Популярно про процессоры. Часть 1

Процессор в современном компьютере – компонент важный и необходимый, он часто используется как синоним всего ПК. Действительно, многие пользователи на вопрос “Что у тебя за комп?” отвечают: “Pentium” или “Athlon”. Процессор в головах большинства людей является самым главным в компьютере. Давайте разберёмся, какой лучше брать процессор, пусть он выступает в рамках единой платформы или отдельно.

Процессор – очень сложный компонент, венец современных технологических достижений человека. Из простой пригорошни песка люди научились создавать кристаллы размером с ноготь, способные выполнять миллиарды вычислений в секунду. Процессор отличается очень сложным строением, и в то же время его кирпичиками являются транзисторы – простые переключатели-защёлки. Работает транзистор просто: если на запирающем затворе нет тока (кран закручен), то транзистор не работает. Если ток подаётся (кран открутили), то транзистор открывается. В современных процессорах присутствуют сотни миллионов транзисторов. Все они подчиняются единой цели: чтобы ваш компьютер смог вычислять, и делать это с немыслимой скоростью!

Характеристика первая: техпроцесс
Мы специально упомянули транзисторы, поскольку они связаны с очень важной характеристикой процессора: технологическим процессом производства (или просто техпроцессом). Вы наверняка встречали цифры 65, 90 или 130 нм. Давайте попробуем разобраться, что под ними скрывается.

После того, как из кремниевого песка будет выращен кристалл, его разрезают на тонкие пластины диметром 200 или 300 мм: основу будущих процессоров. Затем с помощью долгого и сложного процесса, называемого фотолитографией, на пластины наносятся транзисторы и другие компоненты. На каждой пластине формируется несколько сотен будущих CPU. Потом процессоры из пластины вырезают, наносят много слоёв алюминиевых или медных соединений (они связывают транзисторы и участки кристалла между собой), насаживают процессор на упаковку, тестируют – и продают.
Прогресс не стоит на месте, технологии производства совершенствуются, и со временем (примерно каждые два года) на полупроводниковых заводах устанавливают новое фотолитографическое оборудование, позволяющее создавать транзисторы меньшего размера. Оборудование стоит просто немыслимые деньги, так что позволить себе такую роскошь могут лишь гиганты вроде Intel, IBM, AMD и других. Так вод, под цифрами 65, 90 или 130 нм скрывается размер одного транзистора, выпускаемого на новом оборудовании.
Кроме того, во время производства могут использоваться и другие технологии. Например, Intel на 90-нм линии опирается на технологию растянутого кремния, а AMD и IBM – на технологию “кремний на диэлектрике”. Поэтому 90-нм процессоры Intel и AMD обладают разными качествами.

В целом, правило таково: чем меньше техпроцесс, тем лучше. Действительно, транзистор меньшего размера может переключаться при меньшем напряжении, что снижает общее потребление энергии. Процессор при условии прежней площади кристалла может вмещать больше транзисторов, которые могут пойти на кэш и другие компоненты. Поэтому кэш в современных процессорах достиг 2 Мбайт, а будет и ещё больше. Наконец, процессоры с маленькими транзисторами можно сильнее разгонять.
Ещё один аргумент: при переходе на меньший техпроцесс производители часто меняют поколение процессорного ядра. Так, Pentium 4 Willamette (180 нм) превратился в Northwood (130 нм), затем в Prescott (90 нм), а сегодня уже в Cedar Mill (65 нм). Каждое поколение сопровождается разными улучшениями: увеличением размера кэша, добавлением инструкций и т.д.

Характеристика вторая: размер кэша
Многим работа процессора кажется сложной, но на самом деле всё, что он делает: считывает данные из памяти, обрабатывает данные, записывает обратно в память.
Если скорость второй операции зависит от производительности самого процессора, то первый и третий этапы – от скорости (пропускной способности) памяти. А вот с этим огромные проблемы. Где-то в 80-х годах прошлого века процессоры были медленными, и память успевала их обслуживать. Но затем производительность CPU стала стремительно расти, и память уже не поспевала. А какой толк в самом скоростном процессоре, если он не будет успевать считывать или записывать данные?
Что же делать? Поступили просто: добавили между процессором и оперативной памятью специальную скоростную и дорогую память, названную “кэшем”. По-английски “кэш” лучше всего перевести как “заначка”. Процессор примеряет кэш для хранения наиболее часто использующихся данных. Кэш по размеру намного меньше оперативной памяти (в несколько сотен – тысячу раз), но работает намного быстрее. Причём на скорость работы влияет не только пропускная способность (сколько информации можно передать за секунду), но и время доступа (сколько времени пройдёт до получения данных).
Приведём аналогию из жизни. Предположим, вам захотелось выпить баночку пива вечером. Придётся бежать в супермаркет. Это долго и утомительно. Поэтому лучше запастись пивом на несколько дней в холодильнике. Тогда в следующий раз бежать далеко не придётся – всё будет под рукой. Конечно, весь супермаркет в холодильник поместить нельзя, но самые нужные продукты – можно. Точно таким же образом работает и кэш, “заначка” процессора для самых часто используемых данных.
Кэш в процессоре делится на несколько уровней. Как правило, вы будете сталкиваться с кэшем второго уровня L2. У самых дешёвых процессоров он составляет 128-256 Кбайт. У дорогих и мощных – 2 Мбайт. Думаем, вы легко догадаетесь, как размер кэша сказывается на производительности...

Продолжение следует...


Рекомендуем почитать: