Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор . И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле , дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов , открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние "0" или "1".

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования , а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа . Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода .

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии .

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

Выдыхаем!

4. Так как все-таки работает компьютер?

А теперь самое главное .

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт , либо закрыт . Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – "0".

При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.

Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1 . Итак, мы определились с тем, что такое бит . Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом .

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов .

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы , в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор .

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

• 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
• 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
• 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
• 1976 год Intel 8080 . 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
• 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
• 1978 год Intel 8086 . 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
• 1980 год Intel 80186 . 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
• 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
• 1982 год Motorola 68000 . 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
• 1985 год Intel 80386 . 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

• кэш-памяти;
• конвейера;
• встроенного сопроцессора;
• множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы . Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

• SPARC;
• ARM ;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

7. Конец транзисторных соревнований близко

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому - атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

8. Что ждет «обычные» процессоры

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры . Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов . О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

9. Будущее за ARM

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

• сложность команд и откровенная их запутанность;
• высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь - самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

• мобильность;
• автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

10. Почему ARM – неоспоримый лидер

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

11. Вместо вывода

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

4.61 из 5, оценили: 38 )

сайт Большая статья, наливайте чай.

Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.

Что такое центральный процессор?

Из чего состоит процессор?

Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру.

Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.

Основные характеристики

Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя. Прежде всего это:

• количество ядер;
• число потоков;
• размер кэша (внутренней памяти);
• тактовая частота;
• быстрота шины.

Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.

На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная является всего лишь усредненным показателем.

Количество ядер - показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками - количество ядер и потоков могут не совпадать). За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность.

Как работает процессор: обработка команд

Теперь немного о структуре исполняемых команд. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие - операционную и операндную.

Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:

• выработка;
• дешифрование;
• выполнение команды;
• обращение к памяти самого процессора
• сохранение результата.

Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти.

Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления).

Выполняемые операции

Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три основные задачи:

• математические действия на основе арифметико-логического устройства;
• перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой;
• принятие решения по исполнению команды, и на его основе - выбор переключения на выполнения других наборов команд.

Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ)

В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт.

Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя.

Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе.

Как проверить, работает ли процессор?

Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.

Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает). Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z.

Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого (msconfig) и дополнительные параметры загрузки.

Возможные проблемы

Наконец, несколько слов о проблемах. Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное. Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры).

Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор - «умирает» вся компьютерная система.

Процессор - это, без сомнения, главный компонент любого компьютера. Именно этот небольшой кусочек кремния, размером в несколько десятков миллиметров выполняет все те сложные задачи, которые вы ставите перед своим компьютером. Здесь выполняется операционная система, а также все программы. Но как все это работает? Этот вопрос мы попытаемся разобрать в нашей сегодняшней статье.

Процессор управляет данными на вашем компьютере и выполняют миллионы инструкций в секунду. И под словом процессор, я подразумеваю именно то, что оно на самом деле означает - небольшой чип из кремния, который фактически выполняет все операции на компьютере. Перед тем как перейти к рассмотрению как работает процессор, нужно сначала подробно рассмотреть что это такое и из чего он состоит.

Сначала давайте рассмотрим что такое процессор. CPU или central processing unit (центральное обрабатывающее устройство) - который представляет из себя микросхему с огромным количеством транзисторов, сделанную на кристалле кремния. Первый в мире процессор был разработан корпорацией Intel в 1971 году. Все началось с модели Intel 4004. Он умел выполнять только вычислительные операции и мог обрабатывать только 4 байта данных. Следующая модель вышла в 1974 году - Intel 8080 и мог обрабатывать уже 8 бит информации. Дальше были 80286, 80386, 80486. Именно от этих процессоров произошло название архитектуры.

Тактовая частота процессора 8088 была 5 МГц, а количество операций в секунду только 330 000 что намного меньше чем в современных процессоров. Современные устройства имеют частоту до 10 ГГц и несколько миллионов операций в секунду.

Мы не будем рассматривать транзисторы, переместимся на уровень выше. Каждый процессор состоит из таких компонентов:

• Ядро - здесь выполняется вся обработка информации и математические операции, ядер может быть несколько;
• Дешифратор команд - этот компонент относится к ядру, он преобразует программные команды в набор сигналов, которые будут выполнять транзисторы ядра;
• Кэш - область сверхбыстрой памяти, небольшого объема, в которой хранятся данные, прочитанные из ОЗУ;
• Регистры - это очень быстрые ячейки памяти, в которых хранятся сейчас обрабатываемые данные. Их есть всего несколько и они имеют ограниченный размер - 8, 16 или 32 бит именно от этот зависит разрядность процессора;
• Сопроцессор - отдельное ядро, которое оптимизировано только для выполнения определенных операций, например, обработки видео или шифрования данных;
• Адресная шина - для связи со всеми, подключенными к материнской плате устройствами, может иметь ширину 8, 16 или 32 бит;
• Шина данных - для связи с оперативной памятью. С помощью нее процессор может записывать данные в память или читать их оттуда. Шина памяти может быть 8, 16 и 32 бит, это количество данных, которое можно передать за один раз;
• Шина синхронизации - позволяет контролировать частоту процессора и такты работы;
• Шина перезапуска - для обнуления состояния процессора;

Главным компонентом можно считать ядро или вычислительное-арифметическое устройство, а также регистры процессора. Все остальное помогает работать этим двум компонентам. Давайте рассмотрим какими бывают регистры и какое у них предназначение.

• Регистры A, B, C - предназначены для хранения данных во время обработки, да, их только три, но этого вполне достаточно;
• EIP - содержит адрес следующей инструкции программы в оперативной памяти;
• ESP - адрес данных в оперативной памяти;
• Z - содержит результат последней операции сравнения;

Конечно, это далеко не все регистры памяти, но эти самые главные и ими больше всего пользуется процессор во время выполнения программ. Ну а теперь, когда вы знаете из чего состоит процессор, можно рассмотреть как он работает.

Как работает процессор компьютера?

Вычислительное ядро процессора может выполнять только математические операции, операции сравнения и перемещение данных между ячейками и оперативной памятью, но этого вполне достаточно, чтобы вы могли играть игры, смотреть фильмы и просматривать веб-страницы и многое другое.

Фактически любая программа состоит из таких команд: переместить, сложить, умножить, делить, разница и перейти к инструкции если выполняется условие сравнения. Конечно, это далеко не все команды, есть другие, которые объединяют между собой уже перечисленные или упрощают их использование.

Все перемещения данных выполняются с помощью инструкции перемещения (mov), эта инструкция перемещает данные между ячейками регистров, между регистрами и оперативной памятью, между памятью и жестким диском. Для арифметических операций есть специальные инструкции. А инструкции перехода нужны для выполнения условий, например, проверить значение регистра A и если оно не равно нулю, то перейти к инструкции по нужному адресу. Также с помощью инструкций перехода можно создавать циклы.

Все это очень хорошо, но как же все эти компоненты взаимодействуют между собой? И как транзисторы понимают инструкции? Работой всего процессора управляет дешифратор инструкций. Он заставляет каждый компонент делать то, что ему положено. Давайте рассмотрим что происходит когда нужно выполнить программу.

На первом этапе дешифратор загружает адрес первой инструкции программы в памяти в регистр следующей инструкции EIP, для этого он активирует канал чтения и открывает транзистор-защелку чтобы пустить данные в регистр EIP.

Во втором тактовом цикле дешифратор инструкций преобразует команду в набор сигналов для транзисторов вычислительного ядра, которые выполняют ее и записывают результат в один из регистров, например, С.

На третьем цикле дешифратор увеличивает адрес следующей команды на единицу, так, чтобы он указывал на следующую инструкцию в памяти. Далее, дешифратор переходит к загрузке следующей команды и так до окончания программы.

Каждая инструкция уже закодирована последовательностью транзисторов, и преобразованная в сигналы, она вызывает физические изменения в процессоре, например, изменению положения защелки, которая позволяет записать данные в ячейку памяти и так далее. На выполнение разных команд нужно разное количество тактов, например, для одной команды может понадобиться 5 тактов, а для другой, более сложной до 20. Но все это еще зависит от количества транзисторов в самом процессоре.

Ну с этим все понятно, но это все будет работать только если выполняется одна программа, а если их несколько и все одновременно. Можно предположить, что у процессора есть несколько ядер, и тогда на каждом ядре выполняется отдельная программ. Но нет, на самом деле там таких ограничений нет.

В один определенный момент может выполняться только одна программа. Все процессорное время разделено между всеми запущенными программами, каждая программа выполняется несколько тактов, затем процессор передается другой программе, а все содержимое регистров сохраняется в оперативную память. Когда управление возвращается этой программе, то в регистры грузятся ранее сохраненные значения.

Выводы

Вот и все, в этой статье мы рассмотрели как работает процессор компьютера, что такое процессор и из чего он состоит. Возможно, это немного сложно, но мы рассмотрели все более просто. Надеюсь, теперь вам стало более ясно то, как работает это очень сложное устройство.

На завершение видео об истории создания процессоров:

– это основной вычислительный компонент, от которого сильно зависит скорость работы всего компьютера. Поэтому, обычно, при подборе конфигурации компьютера, сначала выбирают процессор, а затем уже все остальное.

Для простых задач

Если компьютер будет использоваться для работы с документами и интернета, то вам подойдет недорогой процессор со встроенным видеоядром Pentium G5400/5500/5600 (2 ядра / 4 потока), которые лишь немного отличаются частотой.

Для монтажа видео

Для монтажа видео лучше брать современный многопоточный процессор AMD Ryzen 5/7 (6-8 ядер / 12-16 потоков), который в тандеме с хорошей видеокартой также неплохо справится с играми.
Процессор AMD Ryzen 5 2600

Для среднего игрового компьютера

Для чисто игрового компьютера среднего класса лучше взять Core i3-8100/8300, они имеют честные 4 ядра и хорошо показывают себя в играх с видеокартами среднего класса (GTX 1050/1060/1070).
Процессор Intel Core i3 8100

Для мощного игрового компьютера

Для мощного игрового компьютера лучше взять 6-ядерник Core i5-8400/8500/8600, а для ПК с топовой видеокартой i7-8700 (6 ядер / 12 потоков). Эти процессоры показывает лучшие результаты в играх и способны полностью раскрыть мощные видеокарты (GTX 1080/2080).
Процессор Intel Core i5 8400

В любом случае, чем больше ядер и выше частота процессора, тем лучше. Ориентируйтесь на ваши финансовые возможности.

2. Как устроен процессор

Центральный процессор состоит из печатной платы с кристаллом кремния и различными электронными элементами. Кристалл накрыт специальной металлической крышкой, предотвращающей его повреждение и являющейся теплораспределителем.

С другой стороны платы находятся ножки (или контактные площадки), с помощью которых процессор соединяется с материнской платой.

3. Производители процессоров

Процессоры для компьютеров производят две крупных компании — Intel и AMD на нескольких в мире высокотехнологичных фабриках. Поэтому процессор, независимо от производителя, является самым надежным компонентом компьютера.

Intel является лидером в разработке технологий, использующихся в современных процессорах. AMD частично перенимает их опыт, добавляя что-то свое и проводит более демократичную ценовую политику.

4. Чем отличаются процессоры Intel и AMD

Процессоры Intel и AMD отличаются преимущественно архитектурой (электронной схемотехникой). Некоторые лучше справляются с одними задачами, некоторые с другими.

Процессоры Intel Core в целом имеют более высокую производительность на ядро, благодаря чему опережают процессоры AMD Ryzen в большинстве современных игр и больше подходят для сборки мощных игровых компьютеров.

Процессоры AMD Ryzen в свою очередь выигрывают в многопоточных задачах, таких как монтаж видео, в принципе не сильно уступают Intel Core в играх и прекрасно подойдут для универсального компьютера, используемого как для профессиональных задач, так и для игр.

Справедливости ради стоит заметить, что старые недорогие процессоры AMD серии FX-8xxx, имеющие 8 физических ядер, неплохо справляются с монтажом видео и их можно использовать в качестве бюджетного варианта для этих целей. Но они хуже подходят для игр и устанавливаются на материнские платы с устаревшим сокетом AM3+, что сделает проблематичной замену комплектующих в будущем с целью улучшения или ремонта компьютера. Так что лучше приобрести более современный процессор AMD Ryzen и соответствующую материнскую плату на сокете AM4.

Если ваш бюджет ограничен, но в будущем вы хотите иметь мощный ПК, то можно для начала приобрести недорогую модель, а через 2-3 года поменять процессор на более мощный.

