Состав процессора cpu

Для обеспечения работы ИТ-системы, вне зависимости от ее масштаба, необходим центр управления всеми процессами. В этом качестве выступает центральный процессор, который часто называют «мозгом» компьютера, сервера или другого устройства. Принцип его работы основан на обработке алгоритмов. Однако, несмотря на общую механику, конкретный процессор выбирают в зависимости от индивидуальных характеристик IT-структуры и задач пользователя. Чтобы CPU обеспечивал эффективную работу системы, необходимо учитывать ряд технических характеристик, а также особенности его архитектуры.

Что такое CPU

Аббревиатура CPU расшифровывается как central processing unit и обозначает центральное процессорное устройство. В большинстве случаев этот элемент ИТ-инженеры называют просто «процессором». Его используют во всех ИТ-системах: от смартфона и бытовой техники до коммерческих серверов. Процессор представляет собой небольшую плоскую деталь в виде кремниевого прямоугольника, на котором закреплены транзисторы. При этом конструкция ЦПУ одинакова: по одному принципу устроены как процессоры для мобильных устройств, так и многоядерные процессоры для проектирования сервера.

Задачи и функции процессора

Простыми словами, процессор объединяет все элементы ИТ-системы на физическом и программном уровне. Подобно человеческому мозгу, ЦПУ контролирует все процессы, которые происходят на устройстве. Причем, чем больше задач компьютеру или серверу нужно выполнить одновременно, тем большая мощность требуется для центрального процессора. Все задачи и функции CPU можно разделить на несколько ключевых категорий: обработка программного кода для запуска программ и приложений, временное хранение данных во внутренней памяти, а также их передача на другие элементы ИТ-системы.

Конструкция ЦПУ

Для обеспечения выполнения трех типов задач центрального процессора его конструкция состоит из трех соответствующих частей – ядра, запоминающего устройства и шин. Именно ядро выполняет ключевую роль в обработке программных кодов и распределении команд между отдельными элементами ИТ-структуры. Поэтому чем сложнее и объемнее задачи пользователя, тем большее количество ядер требуется для ЦПУ. Запоминающее устройство требуется для кэширования данных и краткосрочного хранения в памяти процессора, а шины становятся каналами для взаимодействия с другими частями системы.

Технические характеристики

Поскольку именно количество ядер определяет мощность центрального процессорного устройства, то на эту характеристику ориентируются в первую очередь при выборе CPU. Второй по значимости параметр – тактовая частота. Она определяет число тактов (процессов), которые обрабатывает процессор за одну секунду. Также производительность процессора определяет по его разрядности – количеству данных, которые он обрабатывает за секунду, выраженную в битах. Одновременно стоит учитывать и уровень кэширования, а также тип крепления центрального процессора к материнской плате.

Принцип работы устройства

ЦПУ не зря называют мозгом ИТ-системы: работает он по схожему принципу. Все процессы выстраиваются по единому алгоритму: ЦПУ получает команду от элемента структуры, обрабатывает его с помощью внутреннего арифметико-логического устройства, после чего выдает исходящую команду. По аналогии с «да» и «нет» процессор распознает коды двоичной системы – 1 и 0. Обработка каждого кода занимает доли секунды: чем большее количество запросов от других элементов ИТ-систему процессор может обработать одновременно, тем выше его производительность. Работу с командами внутри CPU разделяют на отдельные циклы, результаты которых хранятся во внутренней или оперативной памяти.

Изготовление процессоров

Большинство современных CPU изготавливают на основе кремния, разрезая кремниевый кристалл на тонкие диски. Когда говорят о размерах процессора, речь идет о микрометрах и нанометрах, поэтому процедура производства такая трудоемкая и затратная. После изготовления пластины из кремния на нее с помощью специальной технологии наносят транзисторы – полупроводники. За счет пропускания тока по отдельным транзисторам ЦПУ откликается на команды и взаимодействует с другими элементами ИТ-системы.

