Посібник для початківців: Центральний процесор та його характеристики
Центральний процесор є ключовим компонентом будь-якого персонального комп'ютера. У цьому матеріалі ми розповімо про основні характеристики сучасних процесорів, їх технологічні особливості та базові функціональні можливості.
Вступ
Будь-який комп'ютер, будь то ноутбук, настільний ПК або планшет складається з декількох важливих компонентів, які відповідають за його функціональні можливості та працездатність в цілому. Але, мабуть, найважливішим із них є центральний процесор (ЦП, ЦПУ або CPU) - пристрій, що відповідає за всі основні обчислення та виконує машинні інструкції (код програм). Недарма саме процесор вважається мозком комп'ютера і головною частиною його апаратного забезпечення.
Як правило, вибираючи собі комп'ютер, ми в першу чергу звертаємо увагу на те, який саме процесор знаходиться в його основі, оскільки від його продуктивності безпосередньо залежатимуть можливості та функціональність вашого майбутнього ПК. Саме тому людина, яка володіє інформацією про сучасних виробників процесорів і тенденції розвитку цього ринку, зможе грамотно визначити не тільки можливості того чи іншого комп'ютерного пристрою, але й оцінити перспективність майбутньої купівлі нового ПК або оновлення старого.
Цілком очевидно, що процесори, встановлені у всіляких комп'ютерних та електронних пристроях, відрізняються між собою не лише своєю продуктивністю, а й конструктивними особливостями, а також принципами роботи. У рамках цього циклу ми з вами знайомитимемося з процесорами, побудованими на базі архітектуриx86, які лежать в основі більшості сучасних настільних комп'ютерів, ноутбуків і нетбуків, а також деяких планшетів.
Напевно, у багатьох читачів, особливо тих, хто тільки починає знайомитися з комп'ютером, існує певне упередження, що розумітися на всіх цих «процесорних премудростях» доля досвідчених користувачів, тому що це дуже складно. Але чи так проблематично насправді?
З одного боку, звичайно процесор – це дуже складний пристрій і досконало вивчити всі його технічні характеристики справді непросто. Ще більше погіршує ситуацію той факт, що кількість моделей ЦП, які ви зможете зараз знайти на сучасному ринку, дуже велика, оскільки одночасно у продажу присутні відразу кілька поколінь чіпів. Але з іншого боку, процесори мають лише кілька ключових характеристик, розібравшись у яких, рядовий користувач зможе самостійно оцінити можливості тієї чи іншої моделі процесора та зробити правильний вибір, не заплутавшись у всьому модельному розмаїтті.
Основні характеристики процесорів
Архітектура x86 вперше була реалізована у власних процесорах компанією Intel наприкінці 70-х років, а в її основу було покладено обчислення зі складним набором команд (CISC). Свою назву ця архітектура отримала від останніх двох цифр, якими закінчувалися кодові найменування моделей ранніх виробів Intel - користувачі зі стажем напевно пам'ятають ще 286 (80286), 386 (80386) і 486 (80486) «персоналки», що були мрією будь-якого комп'ютерника кінця 80-х, початку 90-х років.
На сьогоднішній день архітектура x86 була реалізована і в процесорах компаній AMD, VIA, SiS, Cyrix та багатьох інших.
Основними характеристиками процесорів, якими їх прийнято розділяти на сучасному ринку, є:
- фірма виробник
- серія
- кількість обчислювальних ядер
- тип настановного роз'єму (сокет)
- тактова частота.
Виробник (бренд) . На сьогоднішній день усі центральні процесори для настільних комп'ютерів та ноутбуків розділені на два великі табори під марками Intel та AMD, які разом покривають близько 92% загального світового ринку мікропроцесорів. Незважаючи на те, що з них частка Intel становить приблизно 80%, ці дві компанії вже багато років зі змінним успіхом конкурують між собою, намагаючись залучити покупців під свої прапори.
Серія - є одним із ключових характеристик центрального процесора. Як правило, обидва виробника поділяють свою продукцію на кілька груп з їхньої швидкодії, орієнтації на різні категорії користувачів та різні сегменти ринку. Кожна з таких груп складає сімейство або серію зі своєю відмітною назвою, за якою можна зрозуміти не лише цінову нішу продукту, а й загалом його функціональні можливості.
