Все электронные компоненты компьютера построены на основе транзисторов . Принцип работы транзистора был открыт тремя учёными в конце 40-х годов, работавшими в компании Bell Labs. Этими учёными были Вильям Шоклей (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Вальтер Брэтнен (Walter Brettain). В 1954 году им была присуждена Нобелевская премия. Важность и значение открытия транзистора для дальнейших разработок в компьютерной отрасли равносильно открытию в своё время колеса и способов добычи огня.
Первый компьютер получивший название ENIAC (elecronic Numeracal Integrator and Computer), был разработан в начале 40-х годов.
Компьютер ENIAC на основе электронных ламп.
В то время не были изобретены транзисторы, поэтому компьютер был изготовлен на основе тысяч громоздких и неудобных вакуумных ламп, а для его размещения потребовалось несколько комнат. Вес достигал 27 тонн. Вакуумные лампы сильно нагревались, были очень ненадёжными и требовали много электроэнергии. Когда ENIAC включали - огни близлежащего города каждый раз тускнели. ENIAC выполнял всего несколько функций. Сегодня эти операции делает любой карманный калькулятор.
С момента изобретения первого транзистора был совершён огромный скачок вперёд в области компьютерной техники. Транзисторы — более простые в изготовлении, дешевле, легче, надёжнее и потребляют гораздо меньше энергии.
Первый транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надёжнее.
Как можно заставить транзистор работать на нас? Говоря упрощённо, мы используем для этого программное обеспечение, которое и даёт указания компьютеру на включение и выключение транзисторов и в итоге приводит к решению поставленной задачи. В процессе выполнения любых программ происходит генерация последовательности электрических импульсов (цифровых сигналов) в виде наличия двух уровней напряжения. Данная последовательность и определяет работу транзисторов.
Естественно, чем более универсальным является программное обеспечение и чем больше транзисторов используется, тем более сложную и трудоёмкую работу может выполнить компьютер.
В компьютере транзистор работает как переключатель и состоит из трёх основных элементов: коллектора, эмиттера и базы. Предположим, что коллектор транзистора подключён к положительному полюсу 6 — вольтовой батареи, а эмиттер к отрицательному полюсу. Электроны не будут при этом проходить через транзистор (он закрыт). Но если мы подадим небольшое (открывающее) напряжение, на базу, то транзистор откроется и через него на участке коллектор-эмиттер пойдёт ток.
В компьютере используются миллионы транзисторов. Например процессор Intel core i7 содержит около миллиарда транзисторов.
Транзисторы в процессоре, на материнской плате, различных картах расширения и периферийных устройствах реагируют на цифровые сигналы, поступающие от других устройств.
Таким образом современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей – транзисторов.
Транзистор. Занимательные факты
- Первый портативный радиоприемник располагал всего четырьмя транзисторами, первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а в новейших четырехъядерных процессорах Intel на базе 45-нанометровой производственной технологии, выпущенных на рынок в ноябре 2007 года, насчитывается до 820 миллионов транзисторов.
- Размер 45-нанометрового транзистора в 2000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
- Более 30 миллионов 45-нанометровых транзисторов можно разместить на булавочной головке.
- Первый транзистор, созданный сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs в 1947 году, можно было взять в руки, тогда как сотни новейших 45-нанометровых транзисторов Intel способны разместиться на поверхности одной красной кровяной клетки человека.
- Стоимость транзистора, интегрированного на кристалле новейшего процессора Intel, примерно в миллион раз ниже средней стоимости полупроводникового транзистора, ставшего основой интегральных микросхем в 1968 году. Если бы цены на автомобили снижались столь же стремительно, сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента.
- По оценкам аналитиков, ежегодно на планете отгружается такое количество процессоров, которое содержит примерно 10 19 транзисторов, что примерно в 100 раз больше всей популяции муравьев, живущих на Земле.
Этапы большого пути
Телевизоры, автомобили, радиоприемники, медицинские и бытовые приборы, компьютеры, космические «челноки» и даже программируемые дверные замки в гостиницах – наверное, сложно себе представить хоть один мало-мальски сложный электронный прибор из тех, что нас окружают, который не использовал бы транзисторы. Изобретение транзистора 60 лет назад сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs стало важнейшим фактором, стимулировавшим внедрение многих замечательных инноваций и развитие технологий. Фактически, без транзистора было бы невозможно существование практически всей современной электронно-цифровой индустрии. Именно транзистор – крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации – обеспечил феноменальный триумф компьютеров.
