Как на самом деле производят процессоры

Периферийные устройства компьютера

Как говорит википедия:

Периферийные устройства — это аппаратура, которая позволяет вводить информацию в компьютер или выводить её из него. Периферийные устройства являются не обязательными для работы системы и могут быть отключены от компьютера.

Но, я с ней не согласен. К примеру, без монитора нам и компьютер не нужен, а без клавиатуры не каждый сможет включить компьютер, без мышки смогут обойтись только самые опытные пользователи, а без динамиков ничего не посмотришь и не послушаешь. Это еще далеко не все устройства, поэтому давайте рассмотрим каждое из них отдельно.

Монитор персонального компьютера

Немного повторюсь – без монитора компьютер нам не нужен, иначе мы не увидим, что там происходит. Возможно в дальнейшем придумают какую-то голограмму или специальные очки, но пока что это лишь моя больная фантазия).

Монитор подключается в видеокарту специальным кабелем, которых бывает 2 типа VGA (устарелый разъем) и HDMI. HDMI обеспечивает лучшее изображение, а так же параллельно изображению передает звук. Так что, если в вашем мониторе есть встроенные колонки и он имеет высокое разрешение, вам обязательно нужно использовать HDMI кабель.

Клавиатура

Клавиатура нужна для ввода информации, вызова команд и выполнения действий. Клавиатуры бывают разные: обычные, бесшумные, мультимедийные и геймерские.

1. Обычные – самая простая клавиатура, на которой только стандартные кнопки.
2. Бесшумные – резиновые/силиконовые клавиатуры, при работе с которыми не слышно ни одного звука.
3. Мультимедийные. Кроме стандартных кнопок клавиатура имеет дополнительные клавиши для управления аудио/видео файлами, громкостью, тачпад (возможно), и остальное.
4. Геймерские – Дополнительные кнопки для разных игр, основные кнопки для игры имеют другой цвет и другие плюшки.

Мышь

Основная задача компьютерной мыши — это управление/передвижение курсора на экране. Так же выбирать и открывать файлы/папки и вызывать меню правой кнопкой.

Сейчас существует много самых разных мышек для компьютера. Бывают беспроводные, маленькие, большие, с дополнительными кнопками для удобства, но основная её функция осталось прежней спустя десятилетия.

Акустическая система

Как было сказано выше, акустическая система подключается к звуковой карте. Через звуковую передаться сигнал на колонки, и Вы слышите, о чем говорят в видео и поют в песне. Акустика бывает разной, но без какой либо, компьютер со всеми своими возможностями становиться обычным рабочим инструментом, перед которым скучно проводить время.

МФУ – Многофункциональные устройства

МФУ больше необходим для офиса и учебы. Обычно содержит: сканер, принтер, ксерокс. Хоть это все в одном устройстве, выполняют они абсолютно разные задачи:

1. Сканер – делает точную копию фотографии/документа в электронном варианте.
2. Принтер – распечатывает электронную версию документа, фотографии, картинки на бумагу.
3. Ксерокс – Делает точную копию с одной бумаги на другую.

Какой процессор выбрать и на что он будет способен?

Основными производителями процессоров для настольных ПК (в том числе ноутбуков) являются Intel и AMD. Обе компании каждый год выпускают все новые процессоры с лучшим быстродействием и уникальными технологиями. С одной стороны, это хорошо — прогресс не стоит на месте, и есть движение вперед. Но вместе с новыми возможностями меняются и сокеты на материнских платах, а значит апгрейд ведет к почти полной замене и других комплектующих, материнской платы, памяти и даже дисковых накопителей. Хотя интерфейс последних и совместим с новыми и старыми CPU, скорости копирования со временем перестают удовлетворять текущим потребностям. Однако, апгрейд в ноутбуке порой сводится лишь к добавлению планок оперативной памяти и замене HDD на SSD.

Что касается ноутбуков, то, как известно, процессоры в них не сменные и апгрейду не подлежат. А значит, если вы покупаете такое устройство, то выбирать стоит сразу с заделом на несколько лет вперед.

В связи с этим, если вы не готовы тратиться на мощный аппарат сегодня, будьте готовы к тому, что уже через три года ваш ноутбук, ориентированный на выполнение офисных задач, сильно устареет и будет раздражать вас медлительностью в других областях, например, в браузере или обновленной Windows.

Но сначала разберемся с диодом

Вдыхаем!

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.

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.

Эффект «узкого горлышка»

Надо сказать, что сочетание процессора и видеокарты нужно подбирать правильно. В противном случае вы можете столкнуться с таким явлением, как узкое место. В переводе с английского это означает «узкое место». Давайте выясним, что это такое и почему возникает. ЦП является важным модулем компьютера, и если он полностью загружен, а видеокарта еще не установлена, это называется эффектом узкого места, когда производительность компьютера ограничивается мощностью процессора, а не видеокартой. Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо выбирать более мощный процессор, чем тот, который подходит для видеокарты.

Что делают транзисторы в процессорах

Любое вычислительное устройство, будь то компьютер, смартфон или ваши AirPods, работает в двоичной системе счисления. То есть все операции записываются, просчитываются и выводятся в последовательности нулей и единиц.

Транзистор в процессоре можно представить в роли своеобразного переключателя. Если ток через него проходит — это 1, если нет — то это 0. И таких переключателей в современных процессорах миллиарды. Разная последовательность нулей и единиц образует информацию — программы, музыку, картинки, видео и даже этот текст. Раньше роль транзисторов в первых ЭВМ выполняли вакуумные лампы.

Например, в ENIAC (это первый компьютер общего назначения) использовалось 17,5 тысяч вакуумных ламп. На этом компьютере производили вычисления для создания водородной бомбы, а ещё составляли прогнозы погоды и решали задачи из математики и физики. Суммарное энергопотребление этих 17 с половиной тысяч вакуумных ламп составляло целых 150 кВт, а сама ЭВМ требовала площадь для её сборки в 167 квадратных метров при весе в 27 тонн.

Само собой, всё это очень ограничивало технические возможности таких компьютеров, благо в январе 1959 года Роберт Нойс, по совместительству один из восьми основателей легендарной компании Fairсhild Semiconductor Company в Кремниевой долине, изобрёл интегральную схему на основе кремния, принципы которой легли в основу производства всех микропроцессоров.

Характеристики процессора: тип техпроцесса

Развитие компьютерной техники принято связывать с появлением по мере совершенствования вычислительных технологий новых поколений ЭВМ. При этом, не считая показателей производительности, одним из критериев отнесения компьютера к тому или иному поколению может считаться его абсолютный размер. Самые первые ЭВМ были сопоставимы по величине с многоэтажным домом. Компьютеры второго поколения были сопоставимы по величине, к примеру, с диваном или пианино. ЭВМ следующего уровня уже были вплотную приближены к тем, что привычны для нас сейчас. В свою очередь, современные ПК — это компьютеры четвертого поколения.

Собственно, к чему все это? Дело в том, что в ходе эволюции ЭВМ сформировалось неофициальное правило: чем более технологично устройство, тем меньшими габаритами при той же производительности, а то и при большей — оно обладает. Оно в полной мере действует и в отношении рассматриваемой характеристики центрального процессора, а именно, техпроцесса его изготовления. В данном случае имеет значение расстояние между единичными кремниевыми кристаллами, формирующими структуру микросхемы. Чем оно меньше — тем больше плотность соответствующих элементов, которые размещает на себе плата центрального процессора. Тем более производительным он, соответственно, может считаться. Современные процессоры выполняются по техпроцессу 90-14 нм. Данный показатель имеет тенденцию к постепенному уменьшению.

У нас же есть конечный автомат, зачем нам что-то еще?

Часто можно услышать такие рассуждения: «Для обработки чего-то сложного 16-битного или 32-битного, конечно, применим процессор. Но вот для чего-то мелкого зачем нам эти программы, ассемблеры и т. д. У нас же есть конечный автомат, ну и еще пригоршня триггеров. Обойдемся и этим».