5. Сокет процессора

Socket – это разъем для соединения процессора с материнской платой. Процессорные сокеты маркируются либо по количеству ножек процессора, либо цифро-буквенным обозначением по усмотрению производителя.

Процессорные сокеты постоянно претерпевают изменения и из года в год появляются все новые модификации. Общая рекомендация приобретать процессор с наиболее современным сокетом. Это обеспечит возможность замены как процессора, так и материнской платы в ближайшие несколько лет.

Сокеты процессоров Intel

• Окончательно устаревшие: 478, 775, 1155, 1156, 1150, 2011
• Устаревающие: 1151, 2011-3
• Современные: 1151-v2, 2066

Сокеты процессоров AMD

• Устаревшие: AM1, АМ2, AM3, FM1, FM2
• Устаревающие: AM3+, FM2+
• Современные: AM4, TR4

У процессора и материнской платы сокеты должны быть одинаковыми, иначе процессор просто не установится. На сегодня наиболее актуальными являются процессоры со следующими сокетами.

Intel 1150 — они еще есть в продаже, но в ближайшие несколько лет выйдут из обихода и замена процессора или материнской платы станет проблематичнее. Имеют широкий модельный ряд — от самых недорогих, до довольно мощных.

Intel 1151 — современные процессоры, которые уже не на много дороже, но значительно перспективнее. Имеют широкий модельный ряд — от самых недорогих, до довольно мощных.

Intel 1151-v2 — вторая версия сокета 1151, отличается от предыдущего поддержкой самых современных процессоров 8 и 9 поколения.

Intel 2011-3 — мощные 6/8/10-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

Intel 2066 — топовые самые мощные и дорогие 12/16/18-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

AMD FM2+ — процессоры с интегрированной графикой для офисных задач и самых простеньких игр. В модельном ряду есть как совсем бюджетные, так и процессоры среднего класса.

AMD AM3+ — устаревающие 4/6/8-ядерные процессоры (FX), старшие версии из которых можно использовать для монтажа видео.

AMD AM4 — современные многопоточные процессоры для профессиональных задач и игр.

AMD TR4 — топовые самые мощные и дорогие 8/12/16-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

Рассматривать приобретение компьютера на более старых сокетах нецелесообразно. А вообще я бы рекомендовал ограничить выбор процессорами на сокетах 1151 и AM4, так как они наиболее современные и позволяют собрать достаточно мощный компьютер на любой бюджет.

6. Основные характеристики процессоров

Все процессоры, независимо от производителя, отличаются количеством ядер, потоков, частотой, объемом кэш-памяти, частотой поддерживаемой оперативной памяти, наличием встроенного видеоядра и некоторыми другими параметрами.

6.1. Количество ядер

Количество ядер оказывает наибольшее влияние на производительность процессора. Офисному или мультимедийному компьютеру необходим как минимум 2-ядерный процессор. Если компьютер предполагается использовать для современных игр, то ему нужен процессор минимум с 4 ядрами. Процессор с 6-8 ядрами подойдет для монтажа видео и тяжелых профессиональных приложений. Наиболее мощные процессоры могут иметь 10-18 ядер, но стоят они очень дорого и предназначены для сложных профессиональных задач.

6.2. Количество потоков

Технология гиперпоточности (Hyper-treading) позволяет каждому ядру процессора обрабатывать 2 потока данных, что значительно увеличивает производительность. Многопоточными процессорами являются Intel Core i7,i9, некоторые Core i3 и Pentium (G4560, G46xx), а также большинство AMD Ryzen.

Процессор с 2 ядрами и поддержкой Hyper-treading по производительности близок к 4-ядерному, а с 4 ядрами и Hyper-treading — к 8-ядерному. Например, Core i3-6100 (2 ядра / 4 потока) в два раза мощнее 2-ядерного Pentium без Hyper-treading, но все же несколько слабее честного 4-ядерника Core i5. Но процессоры Core i5 не поддерживают Hyper-treading, поэтому значительно уступают процессорам Core i7 (4 ядра / 8 потоков).

Процессоры Ryzen 5 и 7 имеют 4/6/8 ядер и соответственно 8/12/16 потоков, что делает их королями в таких задачах как монтаж видео. В новом семействе процессоров Ryzen Threadripper есть процессоры до 16 ядер и 32 потоков. Но есть младшие процессоры из серии Ryzen 3, которые не являются многопоточными.