В чем же секрет успеха? Микроэлектроника неуклонно развивается, постоянно обогащая инновациями научно-техническое сообщество. Транзисторы с каждым новым поколением технологических процессов их изготовления становятся все более компактными, быстродействующими, все более экономно расходуют энергию. В ноябре 2007 г. инженеры Intel – впервые за многолетнюю историю существования полупроводниковых интегральных микросхем – нарушили кремниевую «монополию» при производстве транзисторов и ввели новые материалы в структуру полупроводниковых компонентов. Это позволило создать микропроцессоры на базе микроархитектуры Intel® Core™, использующие революционную 45-нанометровую производственную технологию с применением подзатворного изолятора (диэлектрика) на основе гафния с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости – high-k, а также металлического затвора, что обеспечивает рекордную производительность и эффективное энергопотребление.
Что же дальше? Корпорация Intel намерена и впредь раздвигать границы возможного за счет технологических инноваций, чтобы создавать новые виды продукции, способные качественным образом изменить нашу жизнь – то, как мы работаем, отдыхаем, обмениваемся информацией.
«Вкл» / «Выкл»
Официальной датой появления на свет первого транзистора считается 23 декабря (по другим данным – 16 декабря) 1947 года, авторами этого замечательного изобретения стали американские физики Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain). Правда, первоначально ученая общественность встретила это изобретение достаточно прохладно, но уже в 1956 году все три американца были удостоены Нобелевской премии в области физики. Причем, впоследствии Джон Бардин стал единственным за всю историю «нобелевки» дважды лауреатом в одной и той же номинации: вторая премия в области физики была присуждена ему в 1972 году за создание теории сверхпроводимости.
Ну а само название - «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John R. Pierce). В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев. Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор).
Первыми, кто стал активно применять транзисторы, были радиолюбители, использовавшие эти элементарные приборы для усиления сигнала. Именно поэтому первые портативные беспроводные радиоприемники пятидесятых годов назывались транзисторными, или даже просто - «транзисторами». Однако со временем они стали использоваться в основном как элементы интегральных микросхем, что обеспечило транзистору важнейшую роль в технических достижениях человечества на протяжении последних сорока лет.
Интересно отметить, что транзистор, по существу, делает то же, что и обычный выключатель: включает и выключает ток. Положение включено для транзистора означает «1», положение выключено – «0». Огромное количество транзисторов интегральной микросхемы генерирует единицы и нули, которые складываются в понятный компьютеру бинарный код – «язык», который компьютеры используют в процессе вычислений, обработки текста, воспроизведения фильмов и аудио, демонстрации изображений...
Транзисторы и... рок’н’ролл
Первый транзистор, ток в котором тек вдоль поверхности полупроводника, использовался для усиления проходившего через него электрического сигнала - транзисторы справлялись с этой задачей эффективнее, чем популярные в то время, но более громоздкие и хрупкие электронные лампы.
Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели двадцать шесть компаний. Однако для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным благодаря транзисторным радиоприемникам. Первая модель такого устройства, содержавшая аж четыре транзистора, была представлена в октябре 1954 года. С появлением портативного радиоприемника радиоманы обрели возможность слушать музыку и получать информацию в любом месте – этим сразу же воспользовалась молодежь, получившая возможность вырваться из-под родительской опеки и самоутвердиться с помощью новой субкультуры. Так портативное радио стимулировало новую революцию... и в музыке – в эфире повсеместно зазвучал рок-н-ролл!
Интегральная микросхема
К концу 50-х годов транзистор «обосновался» в радиоприемниках, телефонах и ЭВМ, и хотя его размеры были намного меньше, чем у электронных ламп, для создания нового поколения электронных устройств этого было явно недостаточно. Чтобы реализовать огромный вычислительный потенциал транзисторов, приспособить их для массового производства и снизить стоимость, потребовалось еще одно изобретение.
В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему, или микросхему. Это был гигантский шаг вперед – ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную.
У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала экспоненциальное сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса. Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант Intel, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение конечной стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого размера оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.
Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel® 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel® 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel® Pentium® 4 преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel® Core™ 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 820 миллионов транзисторов.