Чтобы сравнить микроконтроллер с конечным автоматом, необходимо сравнить трудоемкость следующих работ:

• Чтобы в новом проекте реализовать заданную последовательность действий, можно либо каждый раз заново создавать конечный автомат, либо взять уже готовый микроконтроллер, адаптировать его к заданным условиям, и, написав небольшую программу, запустить. Причем написание программы для микроконтроллера намного проще написания конечного автомата на языках AHDL, VHDL и так далее.
• Чтобы изменить алгоритм работы конечного автомата, необходимо его полностью переписывать, что требует много времени и сил, в микроконтроллере достаточно изменить микропрограмму.
• Чтобы исправить ошибку в конечном автомате, необходимо переработать весь проект, в котором описан автомат, а в варианте микроконтроллера можно только переписать программу.
• Конечный автомат должен иметь ограниченное количество состояний, так как это требует дополнительных логических ячеек, в то время как микроконтроллер по количеству состояний ограничен только объемом памяти программ, а это на несколько порядков больше.
• И последнее, но очень существенное добавление. Конечный автомат при увеличении количества состояний становится все более и более медленнодействующим, так как рост числа дополнительных логическихячеек приводит к увеличению времени прохождения сигнала. Каждое изменение автомата может привести к необходимости повторной верификации проекта.

Команды, выполняемые микропроцессором, определены по времени выполнения и не зависят от программы, выполняемой на данном процессоре. Поэтому микропроцессор обычно выполняется с требуемым быстродействием, и это быстродействие не зависит от конкретного применения, от изменений илидоработок программы при отладке.

Если интерес к этой теме еще не пропал, то не стоит дожидаться, пока статический автомат в ваших устройствах разрастется в жуткого «монстра», при доработках и отладках, и от него придется отказаться. Тогда все остальное в этой статье тоже должно быть интересно и для вас.

А вы будете играть на компьютере?

Следующий момент, с которым нужно заранее определиться: игровое будущее компьютера. Для «Весёлой фермы» и других простеньких онлайн-игр подойдёт любая встроенная графика. Если покупать дорогую видеокарту в планы не входит, но поиграть хочется, тогда нужно брать процессор с нормальным графическим ядром Intel Graphics 530/630/Iris Pro, AMD Radeon RX Vega Series. Пойдут даже современные игры в Full HD 1080p разрешении на минимальных и средних настройках качества графики. Можно играться в World of Tanks, GTA, Доту и другие.

Если будет докуплена мощная видеокарта, то есть смысл брать процессор без встроенной графики вовсе, и сэкономить на этом (либо получить больше мощности за ту же цену). Круг можно сузить таким образом:

• У AMD процессоры серии FX для платформы AM3+ и гибридные решения A12/10/8/6/4, а также Athlon X4 под FM2+/AM4
• У Intel — процессоры серии SkyLake и Kaby Lake для платформ LGA1151 и LGA2066 и устаревающие BroadWell-E для LGA2011-v3 (есть всего несколько моделей).

Ещё тут нужно учесть, что мощной видеокарте и процессор нужен под стать. Чётких ответов на вопросы типа «какой нужен процессор на эту видеокарту» я не дам. Этот вопрос нужно изучать самостоятельно, читая соответствующие обзоры, тесты, сравнения, форумы. Но дам пару рекомендаций.

Во-первых, нужен процессор минимум 4-х ядерный. Ещё больше ядер не сильно добавят fps в играх. При этом, оказывается, что 4-х ядерники AMD лучше подходят для игр, чем 2-х ядерные Intel при такой же или даже меньшей цене.

Во-вторых, можно ориентироваться так: стоимость процессора равна стоимости видеокарты. На самом деле, не смотря на десятки моделей, сделать правильный выбор не сложно.

Популярные модели компьютерных процессоров

Intel Core i5-8600K

Процессор имеет 6 ядер и то же количество потоков. Тактовая частота – 3,6 Ггц, которую в турбо-режиме можно ускорить до 4,3 Ггц, а разблокированный множитель позволит вам разогнать процессор до более высоких значений.

Кроме того, он оснащен 9 МБ кэш-памяти L3 и интегрированным графическим процессором Intel UHD 630.

Intel Core i5-9600K

Это процессор 9 поколения Intel Core, выполненный по 14-нанометровому техпроцессу. Оснащен 6 ядрами и 6 потоками, что обеспечивает отличную производительность в играх и программах.

С тактовой частотой 3,7 Ггц, которая в режиме turbo ускоряется до 4,6 Ггц. Кроме того, разблокированный множитель открывает возможности разгона процессора.

Intel Core i5-8500

Это процессор с блокированным множителем, а значит его нельзя разогнать.

Имеет 6 ядер и тактовую частоту 3.0 Ггц, которая в режиме turbo ускоряется до 4.1 Ггц. Отличный выбор, если вы собираете компьютер для игр, который не планируете разгонять.

