Центральный процессор (CPU)

Тип центрального процессора традиционно определяет класс компьютера в целом.

Центральный процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций. Он представляет собой кристалл кремния, ядро которого состоит из ячеек, называемых регистрами.

Лидерами в производстве процессоров для ПК являются корпорации Intel и AMD. Известны чипы от VIA, Apple, Sun Microsystems, IBM, Cyrix, Motorola, Transmeta и других производителей.

На сегодняшний день Intel производит 32-разрядные процессоры Celeron, Pentium III, флагман Pentium 4, мультипроцессорное решение Xeon, 64-разрядный Itanium и планирует выпуск McKinley. При этом имеются версии процессоров для серверов, ноутбуков и компьютеров в настольном исполнении. AMD предлагает 32-разрядные процессоры K7 Duron и Athlon, флагман Athlon XP, намечен выпуск 64-разрядного Hammer. Однако линейка процессоров, имеющих одно название, может быть построена на основе совершенно различных архитектур, а это фактически смена одного поколения чипов на другое. Например, семейство процессоров Pentium III включает чипы на основе ядер Katmai, Coppermine, Coppermine T и Tualatin.

Процессоры отличаются и внешне. Особенно это заметно на моделях Intel, неуклонно изменяющей форм-фактор для каждого нового своего продукта. Одновременно меняется разъем, к которому подсоединяется процессор. Обычно процессор располагается в корпусе с матрицей штырьковых выводов (разъем Socket) или картридже с печатным краевым разъемом, на который выведена системная шина (разъем Slot). Имеются варианты мобильных процессоров, с исполнением в мини-картридже и модуле с коннекторами.

Производительность процессора прямо зависит от двух величин – его тактовой частоты и количества исполняемых за такт инструкций. Рабочая тактовая частота – это количество тактов выполняемых процессором в секунду. Первые процессоры работали с частотой 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты превосходят 2000 МГц. Процессоры Intel лидируют по этой позиции и по ее прогнозам к 2010 году они достигнут 20 ГГц. Отстав по тактовой частоте, AMD с новым процессором Athlon XP опережает по максимальному количеству исполняемых за такт инструкций. И все же тактовая частота остается основным параметром CPU.

Тактовую частоту процессора еще называют внутренней частотой, поскольку по чисто физическим причинам другие компоненты компьютера не могут работать с такими высокими частотами. Большинство современных материнских плат и модулей памяти работает с частотой 66…133 МГц, хотя имеются новейшие разработки, поддерживающие частоту до 533 МГц. Процессор получает тактовые сигналы от материнской платы и производит их внутреннее умножение на определенный коэффициент. Коэффициент умножения чаще всего фиксированный, что вызвано политикой производителей, не поощряющих "разгон" (overclocking) своих изделий.

От материнской платы подается рабочее напряжение на процессор, величина которого может изменяться в зависимости от конкретной модели чипа. Поэтому процессор устанавливают только на разработанную под него материнскую плату. Ранние модели процессоров для ПК имели напряжение 5 В. В настоящее время оно составляет менее 3 В, а ядро процессора питается пониженным напряжением в 2…1,4 В. Для мобильных компьютеров рабочее напряжение понижается до 1,1 В.

Чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают область кэш-памяти, куда записывается часть поступающих данных. Кэш-память распределяют по уровням. Кэш первого уровня чаще невелик и составляет 32…128 Кбайт, кэш второго уровня обычно 128…512 Кбайт, но для серверных систем может достигать 2048 Кбайт. Некоторые модели процессоров оснащаются кэш-памятью третьего уровня.

Количество кэш-памяти в кристалле процессора зависит от его размеров и технологии изготовления. Первые микропроцессоры изготавливались по 10-микронной технологии, т.е. величина одного элементарного элемента схемы была порядка 10-ти микрон. На сегодняшний день изготавливаются процессоры на основе кремниевых пластин размером 300 и 200 мм² с технологическими нормами 0,18 и 0,13 мкм. В 2003 году планируется начать использование 90 нм (0,09 мкм) норм производства. На опытных образцах получено уменьшение до 20 нм. Последние модели процессоров производятся по новой медной технологии, что наряду с увеличением производительности позволяет уменьшить размер чипа.

В процессе работы процессор обслуживает данные, используя собственную систему команд, которая может быть расширенной (CISC-процессоры) и сокращенной (RISC-процессоры). Оба варианта имеют свои плюсы и минусы. Начиная с процессора Pentium Pro введена новация – машинные коды x86-ассемблера, поступающие в CPU, внутри декодируются в RISC-подобный микрокод, и уже именно его исполняет ядро процессора. Это новая внутренняя архитектура – CISC-команды "на входе" и RISC-подобный микрокод на внутреннем уровне. Впервые на "пользовательском" уровне эта архитектура была реализована в процессоре AMD-K5.

Разработчики процессоров предлагают и дополнительные наборы команд, оптимизированные для решения конкретных задач. Примером могут служить MMX от Intel и 3DNow! от AMD. Если данные команды учтены разработчиками программного обеспечения, то существенно возрастает скорость обработки специализированных приложений.

С увеличением тактовой частоты процессоров все большее внимание уделяется обеспечению их надежности и стабильности в работе. В процессе функционирования интегральной схемы происходит неизбежный нагрев кристалла. Правильное и надежное функционирование транзисторов современных процессоров и структуры их межсоединений возможно в диапазоне температур от 0 до 100°, однако верхний предел не рекомендуется. По различным данным средний срок службы процессора составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C, а для сложных чипов не более 1000-1500 ч при температуре всего 85-90°C.

Для создания благоприятного температурного режима процессора применяются механические вентиляторы (кулеры) с функцией термоконтроля или системы жидкостного охлаждения. Первое решение дешевле и применяется для большинства ПК.