stupněm dopravníku. Například potrubí mikroprocesoru MIPS-I obsahuje čtyři stupně:

Po uvolnění tého stupně potrubí začne okamžitě pracovat na další instrukci. Pokud předpokládáme, že každá fáze pipeline stráví svou prací jednotku času, pak provedení příkazu na potrubí s délkou kroků zabere jednotky času, avšak v nejoptimističtějším případě bude výsledek provedení každého dalšího příkazu bude dosaženo každou jednotku času.

Při absenci potrubí bude provedení příkazu trvat jednotky času (protože provedení příkazu stále vyžaduje načtení, dešifrování atd.) a provedení příkazů bude vyžadovat jednotky času; při použití potrubí (v nejoptimističtějším případě) bude provedení příkazů trvat pouze jednotky času.

Faktory, které snižují účinnost dopravníku:

  1. Jednoduchá pipeline, kdy se nepoužívají některé fáze (například není potřeba adresování a načítání operandu z RAM, pokud instrukce pracuje s registry).
  2. Čekání: pokud další příkaz používá výsledek předchozího, pak se poslední nemůže spustit před provedením prvního (toto je překonáno použitím mimo pořadí provádění příkazů).
  3. Vymazání kanálu, když na něj narazí instrukce větvení (tento problém lze vyřešit pomocí predikce větvení).

Některé moderní procesory mají v pipeline více než 30 stupňů, což zlepšuje výkon procesoru, ale vede to k prodloužení doby nečinnosti (například v případě chyby v podmíněné predikci větvení). Neexistuje jednotný názor na optimální délku potrubí: různé programy mohou mít výrazně odlišné požadavky.

Superskalární architektura

Schopnost provádět více strojových instrukcí v jednom cyklu procesoru zvýšením počtu prováděcích jednotek. Vznik této technologie vedl k výraznému nárůstu výkonu, zároveň existuje určitá hranice růstu počtu výkonných zařízení, nad kterou výkon prakticky přestává růst a výkonná zařízení jsou nečinná. Částečným řešením tohoto problému je například technologie Hyper-threading .

Procesory CISC

Počítač s komplexní instrukční sadou - výpočty s komplexní sadou příkazů. Architektura procesoru založená na sofistikované instrukční sadě. Typickými představiteli CISC jsou mikroprocesory rodiny x86 (ačkoli po mnoho let byly tyto procesory CISC pouze externím instrukčním systémem: na začátku procesu provádění jsou složité instrukce rozloženy na jednodušší mikrooperace (MOS) prováděné jádro RISC ) .

RISC procesory

Redukovaná sada instrukcí počítač - výpočty se zjednodušenou sadou instrukcí (v literatuře se slovo redukovaný často mylně překládá jako "redukovaný"). Architektura procesorů postavená na základě zjednodušené instrukční sady se vyznačuje přítomností instrukcí pevné délky, velkým množstvím registrů, operacemi registr-registr a absencí nepřímého adresování. Koncept RISC byl vyvinut Johnem Cockem z IBM Research, název vymyslel David Patterson.

Zjednodušení instrukční sady má za cíl zredukovat zřetězení, což zabrání zpožděním v operacích podmíněných a nepodmíněných skoků. Homogenní sada registrů zjednodušuje práci kompilátoru při optimalizaci kódu spustitelného programu. Procesory RISC se navíc vyznačují nižší spotřebou energie a odvodem tepla.

Časné implementace této architektury zahrnovaly procesory MIPS , PowerPC , SPARC , Alpha , PA-RISC . Procesory ARM jsou široce používány v mobilních zařízeních .

RŮZNÉ procesory

Počítač s minimální sadou příkazů - výpočty s minimální sadou příkazů. Další vývoj myšlenek týmu Chucka Moora, který se domnívá, že princip jednoduchosti, který byl původně pro RISC procesory, ustoupil do pozadí příliš rychle. V zápalu závodu o maximální výkon RISC dohnal a předběhl mnoho procesorů CISC z hlediska složitosti. Architektura MISC je založena na modelu stack computingu s omezeným počtem instrukcí (přibližně 20–30 instrukcí).

Procesory VLIW

Velmi dlouhé instrukční slovo - extra dlouhé instrukční slovo. Architektura procesorů s explicitně vyjádřeným paralelismem výpočtů začleněných do instrukční sady procesoru. Jsou základem architektury EPIC . Klíčový rozdíl od superskalárních procesorů CISC spočívá v tom, že u procesorů CISC je část procesoru (plánovač) zodpovědná za načítání prováděcích zařízení, což trvá poměrně krátkou dobu, zatímco kompilátor je zodpovědný za načítání výpočetních zařízení pro procesor VLIW. , což zabere značné množství času. více času (kvalita stahování a tím i výkon by měl být teoreticky vyšší).