Intel Core i5-7400

Это мощный 4-ядерный процессор. Оснащен 6 МБ кэш-памяти и тактовой частотой в режиме turbo достигающей 3,5 Ггц.

Процессор не имеет разблокированного множителя, так что его разгон будет невозможен.

Intel Core i7-8700K

Это мощный процессор имеет 6 ядер и 12 потоков. Базовая тактовая частота 3,7 Ггц, а в турбо-режиме – 4,7 Ггц.

Более того, разблокированный множитель позволяет выжать из системы ещё больше.

Intel Core i9-9900K

Процессор Intel Core 9 поколения имеет 8 ядер и 16 потоков. Кроме того, поддерживает 16 МБ кэш-памяти.

Тактовая частота этой модели составляет 3,6 Ггц, а в турбо-режиме до 5,0 Ггц. Кроме того, благодаря разблокированному множителю этот процессор можно ещё разогнать.

AMD Ryzen 5 1600X

Это мощная 6-ядерная и 12-поточная система с 16 МБ кэш-памяти.

Частота этого процессора в режиме turbo достигает 4,0 Ггц. Помните, однако, что этот процессор не имеет встроенной графической системы.

AMD Ryzen 5 2600

Этот процессор обеспечивает высокую производительность в играх и программах. Имеет 6 ядер и 12 потоков, с базовой тактовой частотой 3,40 Ггц, а в режиме turbo ускоряется до 3,90 Ггц.

Более того, в коробке вы найдете также охлаждение, которое отлично справится с отводом тепла от этой системы.

AMD Ryzen 3 2200G

4 ядра, 4 потока, 4 МБ кэш-памяти. Частота этого процессора достигают 3,70 Ггц в режиме turbo.

Кроме того, эта система имеет встроенный графический процессор AMD Radeon RX Vega 8. Как и другие процессоры этой серии, является хорошим выбором для игры на компьютерах без внешней видеокарты.

Лучшие процессоры AMD Ryzen

Модели этой серии предназначены для установки в материнские платы с сокетом типа АМ4 или PGA, который поддерживает 1331 контакт. Выпускают устройства в квадратном или прямоугольном корпусе. Сравнение процессоров AMD Ryzen и Intel указывает на высокую производительность первых в многопоточных задачах. Результаты тестирования позволили выделить из 5 номинантов 2 лучших модели среднего и премиум класса.

AMD Ryzen 5 Pinnacle Ridge

Достоинства

• Низкий уровень энергопотребления;
• 12 потоков;
• Поддержка 64-разрядной версии ОС;
• Средняя цена;
• Интеллектуальная настройка производительности с учетом нагрузки процессора;
• Быстрая загрузка игр и приложений;
• Управление ресурсоемкими задачами в виртуальной реальности.

Недостатки

Слабый боксовый кулер.

Пользователи высоко оценивают характеристики процессора AMD, модель рекомендуют купить 96 % респондентов. Они утверждают, что многопоточная система будет актуальной для любителей игр еще минимум 5 лет. К плюсам относят способность хорошо экономить энергию, низкую цену в сравнении с аналогами Intel.

AMD Ryzen 7 Summit Ridge

Модель из серии 3000 относят к лучшим процессорам AMD для игр. Устройство выпускают с 8 ядрами, но выполнено оно по 14 нм техпроцессу. В сравнении с предыдущим номинантом объем кэш-памяти L1, L2 немного увеличен, L3 оставлен на уровне 16 МБ. Количество ядер повлияло на число потоков, которых в это гаджете стало 16. Работает он также на базе сокет АМ4 с частотой 3 – 3,7 ГГц. Технология Precision Boost 2 автоматически обеспечивает повышение частоты номинанта топа для улучшения его производительности в нужный момент.

Достоинства

• Мощный кулер с LED-подсветкой;
• Быстрый запуск игровых программ;
• Высокопроизводительная архитектура;
• Увеличенная пропускная способность;
• Эффективная система охлаждения;
• Хорошая виртуализация графики.

Недостатки

• Не предусмотрена защита от перегрева;
• Высокая цена.