Игры атомов
Закону Мура постоянно предсказывают кончину. Бесконечный экспоненциальный рост невозможен по определению – и все-таки производителям процессоров до сих пор удается обходить ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум лет 10-15, но затем могут возникнуть новые фундаментальные барьеры на пути его реализации. Так или иначе, но этот самый известный закон компьютерного мира XXI века ждали трудные времена.
Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (SiO2), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен. С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким – пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом.
По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество теплоты.
Фундаментальный предел
Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура – цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли кануть в Лету.
Чтобы найти выход из кризиса, нужно было увеличить толщину изолирующего слоя, но изготавливать этот более толстый слой из другого диэлектрического материала с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k) для сохранения характера взаимодействия затвора и канала. В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, серебристо-серого металла, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Сам Гордон Мур назвал это крупное достижение «самым важным изменением транзисторных технологий с конца шестидесятых годов».
Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора – с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.
12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла – теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.
Повышение вычислительной мощности, являющееся следствием закона Мура, позволяет человечеству эффективнее просчитывать пути разрешения важнейших стоящих перед ним проблем: изменение климата, наследственные болезни, тайны генетики и др. Современные пути и темпы решения подобных проблем еще пять лет назад трудно было себе даже представить. Новые приложения помогают изменить нашу жизнь и сделать ее еще более безопасной...
Количество транзисторов в процессоре:
Процессоры и производственная технология:
1. Технологический процесс
2. Частота процессора
3. Тепловыделение
4. Кэш память, уровни
5. Intel, AMD
6. Socket - способ крепления процессора
7. Как выбрать процессор?
Технологический процесс
Процесс развития процессоров, если увлекаться, интересное занятие. Начиналось всё с микросхем, у которых частота измерялась в килогерцах. Затем технологии совершенствовались, транзисторов становилось всё больше и больше, их размеры всё меньше и меньше, тем самым увеличивалась частота, уменьшалось энергопотребление и тепловыделение. В итоге сегодня у нас есть процессоры, частоты которых измеряются в несколько гигагерц, а благодаря уменьшению техпроцесса, есть возможность уместить несколько кристаллов (ядер) в одной подложке и разместить огромное количество транзисторов, плюс добавить память процессору (кэш).
В итоге имеем эффективные многоядерные процессоры с высокой частотой, несколько уровневой памятью, уменьшенным энергопотреблением и сравнительно небольшим тепловыделением.
Технологические процессы начинались от 10 микрометров (мкм - 10 -6) и сегодняшних процессов до 10 нанометров (нм - 10 -9)
В кратце процесс создания: Выплавляется кусок кремния в цилиндрическую форму, затем нарезается на тонкие пластины и на них наносятся микросхемы, затем монтируется это всё в корпус и герметизируется. Все этапы производства очень сложны и высокотехнологичны.
Вот как выглядит пластина с нанесёнными на неё микросхемами.
И немного увеличенный вариант пластины с готовыми кристаллами.
22 нм и 20 нм техпроцессы соответствуют производству сегодняшних процессоров: Intel Ivy Bridge, Intel Haswell (Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7).
Celeron и Pentium из этой группы в современных модификациях. Немного улучшены для доступности в цене, добавлена поддержка 64-х битной разрядности, кэш - память, однако всё равно слабо справляются с современными задачами, особенно Celeron.
Количество транзисторов в процессорах, со времён создания, изменялось от пары тысячь до сегодняшних почти 2-х миллиардов!
Интересно существует ли предел?
Частота процессора
Можно было бы сказать что, чем больше частота тем лучше, но это совсем не так. Лучше, если процессоры сделаны по одной архитектуре. В остальных случаях производительность зависит от архитектуры процессора, уровней и объёма кэш памяти процессора, а так же от частоты системной шины. Если она меньше (она обычно меньше), то частота процессора будет понижаться до её частот и процессор будет простаивать пока данные будут переданы по систмной шине (материнской плате).
Первый процессор был представлен 15 ноября 1971 года и имел частоту 740 кГц. На сегодня самые можные процессоры могут достигать частоты до 5 ГГц.
