Σπίτι ομορφιά

Τι σημαίνει ο αριθμός των τρανζίστορ σε έναν επεξεργαστή; Τι είναι μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας; Σχετικά με τα gigahertz και τα νανόμετρα

09.06.2023

Σύνταξης gg 50 χρόνια νόμου του Μουρ

Σύνταξης gg Μαζί με ολόκληρο τον προοδευτικό κόσμο, φέτος δεν έχουμε βαρεθεί να γιορτάζουμε την 50ή επέτειο του νόμου του Moore, ο οποίος, να σας θυμίσουμε, λέει: «Ο αριθμός των στοιχείων στα μικροκυκλώματα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια» (παρεμπιπτόντως, είχαμε πολλά πολυτελή άρθρα σχετικά με αυτό το θέμα που μπορείτε να βρείτε στον ιστότοπο στο θέμα " 50 χρόνια νόμου του Μουρ "). Οι εταιρείες που συνδέονται με την προσωπικότητα του Gordon Moore δεν κουράζονται να το γιορτάζουν. Για παράδειγμα, η Intel πριν από λίγο καιρό συνόψισε τα αποτελέσματα πολλών ετών εφαρμογής της θεωρίας από το Νόμο. Ανακοινώθηκαν εντυπωσιακά νούμερα, επιτρέψτε μου να σας πω. Ποτέ δεν θα μαντέψετε πόσο πιο cool είναι το κουτό smartphone σας σε σύγκριση με τον υπερ-προηγμένο υπολογιστή που έκανε δυνατό το πρώτο ταξίδι του ανθρώπου στο φεγγάρι, πόσο συχνά οι εταιρείες πρέπει να ανανεώσουν εντελώς την κατασκευή τους για να κάνουν τον φορητό υπολογιστή σας να διαρκέσει περισσότερο και πόσο κοντά μας είναι σε σημείο που οι υπολογιστές θα γίνουν πιο έξυπνοι από εμάς. Ωστόσο, γιατί να μαντέψετε, τα έχουμε ήδη γράψει όλα!

1. Σε σύγκριση με τον πρώτο επεξεργαστή Intel 4004 που κυκλοφόρησε το 1971, ο τρέχων επεξεργαστής έχει 5,6 εκατομμύρια φορές περισσότερα τρανζίστορ (1,3 τρισεκατομμύρια) και 3.500 φορές ταχύτερη απόδοση. Η ενεργειακή απόδοση έχει αυξηθεί κατά 90.000 φορές. Οι διαστάσεις των σύγχρονων τρανζίστορ μετρώνται στον αριθμό των ατόμων και ένα τρανζίστορ δεν μπορεί να φανεί με γυμνό μάτι.

2. Προκειμένου να καθιερωθεί η παραγωγή επεξεργαστών με χρήση μιας νέας τεχνικής διαδικασίας, κάθε δύο χρόνια η Intel αντιμετωπίζει την ανάγκη να κατασκευάζει μια νέα μονάδα. Το μόνο πράγμα που παραμένει σε ζήτηση από το παλιό είναι το κτίριο με τις συνδεδεμένες επικοινωνίες - όλος ο εξοπλισμός πρέπει να ενημερωθεί. Αυτό δεν είναι μόνο ακριβό από μόνο του, αλλά απαιτεί και τα έσοδα από τις πωλήσεις κάθε νέας γενιάς συσκευών με νέα τεχνολογία να καλύπτουν το κόστος κατασκευής ενός ακόμα νεότερου εργοστασίου.

3. Το σημείο αυτό προκύπτει από το προηγούμενο. Με κάθε νέα γενιά επεξεργαστών, ο αριθμός των κατασκευαστών επεξεργαστών μειώνεται, αυτό οφείλεται στη σημαντική αύξηση του κόστους της τεχνολογίας. Επιπλέον, οι εταιρείες αναγκάζονται να ενωθούν στην ανάπτυξη στο όνομα της προόδου για να μειώσουν κατά κάποιο τρόπο το κόστος. Η παρακάτω διαφάνεια δείχνει πόσα εργοστάσια έχουν βγει από τις ράγες με την εξέλιξη της προόδου.

4. Η συχνότητα ρολογιού των επεξεργαστών με τους οποίους είναι εξοπλισμένος ένας τυπικός σύγχρονος πλοηγός αυτοκινήτου είναι 500 MHz. Συγκριτικά, το διαστημόπλοιο Apollo το 1966 είχε επεξεργαστή 2 MHz. Απλώς δεν μπορώ να πιστέψω ότι αυτό το πράγμα μπορεί να φτάσει στο φεγγάρι!

5. Το σύγχρονο smartphone στην τσέπη σας είναι πιο ισχυρό από τον υπολογιστή που είναι εγκατεστημένος στο ρόβερ Curiosity, το οποίο κυκλοφόρησε στις 6 Απριλίου 2012. Αν και στην πραγματικότητα τους χωρίζει περίπου δύο γενιές τεχνολογίας.

6. Πριν από 20 χρόνια, ο υπερυπολογιστής Cray-2 είχε την ίδια ισχύ με ένα σύγχρονο smartphone αξίας 300 δολαρίων. Και κόστισε 17 εκατομμύρια δολάρια.

Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των επεξεργαστών Sandy Bridge και Ivy Bridge είναι η τεχνολογία διεργασίας. Επιπλέον, όχι μόνο λάβαμε μια μετάβαση από μια τεχνολογία διεργασίας 32 nm στα 22 nm, αλλά και για πρώτη φορά λάβαμε έναν νέο τύπο τρανζίστορ, με τρισδιάστατη πύλη. Αυτή η τεχνολογία μας επιτρέπει να μειώσουμε τα ρεύματα διαρροής και να αυξήσουμε την ενεργειακή απόδοση του επεξεργαστή - ως αποτέλεσμα, έχουμε έναν οικονομικό επεξεργαστή όχι μόνο λόγω της μείωσης της τεχνικής διαδικασίας, αλλά και λόγω πιο αποδοτικών τρανζίστορ.

Το Core i7-3770K περιέχει ενσωματωμένο HD Graphics 4000 και
1,4 δισεκατομμύρια τρανζίστορ συνολικά. Στην περίπτωση του Sandy Bridge, ο αριθμός των τρανζίστορ ήταν μόνο 995 εκατομμύρια.
Όσον αφορά το μέγεθος του καλουπιού, η Intel κατάφερε να μειώσει την περιοχή από 216 mm² σε 160 mm².

Τα μοντέλα Ivy Bridge έχουν περίπου 405 εκατομμύρια περισσότερα τρανζίστορ από το Sandy Bridge. Αλλά αυτή τη φορά η Intel δεν αύξησε την προσωρινή μνήμη ή τον αριθμό των πυρήνων. Και ο ελεγκτής μνήμης έμεινε σε μεγάλο βαθμό αμετάβλητος, ο παράγοντας συστήματος ήταν επίσης ο ίδιος. Πού ξοδεύτηκαν 405 εκατομμύρια τρανζίστορ; Ως επί το πλείστον - στον ενσωματωμένο πυρήνα γραφικών Intel. Επιπλέον, η Intel όχι μόνο αύξησε το μέγεθος των buffer, αλλά διπλασίασε και τον αριθμό των βασικών υπολογιστικών μονάδων.

Είναι ενδιαφέρον να συγκρίνουμε το μέγεθος: το νέο τσιπ Ivy Bridge καταλαμβάνει περίπου 25 τοις εκατό λιγότερο χώρο στο υπόστρωμα, αλλά περιέχει σημαντικά περισσότερα τρανζίστορ.

Περισσότερα τρανζίστορ συνήθως παράγουν πάντα περισσότερη θερμότητα. Αλλά χάρη στις έξυπνες τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας, μόνο εκείνες οι περιοχές του επεξεργαστή που χρησιμοποιούνται ενεργά καταναλώνουν ενέργεια. Στην κατάσταση αναμονής, ο επεξεργαστής μπορεί να απενεργοποιήσει μεμονωμένους πυρήνες, κρυφή μνήμη ή τμήματα του ενσωματωμένου πυρήνα γραφικών. Προσθέστε τεχνολογίες DDR3 και GT Power Gating. Λόγω των μικρότερων δομών και των τρανζίστορ Tri-Gate, η Intel κατάφερε ακόμη και να επιτύχει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας στην κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, οι επεξεργαστές Intel Ivy Bridge υποστηρίζουν τώρα μνήμη χαμηλής τάσης DDR3 (DDR3L), η οποία μπορεί να λειτουργήσει στα 1,35 V, εξοικονομώντας αρκετά watt.