На сьогоднішній день в основі продукції компанії Intel лежать п'ять основних сімейств. Pentium (Dual-Core), Celeron (Dual-Core), Core i3, Core i5і Core i7. Перші три націлені на бюджетні домашні та офісні рішення, два останні лежать в основі продуктивних систем.
ПроцесорIntel Core i7
Декілька особняком від основних сімейств тримається лінійка чіпів Atom, що відрізняється від інших низьким енергоспоживанням та невисокою вартістю. Ці процесори призначені для установки в бюджетних системах, де не потрібна висока продуктивність, але потрібне мале споживання енергії. До таких належать нетбуки, неттопи, планшетні ПК та комунікатори.
Не можна не згадати і ще про одне сімейство процесорів компанії із Санта-Клара. Core 2. Не дивлячись на те, що воно вже не випускається, і знайти його у продажу можна лише на різних «барахолках», досі у користувачів ця родина користується заслуженою популярністю, а багато нинішніх домашніх комп'ютерів оснащені процесорами саме цієї серії.
Компанія AMD, шанувальникам своєї продукції, пропонує процесори серій Athlon II, Phenom II, A-Seriesі FX-Series. Шлях двох перших сімейств підходить до логічного завершення, останні два лише набирають обертів. Подекуди ще можна зустріти у продажу найбюджетніші процесори Sempron, хоч їхні дні практично пораховані.
ПроцесорAMD FX-Series
Як і Intel, AMD має також свою «мобільну» серію під назвою E-series, мікропроцесори якої характеризуються зниженим енергоспоживанням і призначені для встановлення в недорогі настільні та портативні ПК.
Кількість обчислювальних ядер . Ще минулого десятиліття поділ процесорів за кількістю ядер був зовсім, оскільки вони були одноядерними. Але часи змінюються і сьогодні одноядерні ЦП можна назвати анахронізмом, а на зміну їм прийшли багатоядерні побратими. Найпоширенішими з них є двох та чотириядерні чіпи. Дещо менше поширені процесори з трьома, шістьма і вісьма обчислювальними ядрами.
Наявність у процесорі відразу кількох ядер покликане збільшити його продуктивність, і як ви розумієте, що їх більше, тим вона вища. Щоправда, при роботі зі старим, неоптимізованим під багатоядерні обчислення, програмним забезпеченням це правило може і не працювати.
Тип роз'єму . Будь-який процесор встановлюється в системну плату, де для цього існує спеціальний роз'єм (гніздо) або по-іншому - сокет (Socket). Процесори різних виробників, серій та поколінь встановлюються у різні типи роз'ємів. Сьогодні, для настільних ПК, таких сім - чотири для чіпів Intel і три для AMD.
Основним і найпоширенішим сокетом для центральних процесорів Intel вважається LGA 1155. Найпродуктивніші та найпросунутіші рішення цієї компанії встановлюються в роз'єм LGA 2011. Інші два типи роз'ємів - LGA 775 і LGA 1156 доживають свої останні дні, тому що випуск процесорів під такі типи сокету практично припинено.
Серед виробів AMD, на сьогоднішній день типом роз'єму, що використовується, можна назвати Socket AM3. Як правило, в нього встановлюються більшість бюджетних та найбільш ходових продуктів компанії. Правда ця ситуація найближчим часом швидше за все зміниться, тому що всі новітні процесори та продуктивні рішення мають роз'єми Socket AM3+ та Socket FM1.
До речі процесори Intel і AMD можна дуже просто відрізнити за однією характерною ознакою, яку ви можливо вже помітили, дивлячись на фотографії. Вироби компанії AMD мають на задній частині велику кількість штирьків-контактів, за допомогою яких вони підключаються до системної плати (вставляються в роз'єм). Intel же використовує принципово інше рішення, так як контактні ніжки знаходяться не на самому процесорі, усередині роз'єму материнської плати.
Розглядати роз'єми тут для мобільних рішень ми не будемо, оскільки це не має практичного сенсу. Адже тип сокета для користувача важливий тільки в тому випадку, якщо ви плануєте самостійно провести заміну (апгрейд) процесора у вашому комп'ютері. У портативних пристроях це зробити досить важко, та й самі мобільні версії процесорів купити в роздріб практично неможливо.