Ещё одно ошибочное мнение бытует (я сам слышал от некоторых), что если процессор многоядерный и у него частота допустим 2,6Ггц, то каждое ядро работает на этой частоте. Это абсолютно не верно! Это суммарная частота всех ядер. Эту максимальную частотe надо поделить на количество ядер и получится частота одного ядра.
Ниже приблизительный график изменения частоты процессоров (Ггц) и техпроцесса (нм).
Со временем техпроцесс становится меньше, а частота увеличивается и уменьшается энергопотребление.
Тепловыделение (TDP)
Процессоры выделяют большое количество тепла, без охлаждения буквально за четыре секунды могут нагреться до 90 градусов и естественно сгореть, а если есть система защиты от перегрева, то отключить систему.
Поэтому важно следить за состоянием радиатора с кулером, периодически очищать от пыли, при необходимости смазывать кулер или заменить. Перегрев так же может служить следствием торможения и зависания системы.
Если сравнивать тепловыделение между производителями процессоров Intel и AMD, то у последних оно гораздо выше. Что в общем то лично меня не устраивает. Так как процессор будет сильнее греться, следовательно охлаждение будет интенсивней работать, больше нагнетать воздуха и пыль вместе с ним, что приводит к скорейшему засорению радиатора и кулера, нарастанию пыльной корки, закупорки рёбер радиатора, препятствию прохождение воздуха и перегреву, а так же шум от интенсивного вращения кулера, ведь он будет с большей мощностью пытаться охладить систему.
Кэш - память (SRAM), уровни (L1, L2, L3)
Здесь опишу работу в кратце её работу. Обо всех типах памяти можете почитать в статье Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
У нас есть процессор, у него есть память первого уровня L1, она работает на частоте равной частоте процессора, то есть данные хранящиеся в этой памяти мгновенно поступят для обработки в процессор. Если этих данных в этой памяти нет, то идёт обращение к памяти уровня L2, которая чуть медленнее, но объём её немного больше. Далее, если данных нет в вышестоящей памяти, идёт обращение к памяти уровня L3, если таковая имеется, аналогично она медленнее, но больше. Ну и в последнюю очередь идёт обращение к оперативной памяти.
Пока идёт обращение к оперативной памяти, процессор простаивает. Простой занимает немного времени, какие то доли секунды, но в совокупности это может занять продолжительное время.
Intel, AMD
Именно Intel и AMD являются лидерами рынка по производству процессоров, особенно Intel с долей около 87%.
Не буду начинать с самых древних процессоров, а пробежимся с самых ходовых на сегодняшний день. Список общий, так как в микроархитектуру могут входить и другие техпроцессы под своими кодовыми названиями:
Nehalem (1-е поколение).
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Sandy Bridge (2-е поколение)
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Ivy Bridge (3-е поколение)
64-битные процессоры: EM64T - Микроархитектура Haswell (4-е поколение)
В первом и втором поколении Intel Celeron и Intel Pentium не стоит даже рассматривать при покупке, они уже своё изжили, современные задачи не вытягивают.
i3,i5,i7 разделяются по поколениям очень просто, по первой цифре в маркировке, например:
Intel Core i3 2100T - 2.5 ГГц, первая цифра в 2100Т это 2, значит процессор второго поколения.
Intel Core i5 3450 - 3.1 ГГц, первая цифра в 3450 это 3, значит процессор третьего поколения.
Intel Core i7 4770 - 3.4 ГГц, первая цифра в 4770 это 4, значит процессор третьего поколения.
Если в маркировке отсутствуют первые цифры 2,3,4, то скорее это процессор первого поколения.
Рассмотрим линейку процессоров FX от AMD, актуальную на данный момент.
Микроархитектура AMD для настольных ПК - Bulldozer
Четырёхядерные процессоры:
Шестиядерные процессоры:
Восьмиядерные процессоры:
Общее отличие между всеми ними это поддержка каких-нибудь технологий, нам не нужных, количеством ядер и частотой процессора. Главное отличие является цена. Я всё же писал что недолюбливаю AMD за огромное тепловыделение, однако можно подобрать модель соизмеримую по мощности с Intel, но дешевле. Хотя если процессор сильнее греется нужно подходящее охлаждение, которое тоже в копеечку обойдётся, так может быть не стоит искать аналог по дешевле?