Современные игры также научились использовать многопоточность, так что для мощного игрового ПК желательно брать Core i7 (на 8-12 потоков) или Ryzen (на 8-12 потоков). Также неплохим выбором по соотношению цена/производительность будут новые 6-ядерные процессоры Core-i5.

6.3. Частота процессора

Производительность процессора также сильно зависит от его частоты, на которой работают все ядра процессора.

Простому компьютеру для набора текста и доступа в интернет в принципе хватит процессора с частотой около 2 ГГц. Но есть много процессоров с частотой около 3 ГГц, которые стоят примерно столько же, поэтому экономить здесь нецелесообразно.

Мультимедийному или игровому компьютеру среднего класса подойдет процессор с частотой около 3.5 ГГц.

Для мощного игрового или профессионального компьютера требуется процессор с частотой ближе к 4 ГГц.

В любом случае чем выше частота процессора, тем лучше, а там смотрите по финансовым возможностям.

6.4. Turbo Boost и Turbo Core

У современных процессоров существует понятие базовой частоты, которая указывается в характеристиках просто как частота процессора. Об этой частоте мы и говорили выше.

У процессоров Intel Core i5,i7,i9 есть также понятие максимальной частоты в Turbo Boost. Это технология, которая автоматически увеличивает частоту ядер процессора при высокой нагрузке для увеличения производительности. Чем меньше ядер использует программа или игра, тем больше увеличивается их частота.

Например, у процессора Core i5-2500 базовая частота 3.3 ГГц, а максимальная частота в Turbo Boost 3.7 ГГц. Под нагрузкой, в зависимости от количества используемых ядер, частота будет увеличиваться до следующих значений:

• 4 активных ядра — 3.4 ГГц
• 3 активных ядра — 3.5 ГГц
• 2 активных ядра — 3.6 ГГц
• 1 активное ядро — 3.7 ГГц

У процессоров AMD серий A, FX и Ryzen есть аналогичная технология автоматического разгона процессора, называемая Turbo Core. Например, у процессора FX-8150 базовая частота 3.6 ГГц, а максимальная частота в Turbo Core 4.2 ГГц.

Для того, чтобы технологии Turbo Boost и Turbo Core работали, нужно чтобы процессору хватало питания и он не перегревался. Иначе процессор не будет поднимать частоту ядер. Значит блок питания, материнская плата и кулер должны быть достаточно мощными. Также работе этих технологий не должны препятствовать настройки BIOS материнской платы и настройки электропитания в Windows.

В современных программах и играх используются все ядра процессора и прибавка производительности от технологий Turbo Boost и Turbo Core будет небольшая. Поэтому при выборе процессора лучше ориентироваться на базовую частоту.

6.5. Кэш-память

Кэш-памятью называется внутренняя память процессора, необходимая ему для более быстрого выполнения вычислений. Объем кэш-памяти так же оказывает влияние на производительность процессора, но в гораздо меньшей мере чем количество ядер и частота процессора. В разных программах это влияние может варьироваться в диапазоне 5-15%. Но процессоры с большим объемом кэш-памяти стоят значительно дороже (в 1,5-2 раза). Поэтому такое приобретение не всегда экономически целесообразно.

Кэш-память бывает 4-х уровней:

Кэш 1-го уровня имеет маленький размер и при выборе процессора на него обычно не обращают внимания.

Кэш 2-го уровня является самым главным. В слабых процессорах типичным является наличие 256 килобайт (Кб) кэш-памяти 2-го уровня на ядро. Процессоры, предназначенные для компьютеров средней производительности, имеют 512 Кб кэш-памяти 2-го уровня на ядро. Процессоры для мощных профессиональных и игровых компьютеров должны оснащаться не менее 1 мегабайта (Мб) кэш-памяти 2-го уровня на каждое ядро.

Кэш 3-го уровня имеют не все процессоры. Самые слабые процессоры для офисных задач могут иметь до 2 Мб кэша 3-го уровня, либо вообще его не имеют. Процессоры для современных домашних мультимедийных компьютеров должны иметь 3-4 Мб кэш-памяти 3-го уровня. Мощные процессоры для профессиональных и игровых компьютеров должны иметь 6-8 Мб кэш-памяти 3-го уровня.