Například Intel Itanium , Transmeta Crusoe , Efficeon a Elbrus .

Vícejádrové procesory

Obsahuje několik procesorových jader v jednom balení (na jednom nebo více čipech).

Procesory, které jsou navrženy pro provoz jedné kopie operačního systému na více jádrech, jsou vysoce integrovanou implementací multiprocessingu .

Prvním vícejádrovým mikroprocesorem byl IBM POWER4 , který se objevil v roce 2001 a měl dvě jádra.

V říjnu 2004 společnost Sun Microsystems vydala dvoujádrový procesor UltraSPARC IV , který se skládal ze dvou upravených jader UltraSPARC III . Na začátku roku 2005 byl vytvořen dvoujádrový UltraSPARC IV+.

9. května 2005 AMD představilo první dvoujádrový jednočipový procesor pro spotřebitelské PC, Athlon 64 X2 s jádrem Manchester. Dodávky nových procesorů oficiálně začaly 1. června 2005.

14. listopadu 2005 Sun vydal osmijádrový UltraSPARC T1 se 4 vlákny na jádro .

5. ledna 2006 Intel představil dvoujádrový procesor na jediném čipu Core Duo pro mobilní platformu.

V listopadu 2006 vyšel první čtyřjádrový procesor Intel Core 2 Quad založený na jádře Kentsfield, což je sestava dvou krystalů Conroe v jednom balení. Potomkem tohoto procesoru byl Intel Core 2 Quad na jádře Yorkfield (45 nm), který je architektonicky podobný Kentsfieldu, ale má větší cache a pracovní frekvence.

V říjnu 2007 se začal prodávat osmijádrový UltraSPARC T2 , v každém z nich běží 8 vláken.

10. září 2007 byly do prodeje uvolněny skutečné (ve formě jednoho čipu) čtyřjádrové procesory pro servery AMD Opteron , které měly během vývoje kódové označení AMD Opteron Barcelona [2] . 19. listopadu 2007 byl uveden do prodeje čtyřjádrový procesor pro domácí počítače AMD Phenom [3] . Tyto procesory implementují novou mikroarchitekturu K8L (K10).

AMD se vydalo vlastní cestou a vyrábí čtyřjádrové procesory na jedné matrici (na rozdíl od Intelu, jehož první čtyřjádrové procesory ve skutečnosti slepují dvě dvoujádrové matrice dohromady). Přes veškerou progresivitu tohoto přístupu se první „čtyřjádro“ společnosti s názvem AMD Phenom X4 příliš nepovedlo. Jeho zaostávání za současnými procesory konkurence se pohybovalo od 5 do 30 procent i více, v závislosti na modelu a konkrétních úkolech [4] .

V 1. až 2. čtvrtletí roku 2009 obě společnosti aktualizovaly své řady čtyřjádrových procesorů. Intel představil rodinu Core i7 sestávající ze tří modelů běžících na různých frekvencích. Hlavní předností tohoto procesoru je použití tříkanálového paměťového řadiče (typ DDR3) a osmijádrové emulační technologie (užitečné pro některé specifické úlohy). Navíc díky obecné optimalizaci architektury bylo možné výrazně zlepšit výkon procesoru v mnoha typech úloh. Slabou stránkou platformy využívající Core i7 je její nadměrná cena, protože instalace tohoto procesoru vyžaduje drahou základní desku založenou na čipsetu Intel X58 a tříkanálovou paměťovou sadu DDR3 , která je v současné době také velmi drahá.

AMD zase představilo řadu procesorů Phenom II X4. Při svém vývoji společnost vzala v úvahu své chyby: velikost mezipaměti se zvýšila (ve srovnání s první generací Phenom), procesory se začaly vyrábět podle 45nm procesní technologie (to umožnilo snížit teplo rozptyl a výrazně zvýšit provozní frekvence). Obecně platí, že výkon AMD Phenom II X4 je srovnatelný s předchozí generací procesorů Intel (jádro Yorkfield) a výrazně zaostává za Intel Core i7 [5] . S vydáním 6jádrového procesoru AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T se situace mírně změnila ve prospěch AMD.