Тактова частота - характеристика визначальна продуктивність процесора, що вимірюється в мегагерцах (МГц) чи гігагерцах (ГГц) і що показує кількість операцій, що він може зробити секунду. Щоправда, проводити порівняння продуктивності різних моделей процесорів лише за показником їх тактової частоти докорінно неправильно.
Справа в тому, що для виконання однієї операції різним чіпам може знадобитися різна кількість тактів. Крім того, сучасні системи при обчисленнях використовують конвеєрну та паралельну обробку, і можуть за один такт виконати відразу кілька операцій. Все це призводить до того, що різні моделі процесорів, що мають однакову тактову частоту, можуть показувати різну продуктивність.
Зведена таблиця сімейств процесорів для настільних ПК
Технологічний процес(технологія виробництва)
При виробництві мікросхем і зокрема кристалів мікропроцесорів у промислових умовах використовується фотолітографія – метод, яким за допомогою літографічного обладнання на тонку крем'яну підкладку наносяться провідники, ізолятори та напівпровідники, які й формують ядро процесора. У свою чергу літографічне обладнання, що використовується, має певну роздільну здатність, яка і визначає назву застосовуваного технологічного процесу.
Intel
Чим же такий важливий технологічний процес, за допомогою якого виготовляються процесори? Постійне вдосконалення технологій дозволяє пропорційно зменшувати розміри напівпровідникових структур, що сприяє зменшенню розміру процесорних ядер та їх енергоспоживання, а також зниженню їхньої вартості. У свою чергу зниження енергоспоживання зменшує тепловиділення процесора, що дозволяє збільшувати їхню тактову частоту, а значить і обчислювальну потужність. Також невелике тепловиділення дозволяє застосовувати більш продуктивні рішення в мобільних комп'ютерах (ноутбуки, нетбуки, планшети).
Кремнієва пластина з чіпами процесорівAMD
Перший процесор Intel з архітектурою x86, що досі є основною для всіх сучасних ЦП, був зроблений наприкінці 70-х років за допомогою техпроцесу, що дорівнює 3 мкм (мікрометра). До початку 2000-х років практично всі провідні виробники мікросхем, включаючи компанії AMD та Intel, освоїли 0,13 мкм або 130 нм – технологічний процес. Більшість сучасних процесорів виготовляються за 32 нм – техпроцесом, а з середини 2012 року та за 22 нанометровими технологіями.
Перехід більш тонкий техпроцес завжди є значною подією для виробників мікропроцесорів. Адже це, як було зазначено раніше, призводить до зниження вартості виробництва чіпів і поліпшення їх ключових характеристик, а значить, робить продукцію розробника, що випускається, більш конкурентоспроможною на ринку.
Енергоспоживання та тепловиділення
На ранній стадії свого розвитку мікропроцесори споживали невелику кількість енергії. Але зі зростанням тактових частот і кількості транзисторів в ядрі чіпів цей показник став стрімко зростати. Фактично не врахований спочатку фактор енергоспоживання на сьогоднішній день має колосальний вплив на еволюцію процесорів.
Чим вище енергоспоживання процесора, тим більше він виділяє тепла, яке може призвести до перегріву і виходу з ладу, як самого процесора, так і мікросхем, що його оточують. Для відведення тепла використовуються спеціальні системи охолодження, розмір яких безпосередньо залежить від кількості тепла, що виділяється процесором.
На початку 2000-х років тепловиділення деяких процесорів зросло вище 150 Вт, а для їхнього охолодження доводилося використовувати масивні та галасливі вентилятори. Більше того, середня потужність блоків живлення того часу становила 300 Вт, а це означає, що більше половини її мало йти на обслуговування «ненажерливого» процесора.
Саме тоді стало зрозуміло, що подальше нарощування обчислювальної потужності процесорів неможливе без зниження їхнього енергоспоживання. Розробники були змушені кардинально переглянути процесорні архітектури та почати активно впроваджувати технології, що сприяють зниженню тепловиділення.
Процесори, що працюють на надвисоких тактових частотах, доводиться остуджувати такими гігантськими системами охолодження.
Для оцінки тепловиділення процесорів була введена величина, що характеризує вимоги до продуктивності систем охолодження та назва TDP. TDP вказує на відведення якої кількості тепла має бути розрахована та чи інша система охолодження при використанні з певною моделлю процесора. Наприклад, TDP процесорів для мобільних ПК має бути менше 45 Вт, оскільки використання в ноутбуках або нетбуках великих та важких систем охолодження неможливе.
На сьогоднішній день, в епоху розквіту портативних пристроїв (ноутбуки, неттопи, планшети), розробникам вдалося досягти колосальних результатів на терені зниження енергоспоживання. Цьому посприяли: перехід на більш тонкий технологічний процес при виробництві кристалів, впровадження нових матеріалів для зниження струмів витоку, зміна компонування процесорів, застосування різноманітних датчиків та інтелектуальних систем, що відстежують температуру та напругу, а також впровадження інших технологій енергозбереження. Всі ці заходи дозволяють розробникам продовжувати нарощувати обчислювальні потужності процесорів та використовувати більш продуктивні рішення у компактних пристроях.
На практиці, враховувати теплові характеристики процесора при покупці варто, якщо ви хочете зібрати безшумну компактну систему, або наприклад, бажаєте, щоб майбутній ноутбук працював якомога довше від акумулятора.
Архітектура процесорів та кодові імена
В основі кожного процесора лежить так звана процесорна архітектура - набір якостей та властивостей, властивий цілому сімейству мікрочіпів. Архітектура безпосередньо визначає внутрішню конструкцію та організацію процесорів.
За традицією, що склалася, компанії Intelи AMD дають своїм різним процесорним архітектурам кодові імена. Це точніше дозволяє систематизувати сучасні процесорні рішення. Наприклад, процесори одного сімейства з однаковою тактовою частотою та кількістю ядер можуть бути виготовлені із застосуванням різного технологічного процесу, а отже мати різну архітектуру та продуктивність. Також застосування звучних імен у назвах архітектур дає можливість виробникам ефектніше презентувати, нам користувачам, свої нові розробки.
Розробки Intel носять географічні назви місць (гір, річок, міст тощо), що знаходяться неподалік місць розміщення її виробничих структур, відповідальних за розробку відповідної архітектури. Наприклад, перші процесори Core 2 Duo були збудовані на архітектурі Conroe (Конрой), яка отримала свою назву на честь міста, розташованого в американському штаті Техас.
Компанія AMD якоїсь чіткої тенденції формування імен для своїх розробок не має. Від покоління до покоління тематична спрямованість може змінюватись. Наприклад, нові процесори компанії носять кодові імена Liano та Trinity.
Багаторівневий кеш
У процесі виконання обчислень мікропроцесору необхідно постійно звертатися до пам'яті для читання або запису даних. У сучасних комп'ютерах функцію основного зберігання даних та взаємодії з процесором виконує оперативна пам'ять.
Не дивлячись на високу швидкість обміну даними між цими двома компонентами, процесору часто доводиться простоювати, чекаючи запитану в пам'яті інформацію. У свою чергу це призводить до зниження швидкості обчислень та загальної продуктивності системи.
Для покращення цієї ситуації, всі сучасні процесори мають кеш - невеликий проміжний буфер пам'яті з дуже швидким доступом, що використовується для зберігання даних, що найбільш часто запитуються. Коли процесору стають необхідні дані, він спочатку шукає їх копії в кеші, оскільки звідти вибірка необхідної інформації відбудеться набагато швидше, ніж з оперативної пам'яті.
Більшість мікропроцесорів для сучасних комп'ютерів мають багаторівневий кеш, що складається із двох або трьох незалежних буферів пам'яті, кожен з яких відповідає за прискорення певних процесів. Наприклад, кеш першого рівня (L1) може відповідати за прискорення завантаження машинних інструкцій, другого (L2) – прискорення запису та читання даних, а третього (L3) – прискорення трансляції віртуальних адрес у фізичні.
Однією з основних проблем, що стоять перед розробниками, є знаходження оптимальних розмірів кеша. З одного боку, великий кеш може містити більше даних, а значить відсоток того, що процесор знайде серед них потрібні – вище. З іншого боку, що більше розмір кеша, то більше вписувалося затримка під час вибірки даних із нього.