Кэш 4-го уровня имеют только некоторые процессоры и если он есть, то это хорошо, но в принципе не обязательно.

Если процессор имеет кэш 3 или 4 уровня, то на размер кэша 2-го уровня можно не обращать внимания.

6.6. Тип и частота поддерживаемой оперативной памяти

Разные процессоры могут поддерживать разные типы и частоту оперативной памяти. Это нужно учитывать в дальнейшем при выборе оперативки.

Устаревающие процессоры могут поддерживать оперативную память DDR3 с максимальной частотой 1333, 1600 или 1866 МГц.

Современные процессоры поддерживают память DDR4 с максимальной частотой 2133, 2400, 2666 МГц или более и часто для совместимости память DDR3L, которая отличается от обычной DDR3 пониженным напряжением с 1.5 до 1.35 В. Такие процессоры смогут работать и с обычной памятью DDR3, если у вас она уже есть, но производители процессоров это не рекомендуют из-за повышенной деградации контроллеров памяти, рассчитанных на DDR4 с еще более низким напряжением 1.2 В. Кроме того, под старую память нужна еще и старая материнка со слотами DDR3. Так что лучший вариант это продать старую память DDR3 и переходить на новую DDR4.

На сегодня самой оптимальной по соотношению цена/производительность является память DDR4 с частотой 2400 МГц, которую поддерживают все современные процессоры. Иногда не на много дороже можно купить память с частотой 2666 МГц. Ну а память на 3000 МГц будет стоить уже значительно дороже. Кроме того, процессоры не всегда стабильно работают с высокочастотной памятью.

Также нужно учитывать какую максимальную частоту памяти поддерживает материнская плата. Но частота памяти оказывает сравнительно небольшое влияние на общую производительность и гнаться за этим особо не стоит.

Часто у пользователей, которые начинают разбираться в компьютерных комплектующих, возникает вопрос относительно наличия в продаже модулей памяти с гораздо более высокой частотой, чем официально поддерживает процессор (2666-3600 МГц). Для работы памяти на такой частоте нужно, чтобы материнская плата имела поддержку технологии XMP (Extreme Memory Profile). XMP автоматически повышает частоту шины, чтобы память работала на более высокой частоте.

6.7. Встроенное видеоядро

Процессор может иметь встроенное видеоядро, что позволяет сэкономить на покупке отдельной видеокарты для офисного или мультимедийного ПК (просмотр видео, простейшие игры). Но для игрового компьютера и монтажа видео нужна отдельная (дискретная) видеокарта.

Чем дороже процессор, тем мощнее встроенное видеоядро. Среди процессоров Intel cамое мощное встроенное видео у Core i7, затем i5, i3, Pentium G и Celeron G.

У процессоров AMD A-серии на сокете FM2+ встроенное видеоядро мощнее, чем у процессоров Intel. Самое мощное у A10, затем A8, A6 и A4.

У процессоров FX на сокете AM3+ нет встроенного видеоядра и на их основе раньше собирали недорогие игровые ПК с дискретной видеокартой среднего класса.

Также нет встроенного видеоядра у большинства процессоров AMD серий Athlon и Phenom, а те у которых оно есть на очень старом сокете AM1.

У процессоров Ryzen с индексом G есть встроенное видеоядро Vega, которое в два раза мощнее, чем видеоядро процессоров прошлого поколения из серий A8, A10.

Если вы не собираетесь покупать дискретную видеокарту, но все-таки хотите время от времени поиграть в нетребовательные игры, то лучше отдать предпочтение процессорам Ryzen G. Но не рассчитывайте, что встроенная графика потянет требовательные современные игры. Максимум на что она способна это онлайн игры и некоторые хорошо оптимизированные игры на низких или средних настройках графики в разрешении HD (1280×720), в некоторых случаях Full HD (1920×1080). Посмотрите тесты нужного вам процессора на Youtube и поймете подходит ли он вам.

7. Другие характеристики процессоров

Также процессоры характеризуются такими параметрами как техпроцесс изготовления, энергопотребление и тепловыделение.

