Что входит в состав процессора

Процессор — штука, без которой не работает ни один компьютер, телефон или сервер. Но «процессор» — это не один класс устройств, а целый зоопарк архитектур: от классической модели фон Неймана до многоядерных чипов с параллельным исполнением. Каждая архитектура решает задачи по-своему, и если вы подбираете серверные CPU или хотите разобраться, чем RISC отличается от CISC — эта статья для вас.

Архитектура фон Неймана

Джон фон Нейман описал эту модель ещё в 1945 году, и она до сих пор лежит в основе подавляющего большинства вычислительных систем. Суть простая: есть процессор, есть оперативная память, есть устройства ввода-вывода. Процессор берёт команды из памяти, выполняет их и записывает результат обратно. Команды и данные живут в одном адресном пространстве — это и сила, и слабость архитектуры одновременно.

Память состоит из ячеек для хранения информации. В составе процессора 3 компонента:

• управляющее устройство;
• арифметико-логическое;
• запоминающее.

Принцип работы прост: процессор поочередно берет команды из оперативной памяти и выполняет их.

Гарвардская архитектура

Благодаря разделению памяти для инструкций и данных на разные устройства, компьютер с такой моделью построения работает быстрее. В Гарвардской архитектуре хранилища разного назначения могут отличаться по объему. К примеру, места для инструкций может быть меньше, если они хранятся только для чтения.

В отличие от архитектуры фон Неймана, Гарвардская позволяет системе одновременно записывать данные и читать инструкцию.

Параллельная архитектура

При этой системе построения вычислительные задачи выполняются параллельно. В составе компьютера три элемента: модуль памяти, коммутирующая сеть, процессоры. Параллельная архитектура применяется при построении мощных компьютеров, в том числе серверов.

Задачи, которые решает параллельная архитектура:

• уменьшение времени на обработку команд;
• ускорение работы программ;
• повышение производительности компьютера.

Параллелизм применяется не только в компьютерах, но и во многих других системах — смартфоны, планшеты, встраиваемые контроллеры.

Мобильные процессоры

Элемент, отвечающий за быстродействие и работоспособность любого мобильного устройства — процессор. Главное отличие от компьютерных версий: все компоненты расположены на одной плате. Такая система на чипе называется SoC.

В составе мобильного процессора:

• ядра — центральное и графическое;
• декодер видео;
• оперативная память;
• интерфейс периферийных устройств.

Процессор отвечает за проведение всех вычислений, обеспечивающих корректную работу программных и аппаратных компонентов.

Процесс изготовления

Основной материал изготовления — кремний. Его расплавляют, а затем с применением специального оборудования выращивают микрокристалл цилиндрической формы. После остывания слиток разрезают на диски и полируют до зеркального блеска.

С применением методов травления и фотолитографии на эти пластины наносят интегральные схемы. После очистки и проверки работоспособности пластины разрезают на готовые процессоры, которые помещают в корпуса.

Кремний остаётся основой полупроводникового производства — его кристаллическая решётка позволяет точно управлять электрическими свойствами материала. Передовые фабрики типа TSMC и Samsung уже выпускают чипы по техпроцессам 3 нм и 2 нм, где размеры транзисторов приближаются к физическим пределам кремниевой литографии.

Производители

Рынок процессоров делится по сегментам, и в каждом — свои лидеры:

• Мобильные устройства: Apple (M-серия и A-серия), Qualcomm (Snapdragon), MediaTek (Dimensity). Samsung и HiSilicon (Kirin) теряют долю рынка, но всё ещё присутствуют.
• Десктопы: Intel (Core Ultra / Core i) и AMD (Ryzen) — тут мало что изменилось, разве что AMD заметно подвинул конкурента в производительности на ядро.
• Серверы: Intel Xeon Scalable (Sierra Forest, Granite Rapids) и AMD EPYC (Turin / Genoa). Ampere Altra — ARM-альтернатива для облачных нагрузок. NVIDIA не делает CPU общего назначения, но их Grace CPU (ARM-архитектура) используется в связке с GPU для HPC и AI-задач.

Конвейерная архитектура

Такая система устройства процессора обеспечивает высокую производительность и оперативность выполнения нескольких задач одновременно. Особенность — деление операций на микрооперации, которые обрабатываются по очереди. Фактически на выполнение одной команды тратится меньше оперативной памяти, что обеспечивает корректную работу системы при большом количестве запущенных процессов.