Гаджет устроен так, что ведет себя как 2 процессора с 4 ядрами и 8 потоками каждый. Эти комплексы соединены коммуникационной магистралью шириной 22 ГБ/с. Внутри ядра контактируют через L3 шириной 175 Гб/с. Если третье запрашивает информацию с 4, то возникают проблемы. Их не видит планировщик Windows, поэтому производительность падает. К остальным характеристикам претензий у пользователей нет.

Цикл выполнения команд — Декодирование

Когда процессор получает команду, ему нужно точно определить тип этой команды. Данный процесс называется декодированием. Каждая команда обладает особым набором битов, опкодом, который дает возможность процессору распознать ее тип. Примерно по тому же принципу работает распознавание компьютером различных расширений файлов. К примеру, .jpg и .png — форматы изображений, но каждый из них обрабатывает данные по-разному, поэтому компьютеру и нужно точно распознавать их тип.

Стоит отметить, что сложность декодирования может зависеть от того, насколько продвинутой является архитектура набора команд процессора. У архитектуры RISC-V, к примеру, несколько десятков команд, а у x86 — несколько тысяч. У типичного процессора Intel x86 процесс декодирования является одним из сложнейших и занимает огромное количество памяти. Чаще всего процессоры декодируют команды, связанные с памятью, арифметическими вычислениями и переходом. 

Возможно, вам также будет интересно

Введение Процессоры с ядрами ARM сейчас достаточно популярны в среде разработчиков мобильных устройств и встраиваемых систем различного применения. Самые массовые из них — это мобильные телефоны, смартфоны, коммуникаторы, мультимедийные устройства. Архитектура обладает такими привлекательными свойствами, как удобная и эффективная система команд, мощная поддержка при разработке не только аппаратной базы, но и программного обеспечения, высокая энергоэффективность.

Статья посвящена обзору микросхем компании STMicroelectronics, разработанных для реализации современных стандартов интерфейсов в области передачи данных. Основное внимание уделяется технологиям интерфейсов RS-485 и LVDS. Все статьи цикла: Интерфейсные микросхемы компании STMicroelectronics и особенности их применения. Часть 1 Интерфейсные микросхемы компании STMicroelectronics и особенности их применения. Часть 2 Стремительное развитие технологии передачи данных сопровождается появлением новых

Японская корпорация Yokogawa Electric Corporation ведет свою историю с 1915 года. Тогда архитектор Тамисуке Иокогава (Tamisuke Yokogawa) открыл в Токио исследовательский институт электроизмерительных приборов, что надолго определило профиль фирмы. В 1955 г. было подписано соглашение о техническом сотрудничестве с фирмой Foxboro (США), а в 1963 г. совместно со знаменитой фирмой Hewlett-Packard в Я понии была основана компания Yokogawa-Hewlett-Packard, Ltd., которая в 1995 г. была переименована в Hewlett-Packard, Ltd. Сейчас Yokogawa Electric Corporation по выпуску электронных осциллографов занимает четвертое место в мире, уступая лишь американским конкурентам Tektronix, Agilent Technologies и LeCroy. Однако в литературе возможности и особенности осциллографов фирмы Yokogawa не отражены, и данная статья восполняет этот пробел.

Сокет или тип разъема процессора

Процессор устанавливается в специальный раздел на материнской плате – гнездо или, как его называют, Socket (сокет). Условно можно сказать, что это срок жизни Вашей платформы или потенциал возможного развития на будущее. Номер сокета, т.е. его модель (например, Socket 775) должен совпадать с номером сокета на мат.плате, иначе установить процессор на неё не получится.

Очень часто можно столкнуться с ситуацией, когда люди пытаются сэкономить на разъеме процессора, т.е. они изначально покупают морально устаревший процессор и мат.плату, вышедшие в тираж уже довольно давно. Это плохо тем, что как только появятся новые стандарты и новый тип разъема, то, скорее всего, под старый уже не будут выпускать новые, более мощные процессоры, т.е. Вы будете ограничены в возможности апгрейда компьютера и при желании его улучшить придется менять не только процессор, но и мат.плату.

Примечание:
Сокет процессора и сокет материнской платы должны совпадать, иначе просто ничего работать не будет.

Впрочем, не всё всегда так критично, ибо, например, у AMD более гибкая политика в отношении этого вопроса. Компания даёт возможность провести безболезненный для кошелька апгрейд путем поддержки совместимости новых платформ со старыми. У каждого производителя имеются свои типы сокетов. Основными из новых и условно-новых, скажем, для Intel считаются LGA 2011, LGA 1155, LGA 775 и LGA 1156, причем два последние уже практически «канули в лету». У AMD самыми ходовыми являются разъемы AM3, Socket AM3+ и Socket FM1.

