Что такое процессор? Центральный процессор — это мозг компьютера, занимающийся сокращением чисел. Все, что делает компьютер — от видеоигр до написания эссе — разбивается на набор математических инструкций. Процессор принимает эти инструкции и выполняет их.
Детали того, как это происходит, конечно, намного сложнее, чем это простое объяснение. Самое важное, что вам нужно знать, это то, что процессор является основным математическим механизмом компьютера.
Краткая история процессоров
История вычислений долгая и сложная. Это также идет дальше в историю, чем цифровая технология, электроника или даже электричество. Абакус — это своего рода процессор. Как и механические калькуляторы. Большая разница в том, что эти машины могут выполнять только одну или несколько математических задач. Они не являются процессорами общего назначения, примером которых является современный процессор.
Что делает ЦП универсальным вычислительным устройством, так это использование логики. В 1903 году Никола Тесла запатентовал электрические цепи, известные как ворота и выключатели. Используя эти схемы, вы можете создавать устройства, которые выполняют логические операции, при которых машина может работать при определенных условиях.
В конце 1940-х годов Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели и запатентовали устройство, называемое транзистором, работая в Bell Laboratories. Транзистор является основным строительным блоком процессора. Транзисторы — это относительно крошечные компьютерные компоненты. Транзистор является настолько важным изобретением, что три изобретателя были удостоены Нобелевской премии за него.
В конце 1950-х годов Роберт Нойс и Джек Килби сделали огромный шаг вперед и создали первую работающую интегральную схему. Интегральная схема представляет собой набор электронных схем, интегрированных в один кусок полупроводникового материала. В большинстве случаев этим материалом является кремний. Это то, что люди имеют в виду, когда говорят «микрочип».
Процессор состоит из одного или нескольких микрочипов. Это важное изобретение, потому что миллиарды транзисторов могут быть упакованы в один процессор. Это создает невероятно мощные математические движки.
Используя изобретения логических вентилей, транзисторов и интегральных микросхем, весь мир изменился. В наши дни микрочипы есть во всем, а не только в вашем компьютере. А процессоры — самые передовые микрочипы общего назначения, которые мы можем сделать.
Как работают процессоры?
Весь принцип работы процессора основан на двоичном коде. Люди, как правило, представляют числа, используя систему, называемую основанием 10, или десятичную систему. Местные значения каждой цифры в номере увеличиваются в десять раз. Таким образом, «111» содержит сто десять и один.
Компьютеры и их процессоры вообще не могут понять базу 10. Транзисторы работают по принципу включения или выключения. Это означает, что логические элементы, которые вы строите из них, также могут работать только с этими двумя состояниями. Вот почему, по сути, процессоры работают на двоичном коде. Эта система счисления имеет различные значения места. Вместо этого, если 1, 10, 100, 1000 и т. д. Значения мест составляют 1,2,4,8,16,32,64,128 и т. д.
Таким образом, в двоичном коде «111» будет 7 в десятичных числах, так как вы добавляете 1,2 и 4 вместе. Если любое из чисел равно нулю, вы просто пропустите его и добавите значение места следующего 1. Таким образом, вы можете выразить любое десятичное значение. Просто отметьте, что двоичные числа часто читаются справа налево, поэтому значение «1» будет в крайнем правом углу.
Давайте поместим это в таблицу, чтобы сделать это кристально ясным:
Таким образом, 111 — это «7», а «11101» — это 23, потому что пятое место в двоичном виде — 16. Довольно круто, верно? Вы можете выразить любое возможное число, которое может быть записано в десятичном виде таким образом. Это означает, что компьютеры, построенные на транзисторах, могут работать с любыми числами.
Как производятся процессоры?
Процесс производства современных процессоров также, как и следовало ожидать, довольно сложный. Основной процесс включает выращивание больших цилиндров из кристалла кремния. Его полупроводниковые свойства делают его идеальным для построения двоичной интегральной схемы.
Эти крупные кристаллы нарезаны на тонкие вафли. Затем вафли «легируют» другим химическим веществом для точной настройки его свойств. Затем наноразмерную схему гравируют на поверхности пластины, используя свет, используя процесс, известный как фотолитография.
Дизайн процессора и производительность
Процессоры не все сделаны равными. Первый настоящий предок современного процессора, Intel 8086, имел около 29 000 транзисторов в своей интегральной схеме. Сегодня такой процессор, как Intel i99900K, имеет чуть более 1,7 миллиарда транзисторов. Чем плотнее логические схемы процессора, тем сложнее и выше число команд, которые он может выполнять за такт.
Подожди, «цикл часов»? Да, это другой важный компонент производительности процессора. ЦП работает на определенной частоте, с каждым импульсом тактовой частоты ЦП выполняется цикл вычислений. Если вы возьмете тот же процессор и удвоите его тактовую частоту, то (теоретически) он должен работать вдвое быстрее.
В 1978 году Intel 8086 работал на частоте 5 МГц при запуске. Это пять миллионов тактов в секунду. Intel i9-9900K? Он начинается с 3,6 ГГц. Это 3600 МГц, с возможностью увеличения скорости до 5000 МГц, когда это возможно.
Чтобы добавить еще одну проблему производительности ЦП, современные ЦП фактически содержат несколько «ядер». Каждое ядро фактически является независимым процессором. Обычно в настоящее время таких ядер по меньшей мере четыре, но в последнее время обычными компьютерами было шесть или восемь ядер. Профессиональные компьютеры высокого класса могут иметь в районе 100 процессорных ядер.
Наличие нескольких ядер означает, что процессор может выполнять несколько наборов команд параллельно. Это означает, что наши компьютеры могут делать много вещей одновременно без проблем. Некоторые процессоры имеют «многопоточные» ядра. Эти ядра могут самостоятельно справляться с двумя отдельными задачами. В процессорах Intel это называется «гиперпоточность».
Таким образом, общая производительность процессора сводится к комбинации:
— Это общее количество транзисторов и насколько продвинуты его логические схемы;
— Тактовая частота;
— Количество ядер;
— Количество потоков.
Это, конечно, больше, чем эти четыре основных момента. Тем не менее, это четыре основных соображения для обеспечения нормальной работы процессора.
Роль процессора в вашем компьютере
Последнее, что мы должны охватить, это то, какую роль процессор играет на вашем компьютере. В конце концов, это не единственная микросхема интегральной микросхемы в вашем компьютере. Например, графические процессоры часто даже более транзисторны, чем процессоры.
Им нужно собственное охлаждение и блок питания, а также память. Это как маленький дополнительный компьютер! То же самое можно сказать о чипах, которые контролируют ваш звук, USB и трафик жесткого диска. Так почему же процессор особенный? Это основные причины:
— Может обрабатывать ЛЮБУЮ инструкцию, GPU выполняет только определенные виды обработки.
— Он связывает все остальные компоненты вместе, толкая и извлекая данные, чтобы заставить ваш компьютер работать.
— Процессор участвует во всей работе, которую компьютер просил сделать до некоторой степени.
Короче говоря, процессор является наиболее важным компонентом производительности общего назначения на вашем компьютере. Не принимайте это как должное!