Метод распараллеливания в таких процессорах применяется для быстродействия и увеличения скорости инструкций. Это отличный вариант при работе с большими объёмами информации, поэтому нередко именно такими процессорами оснащают серверные компьютеры.

Суперскалярная архитектура

Особенность системы — использование нескольких кодеров в вычислительном ядре, которое осуществляет динамическое исполнение потока команд. Требуется много ресурсов для быстрого выполнения команд вычислительного характера.

Суперскалярное исполнение используется практически во всех процессорах: x86 (Intel, AMD), ARM (Apple, Qualcomm, Ampere), RISC-V. Из отечественных — «Эльбрус» формально использует VLIW, а не классическую суперскалярность (это частая путаница). SPARC и MIPS уже ушли на периферию рынка и встречаются разве что в legacy-системах.

CISC-процессоры

Такая процессорная архитектура отличается произвольной длиной команды, небольшим числом регистров (каждый из них отвечает за конкретную функцию). Кроме того, кодированием арифметических действий в одну команду.

Примеры CISC: вся линейка x86 — от Intel Core Ultra и AMD Ryzen до серверных Xeon и EPYC. IBM z-серия (мейнфреймы) тоже относится к CISC. Pentium D и Athlon — это уже музейные экспонаты, упоминать их как актуальные примеры не стоит. Главный минус CISC-подхода — сложность декодирования длинных инструкций, что усложняет конвейер и увеличивает энергопотребление.

RISC-процессоры

Отличаются коротким временем выполнения команд, простым декодированием и упрощением инструкций. За счёт последнего обеспечивается быстродействие и повышение тактовой частоты. Кроме того, в таких процессорах инструкции распределяются по нескольким блокам для повышения эффективности. Машинные инструкции имеют фиксированную длину, много регистров общего назначения (от 32).

Первый процессор RISC был создан в 60-е годы прошлого столетия. Сегодня RISC-архитектура лежит в основе ARM (доминирует в мобильных устройствах и активно заходит в серверы), RISC-V (открытая архитектура, набирающая популярность) и POWER (IBM, серверный сегмент).

MISC-процессоры

CPU характеризуются компактными процессорными ядрами и работой на высоких частотах. Несколько логических команд MISC-процессор объединяет в один машинный такт. Сама система имеет минимальный набор команд и упрощена до предела.

Процессоры применяются в стереокосмических аппаратах и других устройствах, не требующих большой мощности. К примеру, первый процессор MISC был внедрён в слуховой аппарат.

VLIW-процессоры

Характеризуются работой с командами сверхбольшой разрядности (до 1024 бит). Это большие группы команд, которые выполняются одновременно. Кроме того, процессоры могут объединять несколько простых команд в одну большую. Такая архитектура появилась в начале 80-х годов прошлого столетия.

VLIW так и не получил массового распространения в десктопном и серверном сегментах. Яркий пример — российские процессоры «Эльбрус», которые построены именно на VLIW-принципе. Intel пробовала этот подход в Itanium (IA-64), но проект закрыт. Главная проблема — компилятор должен быть «умнее» железа, а на практике это оказалось слишком сложной задачей для произвольного кода.

Многоядерные процессоры

Многоядерность означает, что в одном CPU встроено несколько процессорных ядер. Чисто внешне такие процессоры ничем не отличаются от одноядерных. В операционной системе многоядерный процессор рассматривается как несколько вычислительных блоков.

Потолок в 16 ядер — это давно пройденный этап. Десктопные Ryzen 9 и Core i9 имеют до 24 ядер. В серверном сегменте счёт идёт на сотни: AMD EPYC Turin — до 192 ядер на сокет, Intel Sierra Forest — до 288 ядер (E-cores). Утверждение «для сервера хватит 4 ядер» было спорным лет десять назад, а сейчас это откровенно мало даже для лёгких нагрузок. Количество нужных ядер зависит от задачи: базе данных важнее частота на ядро, а виртуализации и контейнерам — количество потоков.

Кэширование

Кэш-память расположена прямо в кристалле процессора. CPU извлекает из этого хранилища информацию гораздо быстрее, чем из оперативной памяти. Цель кэширования данных — обеспечить быстродействие при открытии программ и выполнении часто повторяющихся команд.

Кэш-память может предугадывать последующие действия пользователя, основываясь на повторяющихся сценариях, и заранее помещать необходимые данные в свои ячейки. По остальным функциональным характеристикам кэш-память не отличается от оперативной.

Цифровые сигнальные процессоры

DSP-микропроцессоры предназначены для обработки оцифрованных сигналов, чаще всего в режиме реального времени. Например, они могут использоваться операторами сотовой связи. Такие CPU начали свою историю в 1970-х годах.

Особенность: система определения зависимостей и составления расписания занимает гораздо больше места, чем вычислительные ресурсы процессора. DSP — один из компонентов для виртуального сервера.

Энергопотребление процессоров

В простое десктопный CPU потребляет 5–20 Вт, под нагрузкой — от 65 до 250+ Вт (TDP/PBP). Серверные процессоры ещё прожорливее: TDP у флагманских EPYC и Xeon доходит до 350–400 Вт. ARM-чипы (Ampere Altra, Apple M-серия) заметно экономичнее — 60–250 Вт при сопоставимой производительности в ряде задач. Фраза «до 100 Вт» давно не отражает реальность.

Чтобы определить энергопотребление CPU, можно использовать утилиты AIDA64, HWiNFO64 или встроенные средства мониторинга (Intel XTU, AMD Ryzen Master).

Рабочая температура процессора

Рабочая температура CPU под нагрузкой — 60–85 °C для десктопов и 65–90 °C для серверных платформ. Многие чипы имеют Tjunction (порог троттлинга) в районе 100–105 °C — при достижении этой отметки процессор сам снижает частоту. «Деформация материнской платы» — это из области катастроф; в реальности при перегреве CPU уходит в троттлинг или аварийно выключается задолго до повреждения текстолита. Но если серверный процессор стабильно работает выше 85 °C, пора чистить радиаторы или пересматривать охлаждение в стойке.

В спокойном состоянии процессор компьютера может сохранять температуру до +45 °С.

Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Процессор потребляет электроэнергию и преобразует её в тепло — это побочный продукт переключения миллиардов транзисторов. Тактовые частоты десктопных чипов достигают 5–6 ГГц в бусте, серверные работают скромнее (2–4 ГГц), но компенсируют количеством ядер.

Процессор автоматически выключается до скорости, при которой температура может упасть до некритического уровня. Впоследствии она снова увеличивается. Чтобы предотвратить или ограничить это, процессоры в компьютерах охлаждаются при помощи кулеров (радиатор и вентилятор). В серверах используются специализированные системы: высокооборотистые вентиляторы, жидкостное охлаждение, а в ЦОД-ах — прецизионные кондиционеры и фрикулинг.

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Температуру CPU можно посмотреть в UEFI (BIOS) при загрузке — обычно клавиша Del или F2, зависит от производителя платы. Но перезагружаться каждый раз неудобно, поэтому проще поставить утилиту: HWiNFO64 (подробная сенсорная информация), HWMonitor или встроенные средства вроде Intel XTU. На серверах температуру мониторят через IPMI/BMC — iDRAC у Dell, iLO у HPE, IMM у Lenovo. Это позволяет следить за термалами удалённо, не трогая ОС.

Универсальные процессоры

Такие CPU подходят для решения широкого круга задач. Например, персональный компьютер с таким процессором можно использовать для работы и учёбы, а также для игр. Универсальные процессоры способны эффективно обрабатывать единственный поток вычислительных команд. Они предназначены для управления периферийными устройствами и операциями памяти. Такие процессоры можно назвать массовыми, так как они используются большинством людей.

Специализированные процессоры

Серверные CPU — это Intel Xeon Scalable и AMD EPYC (подробное сравнение Intel и AMD для бизнеса поможет определиться с выбором). Отдельная категория — ARM-процессоры для облаков (Ampere Altra, AWS Graviton, NVIDIA Grace).. Все они заточены под многопоточные нагрузки: сотни ядер, многоканальная память, поддержка ECC и RAS-функций для отказоустойчивости.

Также существуют мобильные процессоры, которые имеют широкое распространение в смартфонах и планшетных компьютерах. А встраиваемые CPU устанавливаются в бытовой технике и электронике.