Od roku 2013 jsou procesory se dvěma, třemi, čtyřmi a šesti jádry a také dvou-, tří- a čtyřmodulové procesory AMD generace Bulldozer (počet logických jader je 2krát větší než počet modulů) široce dostupný. V segmentu serverů jsou k dispozici také 8jádrové procesory Xeon a Nehalem (Intel) a 12jádrové Opterony (AMD). [6]

Ukládání do mezipaměti

Ukládání do mezipaměti je použití přídavné vysokorychlostní paměti (takzvaná cache  - anglicky  cache , z francouzštiny  cacher  - „skrýt“) k ukládání kopií bloků informací z hlavní (RAM) paměti, pravděpodobnost přístupu je vysoká. v blízké budoucnosti.

Existují keše 1., 2. a 3. úrovně (označené L1, L2 a L3 - od úrovně 1, úrovně 2 a úrovně 3). Mezipaměť 1. úrovně má nejnižší latenci (dobu přístupu), ale malou velikost, navíc se mezipaměti 1. úrovně často dělají víceportové. Procesory AMD K8 tedy byly schopny provádět jak 64bitový zápis, tak čtení, nebo dvě 64bitová čtení za cyklus, AMD K8L může provádět dvě 128bitová čtení nebo zápisy v libovolné kombinaci. Procesory Intel Core 2 zvládnou 128bitové zápisy a čtení na takt. L2 cache má obvykle výrazně vyšší latenci přístupu, ale může být mnohem větší. Mezipaměť úrovně 3 je největší a je poměrně pomalá, ale stále je mnohem rychlejší než RAM.

Harvardská architektura

Harvardská architektura se liší od von Neumannovy v tom, že programový kód a data jsou uložena v jiné paměti. V takové architektuře je mnoho programovacích metod nemožných (např. program nemůže změnit svůj kód během provádění; je nemožné dynamicky přerozdělit paměť mezi programový kód a data); na druhou stranu harvardská architektura umožňuje efektivnější práci v případě omezených zdrojů, proto se často používá ve vestavěných systémech.

Paralelní architektura

Von Neumannova architektura má nevýhodu v tom, že je sekvenční. Bez ohledu na to, jak velké datové pole je potřeba zpracovat, každý jeho bajt bude muset projít centrálním procesorem, i když je na všech bytech vyžadována stejná operace. Tento efekt se nazývá von Neumannovo úzké hrdlo .

K překonání tohoto nedostatku byly a jsou navrhovány procesorové architektury, které se nazývají paralelní . Paralelní procesory se používají v superpočítačích .

Možné možnosti pro paralelní architekturu jsou (podle Flynnovy klasifikace ):

Digitální signálové procesory

Pro digitální zpracování signálu , zejména s omezenou dobou zpracování, se používají specializované vysoce výkonné signálové mikroprocesory ( digitální signálový procesor , DSP ) s paralelní architekturou . 

Výrobní proces

Zpočátku dostanou vývojáři technický úkol, na základě kterého se rozhodne o tom, jaká bude architektura budoucího procesoru, jeho vnitřní struktura, výrobní technologie. Různé skupiny mají za úkol vyvinout odpovídající funkční bloky procesoru, zajistit jejich interakci a elektromagnetickou kompatibilitu. Vzhledem k tomu, že procesor je vlastně digitální stroj, který plně vyhovuje principům Booleovy algebry , je pomocí specializovaného softwaru běžícího na jiném počítači sestaven virtuální model budoucího procesoru. Testuje procesor, provádí elementární příkazy, značné množství kódu, vypracovává interakci různých bloků zařízení, optimalizuje jej a hledá chyby, které jsou v projektu této úrovně nevyhnutelné.

Poté je z digitálních základních maticových krystalů a mikroobvodů sestaven fyzický model procesoru obsahující elementární funkční bloky digitální elektroniky, na kterých se kontrolují elektrické a časové charakteristiky procesoru, testuje se architektura procesoru, oprava nalezených chyb pokračuje a problémy s elektromagnetickou kompatibilitou jsou vyjasněny (například s téměř běžnou hodinovou frekvencí 1 GHz již 7 mm délky vodiče fungují jako vysílací nebo přijímací antény).