7.1. Техпроцесс изготовления

Техпроцессом называется технология, по которой производятся процессоры. Чем современнее оборудование и технология производства, тем техпроцесс тоньше. От техпроцесса, по которому изготовлен процессор, сильно зависит его энергопотребление и тепловыделение. Чем техпроцесс тоньше, тем процессор будет экономичнее и холоднее.

Современные процессоры изготавливаются по технологическому процессу от 10 до 45 нанометров (нм). Чем меньше это значение, тем лучше. Но в первую очередь ориентируйтесь на энергопотребление и связанное с ним тепловыделение процессора, о чем пойдет речь дальше.

7.2. Энергопотребление процессора

Чем больше количество ядер и частота процессора, тем больше его энергопотребление. Так же энергопотребление сильно зависит от техпроцесса изготовления. Чем техпроцесс тоньше, тем энергопотребление ниже. Главное, что нужно учесть это то, что мощный процессор нельзя устанавливать на слабую материнскую плату и ему потребуется более мощный блок питания.

Современные процессоры потребляют от 25 до 220 Ватт. Этот параметр можно прочесть на их упаковке или на сайте производителя. В параметрах материнской платы так же указывается на какое энергопотребление процессора она рассчитана.

7.3. Тепловыделение процессора

Тепловыделение процессора принято считать равным его максимальному энергопотреблению. Оно так же измеряется в Ваттах и называется температурным пакетом «Thermal Design Power» (TDP). Современные процессоры обладают TDP в диапазоне 25-220 Ватт. Старайтесь выбирать процессор с более низким TDP. Оптимальный диапазон TDP 45-95 Вт.

8. Как узнать характеристики процессоров

Все основные характеристики процессора, такие как количество ядер, частота и объем кэш-памяти обычно указываются в прайсах продавцов.

Все параметры того или иного процессора можно уточнить на официальных сайтах производителей (Intel и AMD):

По номеру модели или серийному номеру очень легко найти все характеристики любого процессора на сайте:

Или просто введите номер модели в поисковой системе Google или Яндекс (например, «Ryzen 7 1800X»).

9. Модели процессоров

Модели процессоров меняются ежегодно, поэтому здесь я не буду их все приводить, а приведу только серии (линейки) процессоров, которые меняются реже и по которым вы легко сможете ориентироваться.

Я рекомендую приобретать процессоры более современных серий, так как они производительнее и поддерживают новые технологии. Номер модели, который идет после названия серии, тем выше, чем больше частота процессора.

9.1. Линейки процессоров Intel

Старые серии:

• Celeron – для офисных задач (2 ядра)
• Pentium – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)

Современные серии:

• Celeron G – для офисных задач (2 ядра)
• Pentium G – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)
• Core i3 – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2-4 ядра)
• Core i5 – для игровых ПК среднего класса (4-6 ядер)
• Core i7 – для мощных игровых и профессиональных ПК (4-10 ядер)
• Core i9 – для сверхмощных профессиональных ПК (12-18 ядер)

Все процессоры Core i7, i9, некоторые Core i3 и Pentium поддерживают технологию Hyper-threading, что значительно увеличивает производительность.

9.2. Линейки процессоров AMD

Старые серии:

• Sempron – для офисных задач (2 ядра)
• Athlon – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)
• Phenom – для мультимедийных и игровых ПК среднего класса (2-4 ядра)

Устаревающие серии:

• A4, А6 – для офисных задач (2 ядра)
• A8, A10 – для офисных задач и простых игр (4 ядра)
• FX – для монтажа видео и не очень тяжелых игр (4-8 ядер)

Современные серии:

• Ryzen 3 – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (4 ядра)
• Ryzen 5 – для монтажа видео и игровых ПК среднего класса (4-6 ядер)
• Ryzen 7 – для мощных игровых и профессиональных ПК (4-8 ядер)
• Ryzen Threadripper – для мощных профессиональных ПК (8-16 ядер)

Процессоры Ryzen 5, 7 и Threadripper являются многопоточными, что при большом количестве ядер делает их отличным выбором для монтажа видео. Кроме того есть модели с индексом «X» в конце маркировки, которые имеют более высокую частоту.

9.3. Перезапуск серий

Стоит так же отметить, что иногда производители делают перезапуск старых серий на новые сокеты. Например, у Intel сейчас это Celeron G и Pentium G со встроенной графикой, у AMD обновленные линейки процессоров Athlon II и Phenom II. Эти процессоры немного уступают своим более современным собратьям в производительности, но значительно выигрывают в цене.