Процессор и его компоненты

CPU — это сложное электронно-вычислительное устройство, в состав которого входит пять компонентов:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — именно оно отвечает за осуществление большинства логических и математических операций.
2. Регистры АЛУ — используются для временного хранения данных.
3. Шины данных и адресные шины — каналы для передачи данных.
4. Кэш — здесь хранятся данные, необходимые для быстрого запуска приложений.
5. Устройство управления — отвечает за координацию и согласование работы устройств, связанных с процессором.

У персональных компьютеров процессор располагается в материнской плате, соединяющей все компоненты. Для CPU предусмотрен специальный сокет.

Описание и назначение процессоров

CPU — неотъемлемая часть всех электронных устройств, которые должны обеспечивать вычислительную мощность. Процессор — первый приёмник команд электронного устройства. Он регистрирует, какая задача запрашивается пользователем, и направляет её в соответствующее место.

Например, CPU в качестве блока управления считывает данные из оперативной памяти и распознаёт входящие и исходящие данные периферийных устройств. Кроме того, могут быть поставлены внутренние задачи.

Устройство процессора

CPU можно разделить на 2 механизма:

1. Вычислительная система. Здесь вводятся данные, обрабатываются и в итоге выводятся обратно.
2. Механизм управления. Он отвечает за совместную работу отдельных компонентов процессора, а также сохраняет и считывает данные из оперативной памяти и периферийного устройства.

Также процессор контролирует, правильно ли выполняются назначенные им задачи. Если что-то пошло не так, он подаёт сигнал тревоги. CPU сопоставляет выполняемые операции с их целевыми состояниями и может сделать эту проверку видимой для пользователей (например, уведомления об ошибках, индикатор хода загрузки).

Принципы работы процессора

CPU выполняет много функций на физическом уровне, каждая из которых требует соблюдения определённого алгоритма действий. Основные задачи процессора:

• передача данных между регистрами и памятью;
• исполнение арифметических операций;
• выполнение инструкций;
• управление переходами и скачивание по адресам;
• работа с кеш-памятью и регистрами.

Выполнение каждого действия проходит в четыре этапа: принятие команды, декодирование, непосредственно выполнение операции, запись данных.

Характеристики процессора

Особенности оборудования — именно та информация, которую нужно изучать и сравнивать при выборе. Главные характеристики CPU:

• Литография — размер используемого транзистора при производстве (техпроцесс в нанометрах).
• Количество ядер — чем выше показатель, тем больше задач процессор может выполнять параллельно.
• Тактовая частота — число операций в секунду, измеряется в МГц и ГГц.
• IPC (команд за такт) — характеристика удельной производительности. Два процессора с одинаковой частотой могут отличаться по IPC в разы.
• TDP (расчётная мощность) — тепловая мощность для работы без перегрева, измеряется в Вт.
• Набор инструкций — доступные команды (x86-64, AVX-512, AMX и т.д.).
• Размер кэша — буфер между ядрами и оперативной памятью. L3-кэш у десктопных процессоров составляет 32–96 МБ, у серверных — до 512 МБ (AMD EPYC с 3D V-Cache).

Производительность зависит не только от тактовой частоты, но и от IPC, размера кэша, пропускной способности оперативной памяти и количества ядер. Смотреть на одни гигагерцы — ловушка: Ryzen с 4,5 ГГц легко обгоняет старый Xeon с 3,8 ГГц за счёт архитектурных улучшений. Для серверных задач частота 2,0–3,5 ГГц — нормальный диапазон, но выбирать нужно по конкретной нагрузке.

Типы процессоров

Основной критерий для типологии процессоров — набор выполняемых команд и их порядок. Выделяются типы:

• процессоры с набором сверхдлинных команд (VLIW);
• с минимальным набором команд (MISC);
• классические с полным набором команд (CISC);
• с сокращённым набором команд (RISC).

Также выделяются автономные процессоры и являющиеся неотъемлемой частью вычислительной машины (центральный процессор).

Выбор процессора для сервера всегда начинается с нагрузки. Виртуализация, СУБД, веб-хостинг, AI-инференс — каждая задача требует своего баланса ядер, частоты и памяти. Тем, кто планирует собирать решение самостоятельно, пригодится руководство по сборке сервера для офиса. А если не хочется разбираться в спецификациях — инженеры ittelo.ru подберут конфигурацию под конкретный сценарий.