Устройство процессора

Визуально центральное процессорное устройство – всего лишь чип, который крепится к материнской плате. При этом различают два типа крепления, называемые сокетом. В первом случае процессор припаивают к материнской плате, и в случае выхода из строя или потребности в замене ИТ-инженер будет вынужден приложить усилия для демонтажа. Сейчас чаще используют ЦПУ со специальными креплениями, когда устройство просто вставляют в материнскую плату. Причем, благодаря микроразмерам CPU в том же слоте может быть расположен и дополнительный элемент, отвечающий за другие функции ИТ-системы.

Процессорная архитектура

Когда говорят об архитектуре процессоров, имеют в виду особенности расположения транзисторов на кремниевой пластине. Именно схема расположения обеспечивает быстродействие устройства и высокую производительность, потому каждый вендор стремится не разглашать эту информацию. Однако одновременно под архитектурой ЦПУ понимают и его тип. Выделяют три варианта процессоров в зависимости от объема работы с командами – устройства с полным набором команд, объединяющие команды в упрощенные связки, а также работающие с отдельными простыми командами.

Какие характеристики учитывать

При выборе процессора пользователь должен ориентироваться на масштабность ИТ-системы и ключевые задачи. Например, для работы в офисных программах достаточно стандартного двухядерного процессора, тогда как при установке графических программ требуются CPU с высокой мощностью. Особенно важно обращать внимание на технические характеристики центрального процессора, когда проектируют коммерческий сервер. В этом случае лучше сразу же обратиться к опытному ИТ-архитектору, чтобы обеспечить высокую производительность IT-системы для текущих и потенциальных задач.

Установка центрального процессора

Установить CPU в материнскую плату можно не только при первичной сборке компьютера, но и в случае замены вышедшего из строя процессора. При этом важно подготовить рабочее место, чтобы не повредить чип: протереть пыль спиртовыми салфетками или специальным раствором, надеть антистатические перчатки и использовать подходящие винтам отвертки. Также при установке процессора следует нанести термопасту – для обеспечения максимальной проводимости. Система крепления процессора (сокет) зависит от конкретного производителя, она может быть боковой или стандартной.

Функционал центрального процессора

Именно благодаря процессору пользователь может работать на компьютере или другом устройстве. Все команды, адресованные самому компьютеру или его вспомогательным элементам, первично посылают на центральный процессор. При этом элемент анализирует команду в соответствии с двоичным кодом и направляет ответную команду после обработки алгоритма. Иными словами, работа на компьютере без процессора невозможна. Когда речь идет о локальной сети и формировании сервера, следует уделять большое внимание именно мощности процессора – она определяет быстродействие всей системы.

Тактовая частота

Тактовая частота – вторая по значимости характеристика CPU после количества ядер. Она указывает на то, сколько команд может обработать процессор в одну секунду. Их называют также циклами или тактами. Тактовая частота всегда определяет быстродействие процессора. Но при этом его эффективность не всегда зависит только от этого показателя. Так, например, на производительность CPU одновременно влияет расположение транзисторов и другие технические характеристики элемента. Однако при проектировании ИТ-системы в целом пользователь должен учитывать не только тактовую частоту CPU: необходимо ориентироваться и на материнскую плату, установленное программное обеспечение и т.д.

Технологический процесс CPU

Как для любого чипа, для центрального процессора один из важных параметров – его технологический процесс. Это порядок установки транзисторов на кремниевую панель. По мере модернизации полупроводников чипы для электронных устройств становятся все меньше, а количество транзисторов на них увеличивается. Производители стремятся уменьшить техпроцесс CPU, при этом сохраняя порядок взаимодействия между транзисторами. В качестве технологического процесса – расстояния между отдельными транзисторами – они обычно указывают среднее число.