Τρανζίστορ Intel 22nm με τεχνολογία Tri-Gate

Η Intel έχει μιλήσει για την τεχνολογία διεργασιών 22nm σε αρκετές προηγούμενες εκδηλώσεις. Αλλά αυτή τη φορά πήραμε μερικές φρέσκες πληροφορίες σχετικά με την τεχνολογία διεργασίας 22 nm: βασικά, όλα τα σύγχρονα επίπεδα τρανζίστορ δημιουργούνται σύμφωνα με ένα σχέδιο που αναπτύχθηκε το 1974. Φυσικά, εφαρμόστηκαν διάφορες βελτιώσεις και βελτιστοποιήσεις για την ελαχιστοποίηση των ρευμάτων διαρροής και τον έλεγχο της λειτουργίας των τρανζίστορ με ταυτόχρονη μείωση της τεχνικής διαδικασίας - αλλά μέχρι το 2000 δεν υπήρχαν ειδικά προβλήματα με αυτό, σε αντίθεση με τα ρεύματα διαρροής. Οι αναγνώστες μας μπορεί να θυμούνται τους Northwood, Prescott και πολλούς άλλους επεξεργαστές που έπρεπε να αντιμετωπίσουν ζητήματα θερμότητας.

Το 2003, η Intel άρχισε να κινείται σε μια διαδικασία 90nm με τεχνολογία Strained Silicon για τρανζίστορ NMOS και PMOS με πύλες οξειδίου, που βελτίωσαν τα χαρακτηριστικά τους και το ρεύμα κίνησης. Με τη μετάβαση στην τεχνολογία διεργασίας 45 nm, η Intel ανακοίνωσε τρανζίστορ με μεταλλικές πύλες High-K, δηλαδή με νέο διηλεκτρικό (SiO2) και μεταλλικές πύλες με βάση το άφνιο. Αυτό κατέστησε και πάλι δυνατή τη βελτίωση της απόδοσης των τρανζίστορ χωρίς την εισαγωγή νέων προβλημάτων με τα ρεύματα διαρροής.

Στην περίπτωση της ανακοίνωσης των τρανζίστορ 22 nm, η ίδια η δομή αυτών των στοιχείων ημιαγωγών έχει αλλάξει.

Ένα παράδειγμα είναι η διαφάνεια διαδικασίας 22 nm από το περσινό Φόρουμ προγραμματιστών της Intel, η οποία εμφανίζει τιμές ρεύματος διαρροής σε διαφορετικά ρεύματα μονάδας δίσκου για διαφορετικά σενάρια. Εάν χρειάζεστε έναν γρήγορο επεξεργαστή, μπορείτε να αντέξετε υψηλά ρεύματα διαρροής. Από την άλλη πλευρά, μπορείτε να βελτιστοποιήσετε τον επεξεργαστή για χαμηλότερα ρεύματα διαρροής. Ως αποτέλεσμα, ανάλογα με την περίπτωση χρήσης, ορισμένες τεχνολογίες μπορούν να εφαρμοστούν στο τσιπ (υψηλές επιδόσεις, τυπική απόδοση, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας).

Τα ακόλουθα είναι τα κύρια πλεονεκτήματα της διαδικασίας Tri-Gate 22nm:

  • Υπάρχει ένα σαφές πλεονέκτημα όσον αφορά τα ρεύματα διαρροής. Σε χαμηλότερη τάση, το τρανζίστορ αλλάζει ταχύτερα, επομένως η διαρροή κατάστασης εκτός λειτουργίας είναι πολύ χαμηλότερη.
  • Όταν βελτιστοποιηθεί για υψηλή κατανάλωση ενέργειας, είναι δυνατό να αποκτήσετε την ίδια διαρροή κατάστασης εκτός λειτουργίας με τα επίπεδα τρανζίστορ σε πολύ υψηλότερη ταχύτητα μεταγωγής.
  • Συνολικά, τα τρανζίστορ Tri-Gate παρέχουν 37% υψηλότερη ταχύτητα μεταγωγής στα 0,7 V - ή, αντίθετα, μειώνουν την κατανάλωση Ενεργής Ισχύος κατά 50%.
  • Εάν απαιτείται υψηλότερη απόδοση, ο σχεδιαστής του επεξεργαστή μπορεί να κάνει μερικές απλές αλλαγές για να την επιτύχει.

Η δομή των τρανζίστορ είναι σαφώς ορατή στο παραπάνω σχήμα: η πύλη τρανζίστορ «λυγίζει» καλύτερα την περιοχή του καναλιού, αποτρέποντας σοβαρά ρεύματα διαρροής.

Η Intel χρησιμοποίησε την τεχνολογία διεργασίας 22nm P1270 για τους επεξεργαστές Ivy Bridge. Ωστόσο, το 2013, σχεδιάζεται η μετάβαση στην τεχνολογία διεργασιών P1272 14 nm, που αναπτύχθηκε επίσης από την Intel. Η εταιρεία θα παράγει νέους επεξεργαστές σε πέντε εργοστάσια, οι οποίοι θα μεταφερθούν στην τεχνολογία διεργασιών των 22 nm ή θα λειτουργούν ήδη σε αυτήν. Εκτός από τα εργοστάσια του Όρεγκον, επεξεργαστές θα παράγονται από δύο ακόμη εργοστάσια στην Αριζόνα, καθώς και ένα εργοστάσιο στο Ισραήλ.

Η Intel θα χρησιμοποιήσει τη διαδικασία των 22 nm τόσο για παραδοσιακούς επεξεργαστές (Core, Xeon, ...) όσο και για προϊόντα SoC (Atom και άλλα). Δηλαδή, η Intel βελτιστοποιεί τα υπάρχοντα σχέδια για τη νέα τεχνολογία διαδικασίας Tri-Gate. Η Intel βλέπει τα πλεονεκτήματα αυτής της ευθυγράμμισης των ομάδων σχεδιασμού, η οποία εντάσσεται στην πρωτοβουλία Unified Design Approach, με αποτέλεσμα οι τρέχουσες ομάδες σχεδιασμού (SoC, CPU) να ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στις προκλήσεις των νέων περιοχών της αγοράς.

Όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα υπολογιστήχτισμένο στη βάση τρανζίστορ. Η αρχή λειτουργίας του τρανζίστορ ανακαλύφθηκε από τρεις επιστήμονες στα τέλη της δεκαετίας του '40 που εργάζονταν στα Bell Labs. Αυτοί οι επιστήμονες ήταν οι William Shockley, John Bardeen και Walter Brettain. Το 1954 τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ. Η σημασία και η σημασία της ανακάλυψης του τρανζίστορ για περαιτέρω εξελίξεις στη βιομηχανία των υπολογιστών ισοδυναμεί με την ανακάλυψη σε μια στιγμή του τροχού και των μεθόδων δημιουργίας πυρκαγιάς.

Ο πρώτος υπολογιστής, που ονομάζεται ENIAC (ηλεκτρονικός Αριθμητικός Ολοκληρωτής και Υπολογιστής), αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '40.

Υπολογιστής ENIAC βασισμένος σε σωλήνες κενού.

Τα τρανζίστορ δεν είχαν εφευρεθεί εκείνη την εποχή, έτσι ο υπολογιστής κατασκευαζόταν από χιλιάδες ογκώδεις και άβολους σωλήνες κενού και απαιτούσε πολλούς χώρους για να στεγαστεί. Το βάρος έφτασε τους 27 τόνους. Οι σωλήνες κενού ζεστάθηκαν πολύ, ήταν πολύ αναξιόπιστοι και απαιτούσαν πολύ ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν η ENIAC άναβε, τα φώτα της κοντινής πόλης έσβηναν κάθε φορά. Η ENIAC εκτέλεσε μόνο μερικές λειτουργίες. Σήμερα, αυτές οι λειτουργίες εκτελούνται από οποιαδήποτε αριθμομηχανή τσέπης.

Από την εφεύρεση του πρώτου τρανζίστορ, έχει γίνει ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός στον τομέα της τεχνολογίας των υπολογιστών. Τα τρανζίστορ είναι ευκολότερα στην κατασκευή, φθηνότερα, ελαφρύτερα, πιο αξιόπιστα και καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια.

Το πρώτο τρανζίστορ αντικατέστησε 40 σωλήνες κενού, δούλευε με μεγαλύτερη ταχύτητα, ήταν φθηνότερο και πιο αξιόπιστο.

Πώς μπορούμε να κάνουμε ένα τρανζίστορ να λειτουργεί για εμάς; Για να το θέσω απλά, χρησιμοποιούμε λογισμικό για αυτό, το οποίο δίνει εντολή στον υπολογιστή να ενεργοποιεί και να απενεργοποιεί τα τρανζίστορ και τελικά οδηγεί στην επίλυση του προβλήματος. Κατά την εκτέλεση οποιουδήποτε προγράμματος, παράγεται μια ακολουθία ηλεκτρικών παλμών (ψηφιακά σήματα) με τη μορφή δύο επιπέδων τάσης. Αυτή η ακολουθία καθορίζει τη λειτουργία των τρανζίστορ.

Φυσικά, όσο πιο ευέλικτο είναι το λογισμικό και όσο περισσότερα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται, τόσο πιο περίπλοκη και χρονοβόρα εργασία μπορεί να εκτελέσει ο υπολογιστής.