Тому, кеші різних рівнів мають різний розмір, при цьому кеш першого рівня – найменший, але й найшвидший, а третього – найбільший, але й найповільніший. Пошук даних у них відбувається за принципом від меншого до більшого. Тобто процесор спочатку намагається знайти необхідну йому інформацію в кеші L1, потім L2 і потім в L3 (за його наявності). За відсутності необхідних даних переважають у всіх буферах відбувається звернення до оперативної пам'яті.
У цілому нині, ефективність роботи кешу, особливо 3-го рівня, залежить від характеру звернення програм до пам'яті та архітектури процесора. Наприклад, в деяких додатках наявність кеша L3 може принести 20% приріст продуктивності, а в деяких не позначитися зовсім. Тому на практиці навряд чи варто керуватися характеристиками багаторівневого кешу, при виборі процесора для свого комп'ютера.
Вбудована графіка
З розвитком технологій виробництва і, як наслідок, зменшенням розмірів чіпів, у виробників з'явилася можливість розміщувати всередині процесора додаткові мікросхеми. Першою з таких стало графічне ядро, що відповідає за виведення зображення на монітор.
Таке рішення дозволяє знизити загальну вартість комп'ютера, тому що в цьому випадку немає необхідності використовувати готельну відеокарту. Очевидно, що гібридні процесори орієнтовані використання у бюджетних системах і корпоративному секторі, де продуктивність графічної складової вторинна.
Перший приклад інтеграції відеопроцесора до «нормального» ЦП продемонструвала компанія Intel на початку 2010 року. Звичайно, жодної революції це не принесло, тому що до цього моменту графіка вже давно і успішно інтегрувалася у чіпсети материнських плат.
Колись різниця по функціоналу між інтегрованою та дискретною графікою була принциповою. На сьогоднішній день можна говорити лише про різну продуктивність цих рішень, оскільки вбудовані відеочіпи здатні виводити зображення на кілька моніторів у будь-яких доступних дозволах, виконувати 3D-прискорення та апаратне кодування відео. По суті, інтегровані рішення щодо своєї продуктивності та можливостей можна порівняти з молодшими моделями відеокарт.
Компанія Intel інтегрує у свої процесори графічне ядро під нехитрою назвою IntelHDGraphics власної розробки. При цьому процесори Core 2, Celeron та старші моделі Core i7 вбудованих графічних ядер не мають.
AMD, здійснивши злиття у 2006 році з гігантом з виробництва відеокарт, канадською компанією ATI, вбудовує у свої рішення відеочіпи сімейства Radeon HD. Більш того, деякі нові процесори компанії являють собою об'єднання процесорних ядер x86 і графічних Radeon на одному кристалі. Єдиний елемент, створений шляхом злиття центрального (CPU) та графічного (GPU) процесорів, отримав назву APU, Accelerated Processor Unit (прискорений процесорний елемент). Саме так (APU) тепер і називають процесори A та E-серій.
Загалом, інтегровані графічні рішення від компанії AMD є більш продуктивними, ніж Intel HD і виглядають краще в ігрових програмах.
РежимTurbo
Багато сучасних процесорів оснащені технологією, що дозволяє їм у деяких випадках автоматично збільшувати тактову частоту вище за номінальну, що призводить до збільшення продуктивності додатків. Фактично, дана технологія є «саморозгоном» процесора. Час роботи системи в режимі Turbo залежить від умов експлуатації, робочого навантаження та конструктивних особливостей платформи.
Компанія Intel використовує власну технологію інтелектуального розгону під назвою Turbo Boost. Використовується вона у продуктивних сімействах Core i5 та Core i7.
Відстежуючи параметри, пов'язані з навантаженням на ЦПУ (напруга та сила струму, температура, потужність), вбудована система управління підвищує тактову частоту ядер у разі, коли максимальний тепловий пакет (TDP) процесора ще не досягнуто. За наявності незавантажених ядер вони відключаються та звільняють свій потенціал для тих, що використовуються додатками. Чим менше ядер задіяно у обчисленнях, тим вище піднімається тактова частота чипів, що беруть участь у обчисленнях. Для однопотокових додатків прискорення може становити 667 МГц.