Кэширование данных

Поскольку центральный процессор обрабатывает всю информацию на компьютере и распределяет ее в соответствии с циклами, появляется потребность во временном хранении информации во внутренней памяти CPU. Это называется кэшированием. Кэш требуется для быстрой обработки командой процессором в текущий момент, чтобы не обращаться к данным из оперативной памяти. В зависимости от работы с конкретными данными кэш-память разделяют на три уровня – L1, L2 и L3. Эти уровни различаются объемом памяти и скоростью обращения процессора к хранящимся на них данным. От L1 к L3 увеличивается объем данных, но снижается скорость.

Энергопотребление процессоров

По мере совершенствования микрочипов и электронных устройств в целом повышается и их энергопотребление. Это логично, поскольку увеличивается количество транзисторов, каждый из которых пропускает через себя ток. Но энергопотреблению важно уделять особое внимание при проектировании серверов. В коммерческой ИТ-структуре сервер должен работать беспрерывно, соответственно, ИТ-архитектор должен обеспечить резервный источник питания для предупреждения сбоев в подаче электроэнергии. Для расчета максимального энергопотребления процессора стоит учитывать актуальное количество одновременных команд в единицу времени.

Тепловыделение и рабочая температура

Пропустившие электрический ток транзисторы выделяют тепло, и вся система нагревается. Производители процессоров указывают в спецификации конкретной модели значения тепловыделения при работе на базовых и турбо-частотах. При высокой загруженности процессора важно следить за повышением температуры. Однако существует так называемая рабочая температура – нормальная для CPU. В большинстве случаев она составляет порядка 60-70 градусов Цельсия. Но при высокой загрузке она может достигать и 100 градусов, что не скажется негативно на производительности процессора.

Разгон процессора

Каждый пользователь заинтересован в увеличении производительности процессора, при этом тактовую частоту CPU можно разогнать. В большинстве случаев ИТ-специалисты делают это в тех случаях, когда текущей мощности недостаточно для работы в конкретных программах, а заменить процессор невозможно. Существует два варианта разгона – с помощью системной шины или множителя. Однако в обоих случаях процедура требует ИТ-навыков и опыта работы в BIOS. Также следует понимать, что разгон процессора может негативно сказаться на стабильности работы IT-системы, потому специалист заранее должен проверить параметры всех элементов.

Процессор с графическим ядром

Для работы с приложениями и играми, где пользователю важна картинка и четкая графика, используют процессоры со специальным графическим ядром. Основное преимущество таких CPU – возможность отказа от отдельной видеокарты, что делает устройство компактнее. Поэтому графические ядра производители часто используют в мобильных устройствах, где важно снижение размеров. Здесь следует понимать, что графическое ядро не всегда станет полноценной заменой видеокарте: в некоторых случаях оно негативно скажется на быстродействии системы.

Как выбрать количество ядер

Большинство домашних и коммерческих устройств сейчас работают на 2-ядерных процессорах: этого достаточно для обеспечения работы ИТ-системы и выполнения ежедневных задач. Однако для коммерческих структур, которые используют мощное программное обеспечение повышение количества ядер CPU позволяет сохранить эффективность одновременной работы в программах и приложениях. При проектировании сервера чаще делают упор на многоядерные процессоры – 4- и 8-ядерные. Это обеспечит высокую производительность не только для текущих задач, но и для потенциального масштабирования локальной сети.

Роль оперативной памяти в работе CPU

В зависимости от конкретного цикла центральный процессор обращается или к встроенной кэш-памяти, или к оперативной памяти компьютера. При этом второй вариант обеспечивает шина – «канал» связи с внешними элементами.

Чтобы правильно подобрать центральный процессор, нужно понимать принцип работы CPU и ориентироваться на ключевые технические характеристики в привязке к индивидуальным задачам пользователя. ИТ-инженеры ittelo.ru помогут определить нужные параметры и подберут актуальную модель ЦПУ с учетом вендора и финансовых пожеланий.