Σε έναν υπολογιστή, ένα τρανζίστορ λειτουργεί σαν διακόπτης και αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία: έναν συλλέκτη, έναν πομπό και μια βάση. Ας υποθέσουμε ότι ο συλλέκτης του τρανζίστορ είναι συνδεδεμένος στον θετικό πόλο μιας μπαταρίας 6 βολτ και ο πομπός στον αρνητικό πόλο. Τα ηλεκτρόνια δεν θα περάσουν μέσα από το τρανζίστορ (είναι κλειστό). Αν όμως εφαρμόσουμε μια μικρή (ανοιγόμενη) τάση στη βάση, τότε το τρανζίστορθα ανοίξει και θα περάσει ρεύμα μέσα από αυτό στο τμήμα συλλέκτη-εκπομπού.

Υπάρχουν εκατομμύρια τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται σε έναν υπολογιστή. Για παράδειγμα, ο επεξεργαστής Intel core i7 περιέχει περίπου ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ.

Τα τρανζίστορ στον επεξεργαστή, τη μητρική πλακέτα, τις διάφορες κάρτες επέκτασης και τα περιφερειακά ανταποκρίνονται σε ψηφιακά σήματα που προέρχονται από άλλες συσκευές.

Έτσι, ένας σύγχρονος υπολογιστής είναι ένα σύνολο ηλεκτρονικών διακοπτών - τρανζίστορ.

Πιθανώς κάθε χρήστης που είναι ελάχιστα εξοικειωμένος με τους υπολογιστές έχει συναντήσει ένα σωρό ακατανόητα χαρακτηριστικά όταν επιλέγει έναν κεντρικό επεξεργαστή: τεχνική διαδικασία, κρυφή μνήμη, υποδοχή. Απευθύνθηκα για συμβουλές σε φίλους και γνωστούς που ήταν ικανοί στο θέμα του υλικού υπολογιστών. Ας δούμε την ποικιλία των διαφόρων παραμέτρων, επειδή ο επεξεργαστής είναι το πιο σημαντικό μέρος του υπολογιστή σας και η κατανόηση των χαρακτηριστικών του θα σας δώσει εμπιστοσύνη στην αγορά και την περαιτέρω χρήση σας.

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ

Ο επεξεργαστής ενός προσωπικού υπολογιστή είναι ένα τσιπ που είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση οποιωνδήποτε λειτουργιών με δεδομένα και ελέγχει περιφερειακές συσκευές. Περιέχεται σε μια ειδική συσκευασία πυριτίου που ονομάζεται καλούπι. Για σύντομο χαρακτηρισμό χρησιμοποιήστε τη συντομογραφία - ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(κεντρική μονάδα επεξεργασίας) ή ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(από την αγγλική κεντρική μονάδα επεξεργασίας - κεντρική συσκευή επεξεργασίας). Στη σύγχρονη αγορά εξαρτημάτων υπολογιστών υπάρχουν δύο ανταγωνιστικές εταιρείες, Intel και AMD, που συμμετέχουν συνεχώς στον αγώνα για την απόδοση νέων επεξεργαστών, βελτιώνοντας συνεχώς την τεχνολογική διαδικασία.

Τεχνική διαδικασία

Τεχνική διαδικασίαείναι το μέγεθος που χρησιμοποιείται στην παραγωγή επεξεργαστών. Καθορίζει το μέγεθος του τρανζίστορ, η μονάδα του οποίου είναι nm (νανόμετρο). Τα τρανζίστορ, με τη σειρά τους, αποτελούν τον εσωτερικό πυρήνα της CPU. Η ουσία είναι ότι η συνεχής βελτίωση στις τεχνικές κατασκευής καθιστά δυνατή τη μείωση του μεγέθους αυτών των εξαρτημάτων. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν πολύ περισσότερα από αυτά τοποθετημένα στο τσιπ του επεξεργαστή. Αυτό βοηθά στη βελτίωση της απόδοσης της CPU, επομένως οι παράμετροί της υποδεικνύουν πάντα την τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, ο Intel Core i5-760 είναι κατασκευασμένος με τεχνολογία διαδικασίας 45 nm και ο Intel Core i5-2500K με διαδικασία 32 nm. Με βάση αυτές τις πληροφορίες, μπορείτε να κρίνετε πόσο σύγχρονος είναι ο επεξεργαστής και πόσο ανώτερος είναι σε απόδοση με τον προκάτοχό του, αλλά κατά την επιλογή, πρέπει επίσης να λάβετε υπόψη μια σειρά από άλλες παραμέτρους.

Αρχιτεκτονική

Οι επεξεργαστές χαρακτηρίζονται επίσης από ένα χαρακτηριστικό όπως η αρχιτεκτονική - ένα σύνολο ιδιοτήτων που είναι εγγενείς σε μια ολόκληρη οικογένεια επεξεργαστών, που συνήθως παράγονται για πολλά χρόνια. Με άλλα λόγια, η αρχιτεκτονική είναι η οργάνωσή τους ή ο εσωτερικός σχεδιασμός της CPU.

Αριθμός Πυρήνων

Πυρήνας- το πιο σημαντικό στοιχείο του κεντρικού επεξεργαστή. Είναι ένα μέρος του επεξεργαστή που μπορεί να εκτελέσει ένα νήμα εντολών. Οι πυρήνες διαφέρουν ως προς το μέγεθος της μνήμης cache, τη συχνότητα διαύλου, την τεχνολογία κατασκευής κ.λπ. Οι κατασκευαστές τους ορίζουν νέα ονόματα με κάθε επόμενη τεχνολογική διαδικασία (για παράδειγμα, ο πυρήνας του επεξεργαστή AMD είναι Zambezi και η Intel είναι η Lynnfield). Με την ανάπτυξη των τεχνολογιών παραγωγής επεξεργαστών, κατέστη δυνατή η τοποθέτηση περισσότερων του ενός πυρήνων σε μία θήκη, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την απόδοση της CPU και βοηθά στην εκτέλεση πολλών εργασιών ταυτόχρονα, καθώς και στη χρήση πολλών πυρήνων σε προγράμματα. Πολυπύρηνες επεξεργαστέςθα μπορεί να αντιμετωπίσει γρήγορα την αρχειοθέτηση, την αποκωδικοποίηση βίντεο, τη λειτουργία σύγχρονων βιντεοπαιχνιδιών κ.λπ. Για παράδειγμα, οι σειρές επεξεργαστών Core 2 Duo και Core 2 Quad της Intel, οι οποίοι χρησιμοποιούν επεξεργαστές διπλού πυρήνα και τετραπύρηνου, αντίστοιχα. Επί του παρόντος, είναι ευρέως διαθέσιμοι επεξεργαστές με 2, 3, 4 και 6 πυρήνες. Ένας μεγαλύτερος αριθμός από αυτούς χρησιμοποιούνται σε λύσεις διακομιστών και δεν απαιτούνται από τον μέσο χρήστη υπολογιστή.

Συχνότητα

Εκτός από τον αριθμό των πυρήνων, η απόδοση επηρεάζεται από συχνότητα ρολογιού. Η τιμή αυτού του χαρακτηριστικού αντικατοπτρίζει την απόδοση της CPU στον αριθμό των κύκλων ρολογιού (λειτουργιών) ανά δευτερόλεπτο. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι συχνότητα λεωφορείου(FSB - Front Side Bus) που δείχνει την ταχύτητα με την οποία ανταλλάσσονται δεδομένα μεταξύ του επεξεργαστή και των περιφερειακών του υπολογιστή. Η συχνότητα ρολογιού είναι ανάλογη με τη συχνότητα διαύλου.

Πρίζα

Για να είναι συμβατός ο μελλοντικός επεξεργαστής με την υπάρχουσα μητρική κατά την αναβάθμιση, πρέπει να γνωρίζετε την υποδοχή του. Μια πρίζα ονομάζεται σύνδεσμος, στο οποίο η CPU είναι εγκατεστημένη στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή. Ο τύπος υποδοχής χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των ποδιών και τον κατασκευαστή του επεξεργαστή. Οι διαφορετικές υποδοχές αντιστοιχούν σε συγκεκριμένους τύπους CPU, επομένως κάθε υποδοχή επιτρέπει την εγκατάσταση ενός συγκεκριμένου τύπου επεξεργαστή. Η Intel χρησιμοποιεί την υποδοχή LGA1156, LGA1366 και LGA1155, ενώ η AMD χρησιμοποιεί AM2+ και AM3.