AMD також має свою технологію динамічного розгону найбільш навантажених ядер і застосовує її лише у своїх 6 та 8-ядерних чіпах, до яких відносяться серії Phenom II X6 та FX. Називається вона Turbo Core і здатна працювати тільки в тому випадку, якщо в процесі обчислень кількість завантажених ядер становить менше половини від загальної кількості. Тобто у разі 6-ядерних процесорів кількість неактивних ядер має бути не менше трьох, а 8-ядерних - чотирьох. На відміну від Intel Turbo Boost, у цій технології на приріст частоти не впливає кількість вільних ядер, і він завжди однаковий. Його величина залежить від моделі процесора та коливається від 300 до 600 МГц.
Висновок
На закінчення давайте спробуємо застосувати практично отримані знання з користю. Наприклад, в одному популярному магазині комп'ютерної електроніки продаються два процесори Intel Core i5 з тактовою частотою 2.8 ГГц. Давайте подивимося на їх описи, взяті з сайту магазину, і спробуємо розібратися в їх відмінностях.
Якщо уважно подивитися на скріншоти, то незважаючи на те, що обидва процесори відносяться до одного сімейства спільного у них не так багато: тактова частота та кількість ядер. Інші характеристики відрізняються, але перше на що варто звернути увагу - це типи роз'ємів, в які встановлюються обидва процесори.
Intel Core i5 760 має роз'єм Socket 1156, а значить відноситься до застарілого покоління процесорів. Купівля його буде виправдана тільки в тому випадку, якщо у вас вже стоїть у комп'ютері материнська плата з таким гніздом, і ви не хочете міняти її.
Новіший Core i5 2300 виготовлений вже за більш тонким техпроцесом (32 нм проти 45 нм), а значить, має і більш досконалу архітектуру. Незважаючи на дещо менший L3 кеш і «саморозгін» цей процесор напевно не поступиться продуктивності своєму попереднику, а наявність вбудованої графіки дозволить обійтися без придбання окремої відеокарти.
Незважаючи на те, що в обох процесорів тепловиділення вказано однаковим (95 Вт), Core i5 2300 в рівних умовах буде холоднішим за свого попередника, так як ми вже знаємо, що більш сучасний технологічний процес забезпечує менше енергоспоживання. У свою чергу, це збільшує його розгінний потенціал, що не може не тішити комп'ютерних ентузіастів.
А тепер розглянемо приклад на базі процесорів AMD. Тут ми вибрали спеціально процесори з двох різних сімейств – Athlon II X4 та Phenom II X4. По ідеї лінійка Phenom є більш продуктивною, ніж Athlon, але давайте подивимося на їх характеристики і вирішимо, чи так однозначно.
З характеристик видно, що обидва процесори мають однакові тактову частоту і кількість обчислювальних ядер, практично ідентичне тепловиділення, а також у обох відсутні вбудоване графічне ядро.
Перша відмінність, яка відразу впадає в око - процесори встановлюються в різні роз'єми. Незважаючи на те, що обидва вони (роз'єми) на даний момент активно підтримуються виробниками системних плат, з цієї пари Socket FM1 виглядає дещо кращим з точки зору майбутньої модернізації, оскільки можна встановити нові процесори (APU) A-серії.
Ще одним плюсом Athlon II X4 651 є більш тонкий і сучасний технологічний процес, яким він був зроблений. Phenom II відповідає наявністю Turbo-режиму та кешу третього рівня.
У результаті ситуація складається неоднозначна і тут ключовим фактором може стати роздрібна ціна, яка у процесора з лінійки Athlon II на 20-25% менше, ніж у Phenom II. А з урахуванням перспективнішої платформи (Socket FM1) покупка Athlon II X4 651 виглядає більш привабливою.
Звичайно, що більш однозначно говорити про переваги тих чи інших моделей процесорів, необхідно знати на базі якої архітектури вони виготовлені, а так само їх реальну продуктивність в різних додатках, виміряну на практиці. У наступному матеріалі, ми розглянемо докладно сучасні модельні ряди мікропроцесорів Intel та AMD для настільних ПК, познайомимося з характеристиками різних сімейств CPU, а також наведемо порівняльні результати їхньої продуктивності.