Poté začíná etapa společné práce obvodových inženýrů a procesních inženýrů , kteří pomocí specializovaného softwaru převedou elektrický obvod obsahující architekturu procesoru na čipovou topologii. Moderní automatické konstrukční systémy umožňují v obecném případě přímo získat balíček šablon pro vytváření masek z elektrického obvodu. V této fázi se technologové snaží implementovat technická řešení stanovená obvodovými inženýry s ohledem na dostupnou technologii. Tato fáze je jednou z nejdelších a nejobtížnějších na vývoj a zřídka vyžaduje kompromisy ze strany návrhářů obvodů, aby se vzdali některých architektonických rozhodnutí. Řada výrobců zakázkových mikroobvodů (slévárna) nabízí vývojářům (konstrukční centrum nebo bezvýrobní společnost ) kompromisní řešení, ve kterém jsou ve fázi návrhu procesoru jimi prezentované knihovny prvků a bloků standardizované v souladu s dostupnou technologií ( Standardní buňka ), jsou použity. To zavádí řadu omezení pro architektonická řešení, ale fáze technologických úprav ve skutečnosti přichází na hraní Lego. Obecně jsou vlastní mikroprocesory rychlejší než procesory založené na existujících knihovnách.

Další, po fázi návrhu, je vytvoření prototypu mikroprocesorového čipu. Při výrobě moderních ultravelkých integrovaných obvodů se používá metoda litografie . Současně jsou na substrát budoucího mikroprocesoru (tenký kroužek monokrystalického křemíku elektronické kvality ( Electronic-grade silicon , EGS ) nebo safír) střídavě nanášeny vrstvy vodičů, izolátorů a polovodičů prostřednictvím speciálních masek obsahujících štěrbiny . . Odpovídající látky se odpaří ve vakuu a ukládají se skrz otvory masky na čipu procesoru. Někdy se používá leptání, kdy agresivní kapalina naleptá oblasti krystalu, které nejsou chráněny maskou. Na substrátu se přitom vytvoří zhruba stovka procesorových čipů. Výsledkem je složitá vícevrstvá struktura obsahující stovky tisíc až miliardy tranzistorů. Tranzistor podle zapojení pracuje v mikroobvodu jako tranzistor, rezistor, dioda nebo kondenzátor. Vytváření těchto prvků na čipu samostatně je v obecném případě nerentabilní. Po ukončení litografického postupu je substrát rozřezán na elementární krystaly. Ke kontaktním ploškám na nich vytvořeným (vyrobeným ze zlata) jsou připájeny tenké zlaté vodiče, které jsou adaptéry na kontaktní plošky pouzdra mikroobvodu. Dále, v obecném případě, chladič krystalu a kryt čipu jsou připojeny.

Poté začíná fáze testování prototypu procesoru, kdy se kontroluje jeho shoda se zadanými charakteristikami a hledají se zbývající neodhalené chyby. Teprve poté je mikroprocesor uveden do výroby. Ale i během výroby je neustálá optimalizace procesoru spojená se zdokonalováním technologií, novými konstrukčními řešeními, detekcí chyb.

Souběžně s vývojem univerzálních mikroprocesorů jsou vyvíjeny sady periferních počítačových obvodů, které budou s mikroprocesorem použity a na jejichž základě jsou vytvářeny základní desky. Vývoj mikroprocesorové sady ( chipset , anglicky  chipset ) je úkol neméně obtížný než vytvoření vlastního mikroprocesorového čipu.

V posledních letech je tendence přenášet některé komponenty čipsetu (řadič paměti, řadič sběrnice PCI Express) do procesoru (podrobněji viz: Systém na čipu ).

Spotřeba procesoru

Spotřeba procesoru úzce souvisí s výrobní technologií procesoru.

První procesory s architekturou x86 spotřebovaly velmi malé (podle moderních standardů) množství energie, což je zlomek wattu . Zvýšení počtu tranzistorů a zvýšení taktovací frekvence procesorů vedlo k výraznému zvýšení tohoto parametru. Nejproduktivnější modely spotřebují 130 nebo více wattů. Faktor spotřeby, který byl zpočátku nevýznamný, má nyní vážný dopad na vývoj procesorů:

Provozní teplota procesoru

Dalším parametrem CPU je maximální povolená teplota polovodičového krystalu ( TJMax ) nebo povrchu procesoru, při které je možný běžný provoz. Mnoho spotřebitelských procesorů je provozuschopných při teplotách povrchu (čipu) ne vyšších než 85 °C [7] [8] . Teplota procesoru závisí na jeho vytížení a na kvalitě chladiče. Pokud teplota překročí maximum povolené výrobcem, není zaručeno, že procesor bude fungovat normálně. V takových případech může dojít k chybám v provozu programů nebo zamrznutí počítače. V některých případech jsou možné nevratné změny uvnitř samotného procesoru. Mnoho moderních procesorů v tomto případě dokáže detekovat přehřívání a omezit vlastní výkon.

Odvod tepla procesoru a odvod tepla

K odvodu tepla z mikroprocesorů se používají pasivní radiátory a aktivní chladiče . Pro lepší kontakt s chladičem je na povrch procesoru nanesena teplovodivá pasta .