Κρύπτη

Κρύπτη- η ποσότητα μνήμης με πολύ υψηλή ταχύτητα πρόσβασης, απαραίτητη για την επιτάχυνση της πρόσβασης σε δεδομένα που βρίσκονται μόνιμα στη μνήμη με χαμηλότερη ταχύτητα πρόσβασης (RAM). Όταν επιλέγετε έναν επεξεργαστή, να θυμάστε ότι η αύξηση του μεγέθους της προσωρινής μνήμης έχει θετική επίδραση στην απόδοση των περισσότερων εφαρμογών. Η κρυφή μνήμη της CPU έχει τρία επίπεδα ( L1, L2 και L3), που βρίσκεται απευθείας στον πυρήνα του επεξεργαστή. Λαμβάνει δεδομένα από τη μνήμη RAM για μεγαλύτερη ταχύτητα επεξεργασίας. Αξίζει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι για επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων, υποδεικνύεται η ποσότητα της κρυφής μνήμης πρώτου επιπέδου για έναν πυρήνα. Η κρυφή μνήμη L2 εκτελεί παρόμοιες λειτουργίες, αλλά είναι πιο αργή και μεγαλύτερη σε μέγεθος. Εάν σκοπεύετε να χρησιμοποιήσετε τον επεξεργαστή για εργασίες έντασης πόρων, τότε θα προτιμηθεί ένα μοντέλο με μεγάλη κρυφή μνήμη δεύτερου επιπέδου, δεδομένου ότι για επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων υποδεικνύεται το συνολικό μέγεθος της κρυφής μνήμης L2. Οι πιο ισχυροί επεξεργαστές, όπως οι AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon, είναι εξοπλισμένοι με L3 cache. Η κρυφή μνήμη τρίτου επιπέδου είναι η λιγότερο γρήγορη, αλλά μπορεί να φτάσει τα 30 MB.

Κατανάλωση ενέργειας

Η κατανάλωση ενέργειας ενός επεξεργαστή σχετίζεται στενά με την τεχνολογία κατασκευής του. Με τη μείωση των νανόμετρων της τεχνικής διαδικασίας, την αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ και την αύξηση της συχνότητας ρολογιού των επεξεργαστών, η κατανάλωση ενέργειας της CPU αυξάνεται. Για παράδειγμα, οι επεξεργαστές Intel Core i7 απαιτούν έως και 130 watt ή περισσότερα. Η τάση που παρέχεται στον πυρήνα χαρακτηρίζει ξεκάθαρα την κατανάλωση ισχύος του επεξεργαστή. Αυτή η παράμετρος είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν επιλέγετε μια CPU για χρήση ως κέντρο πολυμέσων. Τα σύγχρονα μοντέλα επεξεργαστών χρησιμοποιούν διάφορες τεχνολογίες που βοηθούν στην καταπολέμηση της υπερβολικής κατανάλωσης ενέργειας: ενσωματωμένοι αισθητήρες θερμοκρασίας, συστήματα αυτόματου ελέγχου για την τάση και τη συχνότητα των πυρήνων του επεξεργαστή, λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας όταν το φορτίο της CPU είναι ελαφρύ.

Επιπρόσθετα χαρακτηριστικά

Οι σύγχρονοι επεξεργαστές έχουν αποκτήσει τη δυνατότητα να λειτουργούν σε λειτουργίες 2 και 3 καναλιών με μνήμη RAM, γεγονός που επηρεάζει σημαντικά την απόδοσή της και υποστηρίζει επίσης ένα μεγαλύτερο σύνολο οδηγιών, ανεβάζοντας τη λειτουργικότητά τους σε νέο επίπεδο. Οι GPU επεξεργάζονται βίντεο από μόνες τους, εκφορτώνοντας έτσι την CPU, χάρη στην τεχνολογία DXVA(από το αγγλικό DirectX Video Acceleration - επιτάχυνση βίντεο από το στοιχείο DirectX). Η Intel χρησιμοποιεί την παραπάνω τεχνολογία Ωθηση τούρμπογια να αλλάξετε δυναμικά τη συχνότητα ρολογιού του κεντρικού επεξεργαστή. Τεχνολογία Βήμα ταχύτηταςδιαχειρίζεται την κατανάλωση ενέργειας της CPU ανάλογα με τη δραστηριότητα του επεξεργαστή και Intel Virtualization TechnologyΤο υλικό δημιουργεί ένα εικονικό περιβάλλον για τη χρήση πολλαπλών λειτουργικών συστημάτων. Επίσης, οι σύγχρονοι επεξεργαστές μπορούν να χωριστούν σε εικονικούς πυρήνες χρησιμοποιώντας τεχνολογία Υπερ Threading. Για παράδειγμα, ένας επεξεργαστής διπλού πυρήνα είναι ικανός να διαιρεί την ταχύτητα ρολογιού ενός πυρήνα σε δύο, με αποτέλεσμα υψηλή απόδοση επεξεργασίας χρησιμοποιώντας τέσσερις εικονικούς πυρήνες.

Όταν σκέφτεστε τη διαμόρφωση του μελλοντικού υπολογιστή σας, μην ξεχνάτε την κάρτα βίντεο και αυτήν GPU(από το English Graphics Processing Unit - graphic processing unit) - ο επεξεργαστής της κάρτας γραφικών σας, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την απόδοση (αριθμητικές πράξεις με γεωμετρικά, φυσικά αντικείμενα κ.λπ.). Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα του πυρήνα και της συχνότητας μνήμης, τόσο λιγότερο φορτίο θα είναι ο κεντρικός επεξεργαστής. Οι παίκτες θα πρέπει να δώσουν ιδιαίτερη προσοχή στη GPU.

Είναι πολύ δύσκολο να εκπλήξεις τον σύγχρονο καταναλωτή ηλεκτρονικών. Έχουμε ήδη συνηθίσει το γεγονός ότι η τσέπη μας καταλαμβάνει δικαίως ένα smartphone, ένας φορητός υπολογιστής είναι στην τσάντα μας, ένα έξυπνο ρολόι μετράει υπάκουα βήματα στο χέρι μας και ακουστικά με ενεργό σύστημα μείωσης θορύβου χαϊδεύουν τα αυτιά μας.

Είναι αστείο, αλλά έχουμε συνηθίσει να κουβαλάμε μαζί μας όχι έναν, αλλά δύο, τρεις ή περισσότερους υπολογιστές ταυτόχρονα. Άλλωστε, αυτό ακριβώς μπορείτε να ονομάσετε μια συσκευή που διαθέτει ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ. Και δεν έχει καθόλου σημασία πώς μοιάζει μια συγκεκριμένη συσκευή. Ένα μικροσκοπικό τσιπ, το οποίο έχει ξεπεράσει μια ταραχώδη και γρήγορη πορεία ανάπτυξης, είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία του.

Γιατί θέσαμε το θέμα των επεξεργαστών; Είναι απλό. Τα τελευταία δέκα χρόνια, υπήρξε μια πραγματική επανάσταση στον κόσμο των φορητών συσκευών.

Υπάρχει μόνο 10 χρόνια διαφορά μεταξύ αυτών των συσκευών. Αλλά το Nokia N95 μας φαινόταν σαν μια διαστημική συσκευή τότε και σήμερα βλέπουμε το ARKit με κάποια δυσπιστία

Αλλά όλα θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί διαφορετικά και το ταλαιπωρημένο Pentium IV θα παρέμενε το απόλυτο όνειρο του μέσου αγοραστή.

Προσπαθήσαμε να αποφύγουμε πολύπλοκους τεχνικούς όρους και να πούμε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής και να μάθουμε ποια αρχιτεκτονική είναι το μέλλον.

1. Πώς ξεκίνησαν όλα

Οι πρώτοι επεξεργαστές ήταν εντελώς διαφορετικοί από αυτό που μπορείτε να δείτε όταν ανοίγετε το καπάκι της μονάδας συστήματος του υπολογιστή σας.

Αντί για μικροκυκλώματα στη δεκαετία του '40 του ΧΧ αιώνα, χρησιμοποίησαν ηλεκτρομηχανικά ρελέ, συμπληρωμένο με σωλήνες κενού. Οι λαμπτήρες λειτουργούσαν ως δίοδος, η κατάσταση της οποίας μπορούσε να ρυθμιστεί με μείωση ή αύξηση της τάσης στο κύκλωμα. Τέτοια σχέδια έμοιαζαν με αυτό:

Για να λειτουργήσει ένας τεράστιος υπολογιστής, χρειάζονταν εκατοντάδες, μερικές φορές χιλιάδες επεξεργαστές. Αλλά ταυτόχρονα, δεν θα μπορούσατε να εκτελέσετε ούτε ένα απλό πρόγραμμα επεξεργασίας όπως το NotePad ή το TextEdit από το τυπικό σετ Windows και macOS σε έναν τέτοιο υπολογιστή. Ο υπολογιστής απλά δεν θα είχε αρκετή ισχύ.

2. Η εμφάνιση τρανζίστορ

Πρώτα τρανζίστορ εφέ πεδίουεμφανίστηκε το 1928. Αλλά ο κόσμος άλλαξε μόνο μετά την έλευση του λεγόμενου διπολικά τρανζίστορ, άνοιξε το 1947.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1940, ο πειραματικός φυσικός Walter Brattain και ο θεωρητικός John Bardeen ανέπτυξαν το πρώτο τρανζίστορ σημείου. Το 1950 αντικαταστάθηκε από το πρώτο επίπεδο τρανζίστορ και το 1954 ο γνωστός κατασκευαστής Texas Instruments ανακοίνωσε ένα τρανζίστορ πυριτίου.

