Процессоры

Центральный процессор (ЦП или CPU) - наиболее ответствен­ная и важная микросхема компьютера. Процессор выполня­ет вычислительную работу, организует обмен данными, вы­вод результатов работы. Производительность компьютеров традиционно принято оценивать по используемому в нем процессору. Считается, что именно этот элемент, определяет основные функциональные возможности современного ПК, его класс, стоимость, престиж. Хотя, это и не совсем так - в производительность компьюте­ра вносят определенный вклад и другие элементы: системная плата, память и устройства ввода-вывода. Но характеристики процессора оказывают решающее влияние на производи­тельность компьютера. Процессоры устанавливаются в расположенные на системных платах разъемы, что позволяет, при необходимости заменяя используемый CPU на более со­временные модели, увеличивать производительность компь­ютера. От типа процессорного разъема или сокета (socket), установленного на системной плате, зависят возможности модернизации приобретенного вами компьютера. Для совре­менных процессоров используются корпусы типа PGA. Тех­нически процессор реализуется на сверхбольшой интеграль­ной микросхеме, называемой микропроцессором, структура которой постоянно усложняется, а количество функциональ­ных элементов (транзисторов), размещаемых на ней, посто­янно возрастает (от 30 тыс. в процессоре Intel 8086 до 5 млн. в процессоре Pentium II, а в 2-ядерном процессоре Athlon 64X2 уже более 200 млн.). Таким образом, менее чем за три десятилетия успехи в развитии технологии и производства электронных компонентов, основанные на совершенствова­нии внутренней архитектуры или устройства процессора, позволили многократно увеличить производительность пер­сонального компьютера.

Основными характеристиками процессора являются:

· тактовая частота;

· разрядность;

· объем кэш-памяти.

Тактовая частота задает ритм работы компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполне­ния операций и выше производительность компьютера. Еди­ница измерения частоты - МГц (миллион тактов в секунду). Однако увеличение тактовой частоты процессора сопряжено с рядом технических проблем. Повышение тактовой частоты вызывает увеличение рассеиваемой мощности и повышен­ный нагрев кристалла процессора. Выходом из этой ситуа­ции долгое время было уменьшение размеров располагаемых на кристалле полупроводниковых элементов и проводников. Или, как говорят, уменьшение технологических или конст­руктивных норм. Например, современные производитель­ные процессоры Pentium 4 Extreme Edition (ядро Prescott) производятся по конструктивным нормам 0,08 мкм.

Особенности внутренней архитектуры и набор поддержи­ваемых технологий могут оказывать заметное влияние на про­изводительность процессора при выполнении определенных задач. Производительность определяется, как правило, в про­цессе тестирования, то есть установления скорости выполне­ния процессором перечня операций в какой-либо программ­ной среде.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность. В общем случае, чем больше разрядность, тем выше производительность про­цессора - исполняемые на компьютере программы могут бы­стрее обрабатывать данные. Практически все современные программы рассчитаны на 32- и 64-разрядные процессоры. Под разрядностью процессора понимается разрядность шины данных и шины адреса. Часто уточняют разрядность процессо­ра и пишут, например, 64/32, что означает, что процессор име­ет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса. Раз­рядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, то есть максимальный объем оперативной памяти, который может быть установлен в компьютере. В первом оте­чественном персональном компьютере «Агат» (1985 г.) был уста­новлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно его адресное пространство составляло 64 Кб. Процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/32, и его адресное простран­ство составляет 4 Гб.

Для того чтобы CPU был способен быстрее обмениваться данными с оперативной памятью, он снабжается встроенной кэш-памятью. Кэш-память, или просто кэш, - это небольшой массив быстродействующей памяти, предназначенный для временного хранения команд и данных. Кэш первого уровня обозначается - LI (Level 1). Встроенный на кристалле процес­сора кэш при обмене данными находится между ядром про­цессора и памятью, работая на тактовой частоте процессора. В кэш-памяти накапливаются текущие обрабатываемые дан­ные, команды. При их поиске процессор, в первую очередь, обращается к кэш-памяти первого уровня - L1. Если данные обнаружены, они сразу используются. В случае отсутствия данных на первом уровне выполняется поиск в кэш-памяти второго уровня. Если в кэш-памяти данные процессором не обнаружены, он обращается за ними в оперативную память. Механизм кэширования позволяет значительно увеличивать производительность компьютера.

Производительность процессора зависит также от часто­ты внешней шины процессора - FSB (Front Side Bus). Часто­та на самой быстродействующей шине компьютера - внешней шине центрального процессора - отличается от внутрипро-цессорной частоты. Внутрипроцессорная частота получается путем умножения внешней тактовой частоты на некий коэффициент в блоке умножения, который расположен в самом процессоре. Эта частота называется частотой ядра процессо­ра или тактовой частотой. Следовательно, если частота на шине FSB равна, например, 533 МГц, частота ядра ЦП может достигать 2,8-3,06 ГГц.

Рост производительности процессоров персональных ком­пьютеров происходит на фоне конкурентной борьбы основ­ных производителей процессоров - компаний Intel и AMD. Наряду с совершенствованием внутреннейархитектуры про­цессоров основным средством повышения производительнос­ти, особенно у Intel, было повышение тактовой частоты. Начав с частоты немногим более 1 ГГц, тактовая частота процессоров Intel Pentium IV сначала преодолела рубеж в 2 ГГц, затем - в 3 ГГц, а сейчас упорно подходит к отметке 4 ГГц. Но с рос­том тактовой частоты росла и потребляемая мощность про­цессоров и, как следствие, тепловыделение. И даже переход с 130-нанометрового технологического процесса производ­ства процессоров на 90-нанометровый не смог в полной мере решить всех проблем.

Убедившись в невозможности дальнейшего эффективно­го увеличения тактовой частоты процессоров, и компания Intel, и компания AMD стали говорить о возможности даль­нейшего увеличения производительности процессоровза счет перехода к двуядерным, а в дальнейшем, - многоядер­ным процессорам.

Самым важным событием 2005 года на рынке процессоровбыло появление центральных процессоров с двуядерной ар­хитектурой, в которых на одном полупроводниковом крис­талле располагаются два равноценных процессорных ядра, то есть получается своего рода двухпроцессорная система на одном полупроводниковом кристалле. Главным инициатором в продвижении двуядерных процессоров выступила компания AMD, которая представила серверный процессор Opteron. Что касается процессоров для настольных компьютеров, то инициативу здесь перехватила компания Intel, первой пред­ставив процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Вслед за ними появились двуядерные процессоры Athlon64X2 производства AMD.

Самым большим достоинством новых продуктов явилось то. что переход к двуядерной системе не требовал замены материн­ской платы. При этом уже установленная операционнаясистема моментально обнаруживала второе ядро (в списке оборудо­вание появлялся второй процессор), и никакой специфической настройки программного обеспечения не требовалось (не гово­ря уже о полной переустановке операционной системы).

Преимущества двуядерных процессоров можно ощутить в мультимедиа-программах. Если при использовании обычно­го одноядерного процессора совместная обработка видео-аудиоданных заметноувеличивает время кодирования, то для двуядерных это не так: звуковой поток отправляется на второе ядро и его обработка не влияет на общие временные затраты. Правда, следует отметить, что объемы работы при видео- и аудиообработке данных довольно сильно различаются, поэтому равномерной загрузки ядер нет ирассчитывать на существенный рост производительности не приходится.