Měření a zobrazování teploty mikroprocesoru

Pro měření teploty mikroprocesoru, obvykle uvnitř mikroprocesoru, je ve středu krytu mikroprocesoru instalováno teplotní čidlo mikroprocesoru . U mikroprocesorů Intel je snímačem teploty tepelná dioda nebo tranzistor s uzavřeným kolektorem a bází jako tepelná dioda, u mikroprocesorů AMD je to termistor.

Výrobci

Nejpopulárnější procesory dnes produkují:

Většina procesorů pro osobní počítače, notebooky a servery je z hlediska instrukcí kompatibilní s Intelem. Většina procesorů v současnosti používaných v mobilních zařízeních je kompatibilní s ARM , to znamená, že mají sadu instrukcí a programovacích rozhraní vyvinutých společností ARM Limited .

Procesory Intel : 8086 , 80286 , i386 , i486 , Pentium , Pentium II , Pentium III , Celeron (zjednodušená verze Pentia), Pentium 4 , Core 2 Duo , Core 2 Quad , Core i3 , Core i95 , Xeon (řada procesorů pro servery), Itanium , Atom (řada procesorů pro vestavěnou technologii) atd.

AMD má ve své řadě procesory s architekturou x86 (analogy 80386 a 80486, rodina K6 a rodina K7 - Athlon , Duron , Sempron ) a x86-64 ( Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Ryzen 3 , Ryzen 5 , Ryzen 97 , Ryzen 97 , , Phenom , Opteron atd.). Procesory IBM ( POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC ) se používají v superpočítačích, video set-top boxech 7. generace, vestavěné technologii; dříve používané v počítačích Apple .

Tržní podíly prodejů procesorů pro osobní počítače, notebooky a servery podle let:

Rok Intel AMD jiný
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 %

SSSR/Rusko

Čína

Japonsko

Mýtus megahertzů

Mezi spotřebiteli je běžnou mylnou představou, že procesory s vyšším taktem vždy fungují lépe než procesory s nižším taktem. Ve skutečnosti jsou srovnání výkonu založená na porovnání rychlosti hodin platná pouze pro procesory, které mají stejnou architekturu a mikroarchitekturu .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Datový list 4004
  2. ↑ AMD Barcelona je již v prodeji
  3. ↑ AMD Phenom: testy skutečného čtyřjádrového procesoru
  4. ↑ AMD Phenom X4 9850: o opravitelných a neopravitelných chybách iXBT.com, 2008
  5. ↑ AMD Phenom II X4: testy nového 45nm procesoru THG.ru
  6. ↑ AMD dalo zelenou 8- a 12jádrovým procesorům řady Opteron 6100 overclockers.ua
  7. ↑ R. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics  (anglicky)  (odkaz není dostupný) . TRANSAKCE EEE NA VÝROBĚ OBALŮ ELEKTRONICKÝCH OBALŮ, VOL. 27, č. 3, červenec 2004 164-176. IEEE (červenec 2004). - "Polovodiče: Maximální jmenovitá okolní teplota pro většinu integrovaných obvodů na bázi křemíku je 85 C, což je dostatečné pro spotřebitelské, přenosné a počítačové aplikace." Zařízení pro vojenské a automobilové aplikace jsou obvykle dimenzovány do 125 C.". Datum přístupu: 26. května 2015. Archivováno z originálu 27. května 2015.
  8. ↑ Ebrahimi Khosrow; Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer. Přehled technologie chlazení datových center, provozních podmínek a odpovídajících příležitostí k využití odpadního tepla nízké kvality.  (anglicky) . Recenze obnovitelné a udržitelné energie 31 622-638. Elsevier Ltd (2014). - "Většina výzkumů elektronického řízení teploty považuje 85 °C za maximální přípustnou teplotu přechodu pro bezpečný a efektivní provoz mikroprocesorů". Staženo: 26. května 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 ukouslo podíl na trhu od Intelu (nepřístupný odkaz) . Získáno 29. června 2019. Archivováno z originálu 7. června 2015. 
  11. ↑ Intel posiluje svou pozici na trhu procesorů - Business - Průzkum trhu - Compulenta
  12. ↑ 1 2 PassMark CPU Benchmarks – AMD vs Intel Market Share
  13. ↑ RISC procesory pro periferní zařízení
  14. ↑ Mikroprocesory vyrobené v Japonsku

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Mikrokontroléry
Architektura
8bitový
16bitový
32bitový
Výrobci
Komponenty
Obvod
Rozhraní
OS
Programování