Αλλά η πραγματική επανάσταση ήρθε το 1959, όταν ο επιστήμονας Jean Henri ανέπτυξε το πρώτο επίπεδο (επίπεδο) τρανζίστορ πυριτίου, το οποίο έγινε η βάση για μονολιθικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ναι, είναι λίγο περίπλοκο, οπότε ας σκάψουμε λίγο πιο βαθιά και ας κατανοήσουμε το θεωρητικό μέρος.

3. Πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ

Έτσι, το έργο ενός τέτοιου ηλεκτρικού στοιχείου όπως τρανζίστορείναι ο έλεγχος του ρεύματος. Με απλά λόγια, αυτός ο μικρός δύσκολος διακόπτης ελέγχει τη ροή του ηλεκτρισμού.

Το κύριο πλεονέκτημα ενός τρανζίστορ έναντι ενός συμβατικού διακόπτη είναι ότι δεν απαιτεί ανθρώπινη παρουσία. Εκείνοι. Ένα τέτοιο στοιχείο είναι ικανό να ελέγχει το ρεύμα ανεξάρτητα. Επιπλέον, λειτουργεί πολύ πιο γρήγορα από ό,τι θα ενεργοποιούσατε ή θα απενεργοποιούσατε μόνοι σας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Πιθανότατα θυμάστε από το μάθημα της επιστήμης των υπολογιστών του σχολείου σας ότι ένας υπολογιστής «καταλαβαίνει» την ανθρώπινη γλώσσα μέσω συνδυασμών μόνο δύο καταστάσεων: «on» και «off». Κατά την κατανόηση του μηχανήματος, αυτή είναι η κατάσταση "0" ή "1".

Η δουλειά του υπολογιστή είναι να αναπαριστά το ηλεκτρικό ρεύμα ως αριθμούς.

Και αν προηγουμένως το έργο της εναλλαγής καταστάσεων εκτελούνταν από αδέξια, ογκώδη και αναποτελεσματικά ηλεκτρικά ρελέ, τώρα το τρανζίστορ έχει αναλάβει αυτή τη συνηθισμένη εργασία.

Από τις αρχές της δεκαετίας του '60, τα τρανζίστορ άρχισαν να κατασκευάζονται από πυρίτιο, γεγονός που επέτρεψε όχι μόνο να γίνουν οι επεξεργαστές πιο συμπαγείς, αλλά και να αυξηθεί σημαντικά η αξιοπιστία τους.

Αλλά πρώτα, ας ασχοληθούμε με τη δίοδο

Πυρίτιο(γνωστός και ως Si - «πυρίτιο» στον περιοδικό πίνακα) ανήκει στην κατηγορία των ημιαγωγών, που σημαίνει, αφενός, περνάει ρεύμα καλύτερα από ένα διηλεκτρικό, αφετέρου, το κάνει χειρότερα από το μέταλλο.

Είτε μας αρέσει είτε όχι, για να κατανοήσουμε το έργο και την περαιτέρω ιστορία της ανάπτυξης των επεξεργαστών θα πρέπει να βυθίσουμε στη δομή ενός ατόμου πυριτίου. Μην φοβάστε, θα το κάνουμε σύντομο και πολύ σαφές.

Το καθήκον του τρανζίστορ είναι να ενισχύσει ένα αδύναμο σήμα χρησιμοποιώντας μια πρόσθετη πηγή ενέργειας.

Το άτομο πυριτίου έχει τέσσερα ηλεκτρόνια, χάρη στα οποία σχηματίζει δεσμούς (για την ακρίβεια - ομοιοπολικοί δεσμοί)με τα ίδια κοντινά τρία άτομα, σχηματίζοντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Ενώ τα περισσότερα ηλεκτρόνια είναι σε δεσμό, ένα μικρό κλάσμα από αυτά είναι σε θέση να κινηθεί μέσα από το κρυσταλλικό πλέγμα. Λόγω αυτής της μερικής μετάπτωσης ηλεκτρονίων, το πυρίτιο ταξινομείται ως ημιαγωγός.

Αλλά μια τόσο ασθενής κίνηση ηλεκτρονίων δεν θα επέτρεπε τη χρήση του τρανζίστορ στην πράξη, έτσι οι επιστήμονες αποφάσισαν να αυξήσουν την απόδοση των τρανζίστορ με ντοπάρισμα, ή απλά, η προσθήκη του κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου με άτομα στοιχείων με χαρακτηριστική διάταξη ηλεκτρονίων.

Άρχισαν λοιπόν να χρησιμοποιούν μια 5-σθενή ακαθαρσία φωσφόρου, λόγω της οποίας έλαβαν τρανζίστορ τύπου n. Η παρουσία ενός επιπλέον ηλεκτρονίου κατέστησε δυνατή την επιτάχυνση της κίνησής τους, αυξάνοντας τη ροή του ρεύματος.

Όταν τα τρανζίστορ ντόπινγκ τύπου pΤο βόριο, το οποίο περιέχει τρία ηλεκτρόνια, έγινε ένας τέτοιος καταλύτης. Λόγω της απουσίας ενός ηλεκτρονίου, εμφανίζονται οπές στο κρυσταλλικό πλέγμα (ενεργώντας ως θετικό φορτίο), αλλά λόγω του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να γεμίσουν αυτές τις οπές, η αγωγιμότητα του πυριτίου αυξάνεται σημαντικά.

Ας υποθέσουμε ότι πήραμε μια γκοφρέτα πυριτίου και ντοπάραμε το ένα μέρος με μια πρόσμιξη τύπου p και το άλλο μέρος με μια πρόσμιξη τύπου n. Έτσι πήραμε δίοδος– το βασικό στοιχείο του τρανζίστορ.

Τώρα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο n-τμήμα θα τείνουν να μετακινηθούν σε οπές που βρίσκονται στο p-τμήμα. Σε αυτή την περίπτωση, η πλευρά n θα έχει ένα ελαφρύ αρνητικό φορτίο και η πλευρά p θα έχει ένα ελαφρύ θετικό φορτίο. Το ηλεκτρικό πεδίο, ένα φράγμα, που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα αυτής της «βαρύτητας» θα αποτρέψει την περαιτέρω κίνηση των ηλεκτρονίων.

Εάν συνδέσετε μια πηγή τροφοδοσίας στη δίοδο με τέτοιο τρόπο ώστε το «–» να αγγίζει την πλευρά p της πλάκας και το «+» να αγγίζει την πλευρά n, η ροή ρεύματος θα είναι αδύνατη λόγω του γεγονότος ότι οι τρύπες θα έλκονται στην αρνητική επαφή της πηγής ισχύος και τα ηλεκτρόνια θα έλκονται προς τα θετικά και η σύνδεση μεταξύ των ηλεκτρονίων p και n πλευράς θα χαθεί λόγω της διαστολής του συνδυασμένου στρώματος.

Αλλά αν συνδέσετε το ρεύμα με επαρκή τάση αντίστροφα, π.χ. "+" από την πηγή στην πλευρά p, και "-" - στην πλευρά n, τα ηλεκτρόνια που τοποθετούνται στην πλευρά n θα απωθούνται από τον αρνητικό πόλο και θα ωθηθούν προς την πλευρά p, καταλαμβάνοντας οπές την περιοχή p.

Τώρα όμως τα ηλεκτρόνια έλκονται από τον θετικό πόλο του τροφοδοτικού και συνεχίζουν να κινούνται μέσα από τις οπές p. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε μπροστινή πόλωση διόδου.

Δίοδος + δίοδος = τρανζίστορ

Το ίδιο το τρανζίστορ μπορεί να θεωρηθεί ως δύο δίοδοι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, η περιοχή p (αυτή όπου βρίσκονται οι τρύπες) γίνεται κοινή μεταξύ τους και ονομάζεται «βάση».

Ένα τρανζίστορ N-P-N έχει δύο n-περιοχές με πρόσθετα ηλεκτρόνια - είναι επίσης ο "εκπομπός" και ο "συλλέκτης" και μια ασθενής περιοχή με οπές - η περιοχή p, που ονομάζεται "βάση".

Εάν συνδέσετε ένα τροφοδοτικό (ας το ονομάσουμε V1) στις n-περιοχές του τρανζίστορ (ανεξάρτητα από τον πόλο), μια δίοδος θα έχει αντίστροφη πόλωση και το τρανζίστορ θα είναι κλειστό.

Αλλά, μόλις συνδέσουμε μια άλλη πηγή ρεύματος (ας την ονομάσουμε V2), ρυθμίζοντας την επαφή «+» στην «κεντρική» περιοχή p (βάση) και την επαφή «–» στην περιοχή n (εκπομπός), Μερικά ηλεκτρόνια θα ρέουν μέσω της σχηματισμένης και πάλι αλυσίδας (V2) και μέρος θα έλκεται από τη θετική n-περιοχή. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν στην περιοχή του συλλέκτη και το ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα θα ενισχυθεί.

Ας εκπνεύσουμε!

4. Πώς λειτουργεί λοιπόν ένας υπολογιστής;

Και τώρα το πιο σημαντικό.

Ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση, το τρανζίστορ μπορεί να είναι είτε Άνοιξε, ή κλειστό. Εάν η τάση είναι ανεπαρκής για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού (το ίδιο στη διασταύρωση των πλακών p και n), το τρανζίστορ θα είναι σε κλειστή κατάσταση - στην κατάσταση "off" ή, στη γλώσσα του δυαδικού συστήματος, " 0”.

Όταν υπάρχει αρκετή τάση, το τρανζίστορ ανοίγει και παίρνουμε την τιμή "on" ή "1" στο δυαδικό σύστημα.

Αυτή η κατάσταση, 0 ή 1, ονομάζεται "bit" στη βιομηχανία υπολογιστών.

Εκείνοι. παίρνουμε την κύρια ιδιότητα του ίδιου του διακόπτη που άνοιξε το δρόμο στους υπολογιστές για την ανθρωπότητα!

Ο πρώτος ηλεκτρονικός ψηφιακός υπολογιστής ENIAC, ή πιο απλά, ο πρώτος υπολογιστής, χρησιμοποιούσε περίπου 18 χιλιάδες λαμπτήρες τριόδου. Ο υπολογιστής είχε το μέγεθος ενός γηπέδου τένις και ζύγιζε 30 τόνους.

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ένας επεξεργαστής, πρέπει να κατανοήσετε δύο ακόμη βασικά σημεία.

Στιγμή 1. Λοιπόν, αποφασίσαμε τι είναι κομμάτι. Αλλά με τη βοήθειά του μπορούμε να πάρουμε μόνο δύο χαρακτηριστικά από κάτι: είτε «ναι» ή «όχι». Για να μάθει ο υπολογιστής να μας καταλαβαίνει καλύτερα, βρήκαν έναν συνδυασμό 8 bit (0 ή 1), τον οποίο ονόμασαν ψηφιόλεξη.

Χρησιμοποιώντας ένα byte, μπορείτε να κωδικοποιήσετε έναν αριθμό από το μηδέν έως το 255. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους 255 αριθμούς - συνδυασμούς μηδενικών και μονάδων, μπορείτε να κωδικοποιήσετε οτιδήποτε.

Στιγμή 2.Το να έχουμε αριθμούς και γράμματα χωρίς καμία λογική δεν θα μας έδινε τίποτα. Αυτός είναι ο λόγος που εμφανίστηκε η έννοια λογικούς τελεστές.

Συνδέοντας μόνο δύο τρανζίστορ με συγκεκριμένο τρόπο, μπορείτε να επιτύχετε πολλές λογικές ενέργειες ταυτόχρονα: "και", "ή". Ο συνδυασμός της τάσης σε κάθε τρανζίστορ και του τύπου σύνδεσης σάς επιτρέπει να λαμβάνετε διαφορετικούς συνδυασμούς μηδενικών και μονάδων.

Με τις προσπάθειες των προγραμματιστών, οι τιμές των μηδενικών και των μονάδων, το δυαδικό σύστημα, άρχισαν να μετατρέπονται σε δεκαδικά ώστε να καταλάβουμε τι ακριβώς «λέει» ο υπολογιστής. Και για να εισάγουμε εντολές, θα πρέπει να αντιπροσωπεύουμε τις συνήθεις ενέργειες μας, όπως η εισαγωγή γραμμάτων από το πληκτρολόγιο, ως μια δυαδική αλυσίδα εντολών.

Με απλά λόγια, φανταστείτε ότι υπάρχει ένας πίνακας αναζήτησης, ας πούμε, ASCII, στον οποίο κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε συνδυασμό 0 και 1. Πατήσατε ένα κουμπί στο πληκτρολόγιο και εκείνη τη στιγμή στον επεξεργαστή, χάρη στο πρόγραμμα, τα τρανζίστορ άλλαξαν έτσι ώστε αυτό να εμφανίζεται στην οθόνη το γράμμα που αναγράφεται στο κλειδί.

Αυτή είναι μια μάλλον πρωτόγονη εξήγηση της αρχής λειτουργίας του επεξεργαστή και του υπολογιστή, αλλά η κατανόηση αυτού μας επιτρέπει να προχωρήσουμε.

5. Και άρχισε η κούρσα των τρανζίστορ

Αφού ο Βρετανός μηχανικός ραδιοφώνου Jeffrey Dahmer πρότεινε την τοποθέτηση των απλούστερων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε ένα μονολιθικό κρύσταλλο ημιαγωγών το 1952, η βιομηχανία υπολογιστών έκανε άλματα προς τα εμπρός.

Από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που πρότεινε ο Dahmer, οι μηχανικοί μετακόμισαν γρήγορα μικροτσίπ, τα οποία βασίστηκαν σε τρανζίστορ. Με τη σειρά τους, αρκετά τέτοια τσιπ έχουν ήδη δημιουργηθεί από ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ.

Φυσικά, οι διαστάσεις τέτοιων επεξεργαστών δεν μοιάζουν πολύ με τους σύγχρονους. Επιπλέον, μέχρι το 1964, όλοι οι επεξεργαστές είχαν ένα πρόβλημα. Απαιτούσαν μια ατομική προσέγγιση - μια διαφορετική γλώσσα προγραμματισμού για κάθε επεξεργαστή.

  • 1964 IBM System/360.Υπολογιστής συμβατός με Universal Code. Το σύνολο εντολών για ένα μοντέλο επεξεργαστή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ένα άλλο.
  • δεκαετία του '70.Η εμφάνιση των πρώτων μικροεπεξεργαστών. Επεξεργαστής ενός τσιπ από την Intel. Intel 4004 – 10 micron TC, 2.300 τρανζίστορ, 740 KHz.
  • 1973 Intel 4040 και Intel 8008. 3.000 τρανζίστορ, 740 kHz για τον Intel 4040 και 3.500 τρανζίστορ στα 500 kHz για τον Intel 8008.
  • 1974 Intel 8080. 6 micron TC και 6000 τρανζίστορ. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 5.000 kHz. Ήταν αυτός ο επεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Altair-8800. Το εγχώριο αντίγραφο του Intel 8080 είναι ο επεξεργαστής KR580VM80A, που αναπτύχθηκε από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Μικροσυσκευών του Κιέβου. 8 bit.
  • 1976 Intel 8080. 3 micron TC και 6500 τρανζίστορ. Συχνότητα ρολογιού 6 MHz. 8 bit.
  • 1976 Zilog Z80. 3 micron TC και τρανζίστορ 8500. Συχνότητα ρολογιού έως 8 MHz. 8 bit.
  • 1978 Intel 8086. 3 micron TC και 29.000 τρανζίστορ. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 25 MHz. Το σύστημα εντολών x86, το οποίο χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. 16 bit.
  • 1980 Intel 80186. 3 micron TC και 134.000 τρανζίστορ. Συχνότητα ρολογιού - έως 25 MHz. 16 bit.
  • 1982 Intel 80286. 1,5 micron TC και 134.000 τρανζίστορ. Συχνότητα - έως 12,5 MHz. 16 bit.
  • 1982 Motorola 68000. 3 microns και 84.000 τρανζίστορ. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Apple Lisa.
  • 1985 Intel 80386. 1,5 micron TP και 275.000 τρανζίστορ Συχνότητα – έως 33 MHz στην έκδοση 386SX.

Φαίνεται ότι η λίστα θα μπορούσε να συνεχιστεί επ' αόριστον, αλλά τότε οι μηχανικοί της Intel αντιμετώπισαν ένα σοβαρό πρόβλημα.

6. Ο νόμος του Moore ή πώς μπορούν οι κατασκευαστές τσιπ να προχωρήσουν

Είναι τέλη της δεκαετίας του '80. Πίσω στις αρχές της δεκαετίας του '60, ένας από τους ιδρυτές της Intel, ο Gordon Moore, διατύπωσε τον λεγόμενο «Νόμο του Moore». Ακούγεται κάπως έτσι:

Κάθε 24 μήνες, ο αριθμός των τρανζίστορ που τοποθετούνται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται.

Είναι δύσκολο να ονομάσουμε αυτόν τον νόμο νόμο. Θα ήταν πιο ακριβές να το ονομάσουμε εμπειρική παρατήρηση. Συγκρίνοντας τον ρυθμό ανάπτυξης της τεχνολογίας, ο Moore συμπέρανε ότι μια παρόμοια τάση θα μπορούσε να διαμορφωθεί.

Αλλά ήδη κατά την ανάπτυξη της τέταρτης γενιάς επεξεργαστών Intel i486, οι μηχανικοί αντιμετώπισαν το γεγονός ότι είχαν ήδη φτάσει στο ανώτατο όριο απόδοσης και δεν μπορούσαν πλέον να φιλοξενήσουν περισσότερους επεξεργαστές στην ίδια περιοχή. Εκείνη την εποχή, η τεχνολογία δεν το επέτρεπε αυτό.