Самый простой способ отличить процессор Intel от AMD – это посмотреть на них и запомнить, что изделия от AMD всегда имеют на задней поверхности множество штырьков-контактов, с помощью которых они и вставляются в разъем материнской платы. Intel же с некоторых пор, в свою очередь, использует другое решение – контактные ножки находятся внутри разъема самой материнской платы.

Вывод. Какой процессор выбрать исходя из этого? Сокет процессора и материнской платы должны совпадать или быть обратно совместимы.

На что обратить внимание при выборе процессора

Это были 3 основных характеристики компьютерного процессора – теперь время для всего остального.

TDP процессора

Thermal Design Power – это, в теории, параметр, который указывает количество тепла выделяемое процессором, выраженное в ваттах (Вт). В теории, потому что как Intel, так и AMD используют различную методику оценки этого значения, поэтому значения в графе TDP имеют разный смысл.

AMD определяет максимальную мощность, которую процессор может принять и отдать в виде тепла. Intel определяет TDP как максимальную потребляемую мощность в виде тепла, когда процессор загружен приложениями.

В действительности, этот параметр имеет значение при выборе системы охлаждения, которая должна иметь запас производительности.

Интегрированная графическая система

Если ищите компьютер по низкой цене или предназначенный для мультимедиа, то стоит рассмотреть интегрированную графическую систему. Почти все процессоры Intel имеют встроенный процессор Intel ultra-hd Graphics, а в случае процессоров Ryzen ищите маркировку G.

Технологический процесс

По-другому называется литография. Именно от него, в значительной степени, зависит потребность в энергии и то, как много тепла будет выделять процессор. Современные процессоры Intel производятся в 12-нанометровому техпроцессу. Чипы AMD также изготовлены в литографии 12 нм, однако, обе компании используют немного другие детерминанты, и эти значения де-факто не равны.

Чем выше технологический процесс, тем больше тока будет потреблять процессор и тем больше тепла будет создавать.

Так что дают нанометры

В действительности, уменьшение техпроцесса и правда положительно влияет на такие показатели, как энергопотребление и производительность. Однако многие нюансы в производстве чипов компании не раскрывают, и найти в интернете их невозможно. А из того, что есть — создаётся впечатление о множестве противоречий.

В целом я бы советовал воспринимать цифры, которые говорят нам производители чипов, как среднее значение от всех составляющих. Так что заявлять, что производители нам врут — нельзя, но и что нанометры полностью соответствуют действительности тоже нельзя. Влияет также то, по какому формату производятся эти чипы и какие применяются материалы. В любом случае — чем меньше техпроцесс, тем лучше.

Многоядерность

Последняя особенность процессоров, которая будет рассмотрена в этой статье — то, как можно объединить несколько отдельных процессоров для получения многоядерного. Это не просто объединение нескольких копий одного ядра, ведь как нельзя просто превратить однопоточную программу в многопоточную, так нельзя и провернуть подобное с процессором. Проблема возникает из-за зависимости ядер.

В случае с четырьмя ядрами процессору необходимо отправлять команды в 4 раза быстрее. Также нужно четыре раздельных интерфейса для памяти. Именно из-за наличия нескольких ядер на одном чипе, потенциально работающих с одними и теми же частями данных, возникает проблема слаженности и согласованности их работы. Предположим, если два ядра обрабатывали команду, использующую одни и те же данные, то как процессор определяет, у которого из них правильное значение? А что, если одно ядро модифицировало данные, но они не успели вовремя дойти до второго ядра? Поскольку у них есть отдельные кэши, в которых могут храниться пересекающиеся данные, для устранения возможных конфликтов необходимо использовать сложные алгоритмы и контроллеры.

Чрезвычайно важную роль в многоядерных процессорах играет и точность прогнозирования переходов. Чем больше в процессоре ядер, тем выше вероятность того, что одной из исполняемых команд будет именно команда перехода, способная в любое время изменить общий поток задач.