9.4. Ядро и поколение процессоров

Вместе со сменой сокетов обычно меняется и поколение процессоров. Например, на сокете 1150 были процессоры 4-го поколения Core i7-4xxx, на сокете 2011-3 — 5-го поколения Core i7-5xxx. При переходе на сокет 1151 появились процессоры 6-го поколения Core i7-6xxx.

Также бывает, что поколение процессора меняется без смены сокета. Например, на сокете 1151 вышли процессоры 7-го поколения Core i7-7xxx.

Смена поколений вызвана усовершенствованием электронной архитектуры процессора, называемой также ядром. Например, процессоры Core i7-6xxx построены на ядре с кодовым названием Skylake, а пришедшие к ним на смену Core i7-7xxx на ядре Kaby Lake.

Ядра могут иметь различные отличия от довольно весомых, до чисто косметических. Например, Kaby Lake отличается от предыдущего Skylake обновленной встроенной графикой и блокировкой разгона по шине процессоров без индекса K.

Аналогичным образом происходит смена ядер и поколений процессоров AMD. Например, процессоры FX-9xxx пришли на смену процессорам FX-8xxx. Основное их отличие это значительно возросшая частота и как следствие тепловыделение. А вот сокет не поменялся, а остался старый AM3+.

У процессоров AMD FX было множество ядер, последние из которых Zambezi и Vishera, но на смену им пришли новые значительно более совершенные и производительные процессоры Ryzen (ядро Zen) на сокете AM4 и Ryzen (ядро Threadripper) на сокете TR4.

10. Разгон процессора

Процессоры Intel Core с индексом «K» в конце маркировки имеют более высокую базовую частоту и разблокированный множитель. Их легко разгонять (повышать частоту) для увеличения производительности, но потребуется более дорогая материнская плата на чипсете Z-серии.

Все процессоры AMD FX и Ryzen можно разгонять путем изменения множителя, но разгонный потенциал у них поскромнее. Разгон процессоров Ryzen поддерживают материнские платы на чипсетах B350, X370.

В целом возможность разгона делает процессор более перспективным, так как в будущем при небольшой нехватке производительности его можно будет не менять, а просто разогнать.

11. Упаковка и кулер

Процессоры, в конце маркировки которых присутствует слово «BOX», упакованы в качественную коробку и могут продаваться в комплекте с кулером.

Но некоторые более дорогие боксовые процессоры могут не иметь кулера в комплекте.

Если в конце маркировки написано «Tray» или «ОЕМ», это значит, что процессор упакован в маленький пластиковый лоточек и кулера в комплекте нет.

Процессоры начального класса типа Pentium проще и дешевле приобрести в комплекте с кулером. А вот процессор среднего или высокого класса часто выгоднее купить без кулера и отдельно подобрать для него подходящий кулер. По стоимости выйдет примерно столько же, а по охлаждению и уровню шума будет значительно лучше.

12. Настройка фильтров в интернет-магазине

1. Зайдите в раздел «Процессоры» на сайте продавца.
2. Выберете производителя (Intel или AMD).
3. Выберите сокет (1151, AM4).
4. Выберите линейку процессоров (Pentium, i3, i5, i7, Ryzen).
5. Отсортируйте выборку по цене.
6. Просматривайте процессоры, начиная с более дешевых.
7. Покупайте процессор с максимально возможным количеством потоков и частотой, устраивающий вас по цене.

Таким образом, вы получите оптимальный по соотношению цена/производительность процессор, удовлетворяющий вашим требованиям за минимально возможную стоимость.

13. Ссылки

Процессор Intel Core i7 8700
Процессор Intel Core i5 8600K
Процессор Intel Pentium G4600

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Чарльз Бэббидж

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор - это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение - арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент - арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением - устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S - выходом, C - переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации - регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр - минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set - Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) - это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической - SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической - конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды - это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические : сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические : И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные : move , input , outptut , load и store .
• Команды перехода : goto , if ... goto , call и return .
• Команда останова : halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота - количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц - миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000> . Первые 4 бита - код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A - поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 (0010) в регистр B .
3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Шина

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Кэш

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.