Ως λύση, βρέθηκε μια επιλογή χρησιμοποιώντας μια σειρά πρόσθετων στοιχείων:

  • προσωρινή μνήμη;
  • μετακομιστής;
  • ενσωματωμένος συνεπεξεργαστής?
  • πολλαπλασιαστής

Μέρος του υπολογιστικού φορτίου έπεσε στους ώμους αυτών των τεσσάρων κόμβων. Ως αποτέλεσμα, η εμφάνιση της προσωρινής μνήμης, αφενός, περιέπλεξε τον σχεδιασμό του επεξεργαστή, από την άλλη, έγινε πολύ πιο ισχυρός.

Ο επεξεργαστής Intel i486 αποτελούνταν ήδη από 1,2 εκατομμύρια τρανζίστορ και η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του έφτασε τα 50 MHz.

Το 1995, η AMD εντάχθηκε στην ανάπτυξη και κυκλοφόρησε τον ταχύτερο συμβατό με i486 επεξεργαστή Am5x86 σε αρχιτεκτονική 32 bit εκείνη την εποχή. Είχε ήδη κατασκευαστεί με τεχνική διαδικασία 350 νανομέτρων και ο αριθμός των εγκατεστημένων επεξεργαστών έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια μονάδες. Η συχνότητα ρολογιού έχει αυξηθεί στα 133 MHz.

Αλλά οι κατασκευαστές chip δεν τόλμησαν να επιδιώξουν περαιτέρω αύξηση του αριθμού των επεξεργαστών που ήταν εγκατεστημένοι σε ένα τσιπ και την ανάπτυξη της ήδη ουτοπικής αρχιτεκτονικής CISC (Complex Instruction Set Computing). Αντίθετα, ο Αμερικανός μηχανικός David Patterson πρότεινε τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των επεξεργαστών, αφήνοντας μόνο τις πιο απαραίτητες υπολογιστικές οδηγίες.

Έτσι, οι κατασκευαστές επεξεργαστών μεταπήδησαν στην πλατφόρμα RISC (Reduced Instruction Set Computing), αλλά αυτό αποδείχθηκε ότι δεν ήταν αρκετό.

Το 1991, κυκλοφόρησε ο επεξεργαστής 64-bit R4000 που λειτουργεί στα 100 MHz. Τρία χρόνια αργότερα, εμφανίζεται ο επεξεργαστής R8000 και μετά από άλλα δύο χρόνια, ο R10000 με συχνότητα ρολογιού έως και 195 MHz. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκε η αγορά των επεξεργαστών SPARC, το αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό της οποίας ήταν η απουσία οδηγιών πολλαπλασιασμού και διαίρεσης.

Αντί να τσακώνονται για τον αριθμό των τρανζίστορ, οι κατασκευαστές τσιπ άρχισαν να επανεξετάζουν την αρχιτεκτονική της δουλειάς τους. Η άρνηση "περιττών" εντολών, η εκτέλεση εντολών σε έναν κύκλο ρολογιού, η παρουσία καταχωρητών γενικής αξίας και η διοχέτευση κατέστησαν δυνατή τη γρήγορη αύξηση της συχνότητας ρολογιού και της ισχύος των επεξεργαστών χωρίς παραμόρφωση του αριθμού των τρανζίστορ.

Εδώ είναι μερικές μόνο από τις αρχιτεκτονικές που εμφανίστηκαν μεταξύ 1980 και 1995:

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

Βασίστηκαν στην πλατφόρμα RISC, και σε ορισμένες περιπτώσεις, μερική, συνδυασμένη χρήση της πλατφόρμας CISC. Αλλά η ανάπτυξη της τεχνολογίας ώθησε και πάλι τους κατασκευαστές τσιπ να συνεχίσουν να επεκτείνουν τους επεξεργαστές.

Τον Αύγουστο του 1999, το AMD K7 Athlon, που κατασκευάστηκε με τεχνολογία διεργασίας 250 νανομέτρων και περιλαμβάνει 22 εκατομμύρια τρανζίστορ, εισήλθε στην αγορά. Αργότερα ο πήχης ανέβηκε στα 38 εκατομμύρια επεξεργαστές. Έπειτα μέχρι 250 εκατ.

Ο τεχνολογικός επεξεργαστής αυξήθηκε, η συχνότητα ρολογιού αυξήθηκε. Αλλά, όπως λέει η φυσική, υπάρχει ένα όριο σε όλα.

7. Το τέλος των διαγωνισμών τρανζίστορ πλησιάζει

Το 2007, ο Gordon Moore έκανε μια πολύ ισχυρή δήλωση:

Ο νόμος του Μουρ σύντομα θα πάψει να ισχύει. Είναι αδύνατο να εγκαταστήσετε απεριόριστο αριθμό επεξεργαστών επ' άπειρον. Ο λόγος για αυτό είναι η ατομική φύση της ύλης.

Είναι αντιληπτό με γυμνό μάτι ότι οι δύο κορυφαίοι κατασκευαστές τσιπ AMD και Intel έχουν σαφώς επιβραδύνει τον ρυθμό ανάπτυξης επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια. Η ακρίβεια της τεχνολογικής διαδικασίας έχει αυξηθεί σε λίγα μόνο νανόμετρα, αλλά είναι αδύνατο να φιλοξενηθούν ακόμη περισσότεροι επεξεργαστές.

Και ενώ οι κατασκευαστές ημιαγωγών απειλούν να λανσάρουν πολυστρωματικά τρανζίστορ, κάνοντας έναν παραλληλισμό με τη μνήμη 3DNand, η αρχιτεκτονική x86, η οποία είχε χτυπήσει σε τοίχο πριν από 30 χρόνια, είχε έναν σοβαρό ανταγωνιστή.

8. Τι περιμένει τους «κανονικούς» επεξεργαστές

Ο νόμος του Moore έχει ακυρωθεί από το 2016. Αυτό ανακοινώθηκε επίσημα από τον μεγαλύτερο κατασκευαστή επεξεργαστών Intel. Οι κατασκευαστές chip δεν είναι πλέον σε θέση να διπλασιάζουν την υπολογιστική ισχύ κατά 100% κάθε δύο χρόνια.

Και τώρα οι κατασκευαστές επεξεργαστών έχουν πολλές απρόβλεπτες επιλογές.

Η πρώτη επιλογή είναι οι κβαντικοί υπολογιστές. Έχουν ήδη γίνει προσπάθειες να κατασκευαστεί ένας υπολογιστής που χρησιμοποιεί σωματίδια για την αναπαράσταση πληροφοριών. Υπάρχουν πολλές παρόμοιες κβαντικές συσκευές στον κόσμο, αλλά μπορούν να αντιμετωπίσουν μόνο αλγόριθμους χαμηλής πολυπλοκότητας.

Επιπλέον, η σειριακή κυκλοφορία τέτοιων συσκευών τις επόμενες δεκαετίες αποκλείεται. Ακριβό, αναποτελεσματικό και... αργό!

Ναι, οι κβαντικοί υπολογιστές καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια από τους σύγχρονους ομολόγους τους, αλλά θα είναι πιο αργοί έως ότου οι προγραμματιστές και οι κατασκευαστές εξαρτημάτων στραφούν στη νέα τεχνολογία.

Η δεύτερη επιλογή είναι επεξεργαστές με στρώματα τρανζίστορ. Τόσο η Intel όσο και η AMD σκέφτονται σοβαρά αυτήν την τεχνολογία. Αντί για ένα στρώμα τρανζίστορ, σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν πολλά. Φαίνεται ότι τα επόμενα χρόνια ενδέχεται να υπάρχουν επεξεργαστές στους οποίους όχι μόνο ο αριθμός των πυρήνων και η ταχύτητα ρολογιού, αλλά και ο αριθμός των στρωμάτων τρανζίστορ θα είναι σημαντικός.

Η λύση έχει δικαίωμα στη ζωή, και έτσι οι μονοπωλητές θα μπορούν να αρμέγουν τον καταναλωτή για άλλες δύο δεκαετίες, αλλά, στο τέλος, η τεχνολογία θα χτυπήσει ξανά ταβάνι.

Σήμερα, κατανοώντας την ταχεία ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής ARM, η Intel ανακοίνωσε αθόρυβα τσιπ από την οικογένεια Ice Lake. Οι επεξεργαστές θα κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τεχνολογία διεργασίας 10 νανομέτρων και θα αποτελέσουν τη βάση για smartphone, tablet και φορητές συσκευές. Αυτό όμως θα γίνει το 2019.

9. Το ARM είναι το μέλλον

Έτσι, η αρχιτεκτονική x86 εμφανίστηκε το 1978 και ανήκει στον τύπο πλατφόρμας CISC. Εκείνοι. από μόνο του, προϋποθέτει την παρουσία οδηγιών για όλες τις περιπτώσεις. Η ευελιξία είναι η κύρια δύναμη του x86.