Как правило, отдельные ядра обрабатывают команды из разных потоков, тем самым снижая зависимость между ядрами. Поэтому, открыв диспетчер задач, вы чаще всего видите, что  загружено лишь одно ядро процессора, а другие едва работают — многие программы попросту изначально не предназначены для многопоточности. Кроме того, могут быть определенные случаи, в которых эффективнее использовать только одно ядро процессора, а не тратить ресурсы на попытки разделить команды.

Преимущество микроспроцессора, «встроенного в FPGA»

«Встроенные в FPGA» микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе имеют главное преимущество перед обычными микроконтроллерами средней производительности: они абсолютно синхронны со всем остальным проектом, расположенным в этой же микросхеме. Если устройство, которое вы проектируете, работает в реальном времени и с большими потоками данных, которые вы должны извлекать из периферии и отдавать в периферию, то задача синхронизации становится достаточно серьезной.

Все быстрые «мелкие» микроконтроллеры работают асинхронно (относительно периферии в Altera), и не имеют аппаратного входа «Готовность», поэтому они могут синхронизироваться с периферией только программно, а для программной привязки их к синхронному проекту в Altera нужно, во-первых, несколько команд процессора, что займет несколько тактов синхрочастоты, во-вторых, это также требует ресурса микросхемы FPGA и, в-третьих, занимает довольно много места на плате.

Быстрые «крупные» процессоры имеют возможность аппаратной синхронизации по входу «Готовность», но дороги и занимают еще больше места на плате. Да и применение «крупного» процессора для небольших задач нецелесообразно. А это значит, что при том же быстродействии ядра процессора получится выигрыш по производительности в 2–3 раза.

Следующее преимущество — специализированные команды пользователя. Это значит, что проектируя микроконтроллер, пользователь может произвести предварительное программирование и определить в потоке команд, выполняемых процессором, группы наиболее часто повторяющихся команд. Если теперь группу таких команд объединить в одну специализированную команду, то быстродействие процессора для данного класса задач увеличится, а программировать его станет легче. Специализированные команды пользователя (см. например, описание команд процессора NIOS), могут быть однотактные или мгоготактные. Они могут выполняться в ALU микропроцессора или в дополнительном вычислительном блоке, подключаемом к ALU, например FFT, FIR и т. д.

Еще одно преимущество — микроконтроллер становится «невидимым». То есть микроконтроллер конечно есть, просто увидеть его уже нельзя. Это не шкаф, не каркас, не набор плат и даже не корпус микросхемы. Это теперь просто файл, который входит в другой файл. Но что удивительно, свои функции он выполняет не хуже, а часто лучше, чем его «старший брат».

И последнее, что необходимо отметить — микроконтроллер получает ту периферию и в таком количестве, как нужно пользователю.

Периферия же может быть самой экзотической: от простого UART’a и до контроллеров Ethernet MAC 10/100 или сопроцессоров DSP.

Среди библиотечных элементов, описывающих периферию для микропроцессора, доступны следующие:

• универсальный Асинхронный Приемопередатчик (UART),
• таймер,
• параллельный ввод — вывод (PIO),
• интерфейс SRAM,
• SDRAM-контроллер,
• интерфейс FLASH памяти,
• последовательный периферийный интерфейс (SPI),
• контроллер I2C,
• модулятор ширины импульса (PWM),
• IDE-контроллер диска,
• контроллер Локальной сети 10/100 Ethernet (MAC),
• контроллер USB.

Конечно, этот список далеко не полный, но он дает представление о том, какой уровень разработок библиотечных элементов достигнут. Подключив требуемые библиотечные элементы, можно сформировать необходимый для конкретного применения микроконтроллер.

Что ждать в будущем?

Летающие автомобили, киборги, путешествие со скоростью света и перемещение во времени — это всё фантастика. Но вот 3 нм или 1,4 нм чипы, вполне возможно, нет.

На сегодня известно, что Intel к 2029 году планируют освоить 1,4 нм техпроцесс, а TSMC уже начали исследование 2 нм. Для этого компании должны разработать новое оборудование для производства, обучить персонал и сделать многое другое.

Другой вопрос, что транзистор 1,4 нм по размерам сопоставим примерно с 10 атомами и это может плохо отразиться на производительности. Случайные электроны могут менять биты по несколько раз в секунду и тогда о стабильных вычислениях может не идти и речи. Может быть закон Мура уже не актуален и его эпоха просто подходит к концу, а мы ещё этого не понимаем?

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов. Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.