Αλλά, την ίδια στιγμή, η ευελιξία έπαιξε επίσης ένα σκληρό αστείο με αυτούς τους επεξεργαστές. Το x86 έχει πολλά βασικά μειονεκτήματα:

  • την πολυπλοκότητα των εντολών και την απόλυτη πολυπλοκότητά τους.
  • υψηλή κατανάλωση ενέργειας και παραγωγή θερμότητας.

Η υψηλή απόδοση έπρεπε να πει αντίο στην ενεργειακή απόδοση. Επιπλέον, δύο εταιρείες εργάζονται επί του παρόντος στην αρχιτεκτονική x86, η οποία μπορεί εύκολα να θεωρηθεί μονοπωλιακή. Αυτά είναι η Intel και η AMD. Μόνο αυτοί μπορούν να παράγουν επεξεργαστές x86, που σημαίνει ότι μόνο αυτοί ελέγχουν την ανάπτυξη της τεχνολογίας.

Ταυτόχρονα, αρκετές εταιρείες αναπτύσσουν το ARM (Arcon Risk Machine). Το 1985, οι προγραμματιστές επέλεξαν την πλατφόρμα RISC ως βάση για περαιτέρω ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής.

Σε αντίθεση με το CISC, το RISC περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός επεξεργαστή με τον ελάχιστο απαιτούμενο αριθμό εντολών, αλλά τη μέγιστη βελτιστοποίηση. Οι επεξεργαστές RISC είναι πολύ μικρότεροι από τον CISC, πιο ενεργειακά αποδοτικοί και απλούστεροι.

Επιπλέον, το ARM δημιουργήθηκε αρχικά αποκλειστικά ως ανταγωνιστής του x86. Οι προγραμματιστές έθεσαν το καθήκον να δημιουργήσουν μια αρχιτεκτονική που είναι πιο αποτελεσματική από την x86.

Από τη δεκαετία του '40, οι μηχανικοί έχουν καταλάβει ότι ένα από τα καθήκοντα προτεραιότητας παραμένει να εργαστούν για τη μείωση του μεγέθους των υπολογιστών και, πρώτα απ 'όλα, των ίδιων των επεξεργαστών. Αλλά είναι απίθανο σχεδόν πριν από 80 χρόνια κάποιος να μπορούσε να φανταστεί ότι ένας πλήρης υπολογιστής θα ήταν μικρότερος από ένα σπιρτόκουτο.

Η αρχιτεκτονική ARM υποστηρίχθηκε κάποτε από την Apple, η οποία ξεκίνησε την παραγωγή tablet Newton με βάση την οικογένεια επεξεργαστών ARM6 ARM.

Οι πωλήσεις επιτραπέζιων υπολογιστών πέφτουν κατακόρυφα, ενώ ο αριθμός των φορητών συσκευών που πωλούνται ετησίως ανέρχεται ήδη σε δισεκατομμύρια. Συχνά, εκτός από την απόδοση, όταν επιλέγει ένα ηλεκτρονικό gadget, ο χρήστης ενδιαφέρεται για πολλά ακόμη κριτήρια:

  • κινητικότητα;
  • αυτονομία.

Η αρχιτεκτονική x86 είναι ισχυρή σε απόδοση, αλλά μόλις εγκαταλείψετε την ενεργή ψύξη, ο ισχυρός επεξεργαστής θα φαίνεται αξιολύπητος σε σύγκριση με την αρχιτεκτονική ARM.

10. Γιατί η ARM είναι ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης

Είναι απίθανο να εκπλαγείτε που το smartphone σας, είτε πρόκειται για ένα απλό Android είτε για τη ναυαρχίδα της Apple του 2016, είναι δεκάδες φορές πιο ισχυρό από τους πλήρεις υπολογιστές από τα τέλη της δεκαετίας του '90.

Αλλά πόσο πιο ισχυρό είναι το ίδιο iPhone;

Η σύγκριση δύο διαφορετικών αρχιτεκτονικών από μόνη της είναι πολύ δύσκολο πράγμα. Οι μετρήσεις εδώ μπορούν να ληφθούν μόνο κατά προσέγγιση, αλλά μπορείτε να κατανοήσετε το τεράστιο πλεονέκτημα που παρέχουν οι επεξεργαστές smartphone που είναι κατασκευασμένοι στην αρχιτεκτονική ARM.

Ένας καθολικός βοηθός σε αυτό το θέμα είναι η τεχνητή δοκιμή απόδοσης Geekbench. Το βοηθητικό πρόγραμμα είναι διαθέσιμο τόσο σε επιτραπέζιους υπολογιστές όσο και σε πλατφόρμες Android και iOS.

Οι φορητοί υπολογιστές μεσαίας κατηγορίας και αρχικού επιπέδου υστερούν σαφώς σε σχέση με τις επιδόσεις του iPhone 7. Στην κορυφαία κατηγορία, όλα είναι λίγο πιο περίπλοκα, αλλά το 2017 η Apple κυκλοφορεί το iPhone X με το νέο τσιπ A11 Bionic.

Εκεί, η αρχιτεκτονική ARM σας είναι ήδη οικεία, αλλά οι βαθμολογίες του Geekbench έχουν σχεδόν διπλασιαστεί. Οι φορητοί υπολογιστές από το «υψηλότερο κλιμάκιο» είναι τεταμένοι.

Όμως έχει περάσει μόνο ένας χρόνος.

Η ανάπτυξη του ARM προχωρά με άλματα και όρια. Ενώ η Intel και η AMD παρουσιάζουν ετήσια αύξηση 5-10% στην απόδοση, την ίδια περίοδο οι κατασκευαστές smartphone καταφέρνουν να αυξήσουν την ισχύ των επεξεργαστών κατά δύο έως δυόμισι φορές.

Οι δύσπιστοι χρήστες που περνούν από τις κορυφαίες γραμμές του Geekbench θα ήθελαν απλώς να τους υπενθυμίσουμε: στις τεχνολογίες κινητής τηλεφωνίας, το μέγεθος είναι αυτό που μετράει περισσότερο.

Τοποθετήστε έναν υπολογιστή all-in-one με έναν ισχυρό επεξεργαστή 18 πυρήνων στο τραπέζι, ο οποίος «σκίζει την αρχιτεκτονική ARM» και, στη συνέχεια, τοποθετήστε το iPhone δίπλα του. Νιώθεις τη διαφορά;

11. Αντί απόσυρσης

Είναι αδύνατο να καλύψουμε την 80χρονη ιστορία της ανάπτυξης υπολογιστών σε ένα υλικό. Αλλά αφού διαβάσετε αυτό το άρθρο, θα είστε σε θέση να κατανοήσετε πώς λειτουργεί το κύριο στοιχείο οποιουδήποτε υπολογιστή – ο επεξεργαστής – και τι να περιμένετε από την αγορά τα επόμενα χρόνια.

Φυσικά, η Intel και η AMD θα εργαστούν για να αυξήσουν περαιτέρω τον αριθμό των τρανζίστορ σε ένα τσιπ και να προωθήσουν την ιδέα των στοιχείων πολλαπλών επιπέδων.

Αλλά εσείς, ως καταναλωτής, χρειάζεστε τέτοιου είδους δύναμη;

Είναι απίθανο να είστε δυσαρεστημένοι με την απόδοση του iPad Pro ή του κορυφαίου iPhone X. Δεν νομίζω ότι είστε δυσαρεστημένοι με την απόδοση του πολυκουζινιού σας στην κουζίνα σας ή την ποιότητα της εικόνας στην τηλεόραση 4K 65 ιντσών σας. Αλλά όλες αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν επεξεργαστές που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARM.

Τα Windows έχουν ήδη ανακοινώσει επίσημα ότι κοιτάζουν με ενδιαφέρον την ARM. Η εταιρεία περιλάμβανε υποστήριξη για αυτήν την αρχιτεκτονική στα Windows 8.1 και τώρα εργάζεται ενεργά σε συνδυασμό με τον κορυφαίο κατασκευαστή τσιπ ARM ​​Qualcomm.

Η Google έριξε επίσης μια ματιά στο ARM - το λειτουργικό σύστημα Chrome OS υποστηρίζει αυτήν την αρχιτεκτονική. Έχουν εμφανιστεί αρκετές διανομές Linux που είναι επίσης συμβατές με αυτήν την αρχιτεκτονική. Και αυτό είναι μόνο η αρχή.

Και απλώς προσπαθήστε για μια στιγμή να φανταστείτε πόσο ευχάριστο θα ήταν να συνδυάσετε έναν ενεργειακά αποδοτικό επεξεργαστή ARM με μια μπαταρία γραφενίου. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι που θα καταστήσει δυνατή την απόκτηση κινητών εργονομικών gadget που θα είναι σε θέση να υπαγορεύουν το μέλλον.