Socket - способ крепления процессора
Socket (Сокет) - специальный разъём на материнской плате, предназначенный для установки процессора. На материнских платах производители указывают какие типы процессоров они поддерживают, на коробке или в описании можно это почитать. И в описании процессоров тоже указывается какие сокеты они поддерживают. Так что будьте внимательны. Это относится и к креплениям радиатора процессора. Крепления радиатора могут быть универсальными, то есть подходить к нескольким сокетам.
При установке процессора на материнскую плату имеются "ключи" (метки), для правильной установки. Например скошенный угол на процессоре и гнезде или выступы или углубления в подложке процессора и наоборот на разъёме.
Пример как выглядят метки на Сокете AM3
Пример Сокета 775
И последний пример Сокетов LGA 1366, 1150, 1155, 1156. С виду вроде выглядят одинково, но при установке процессора увидите разницу и невозможность неправильной установки в разъём. Нужно читать описание или характеристики.
Откуда такое разнообразие? Производство процессоров постоянно совершенствуется, меняется количество выводов и для того чтобы небыло путаницы в поддержке и установки процессора, придумывают разные способы крепления.
Как выбрать процессор?
Если для игр, то Вам всё равно придётся переплатить за встроенную графику, потому что топовые процессоры идут со встроенным видео, плюс раскошелится на мощную видеокарту. Здесь всё зависит от Ваших предпочтений. Для чего Вы будете использовать компьютер. Если для работы с документами, сёрфинга в интернете, просмотра видео, то подойдёт не самый мощный процессор. Я бы ещё приписал чтобы выбирали не со встроенной графикой, но тенденция такова что практически во все процессоры уже внедряют её. Даже наверное и к лучшему, не нужно отдельно покупать видеокарту.
Наверное самым оптимальным вариантом на сегодняшний день было бы приобретение процессора i5 от Intel второго поколения, в крайнем случае i3 на сокете LGA1155, так как эти процессоры в более менее доступной категории цен. Процессоры на i7 уж больно дорогие и в будущем, когда цены спадут можно без проблем обновиться до более производительного процессора. По моему остальные модификации не стоит рассматривать, они на сокетах предыдущих поколений, без возможности обновления конфигурации.
Например у меня до сих пор материнская плата на Socket LGA775 с процессором Intel Core 2Duo с 2008 года. Максимум как я могу его проапгрейдить это добавить оперативной памяти и например, поставить SSD диск. Если я захочу улучшить компьютер мне придётся обновлять весь компьютер, так как моя материнская плата уже не поддерживает процессоры нового поколения, поддержка оперативной памяти только DDR2, а в новых DDR3 или 4.
Во всяком случае Вам стоит ориентироваться на процессоры, поддерживающими актуальный и распространённый Socket, чтобы с большей вероятностью обновить свою конфигурацию оборудования в будущем. Хотя есть вероятность того что появятся новые виды процессоров и разъёмов, так что покупайте что сейчас актуально на рынке. Ещё есть такой слух что процессоры от Intel будут поддерживать только операционную систему Windows 10 и выше, кому она не по душе, тоже стоит призадуматься.
Есть такой замечательный сайт CPUBoss , в котором можно сравнить процессоры между собой по производительности, по параметрам и по цене. Так что вбивайте название процессоров и выбирайте лучший для Вас.
Итак, несмотря на внедряемые в мозг россиян мифы, мол, в России не производят ничего, тем более процессоры, отсталые и т.д. По факту, наши современные микросхемы и процессоры производятся и идут в том числе на экспорт, поскольку при сопоставимых с конкурентами характеристиках значительно дешевле. Это известно среди специалистов, но плохо известно широкому обывателю, тут мы просто сильно отстаём в освещении своих достижений.
Я постараюсь немного исправить этот пробел, но поскольку статья популярная -- в ней будет множество упрощений и допущений.
Как обыватели, мы ошибочно сравниваем все процессоры со знакомыми Intel и AMD, с ведущими грандами. Да, они крутые, и достичь таких же впечатляющих характеристик пока никто не может. Когда-то давно с ними наравне был Cirrus - но он сошел с дистанции и ушел из сегмента процессоров для настольных ПК. Однако люди, знакомые с микроэлектроникой, уже на этом абзаце улыбаются -- дело в том, что знакомые нам Intel и AMD занимают совершенно ничтожную долю мирового рынка, даже в категории "гражданские процессоры общего назначения". (Почему гражданские, об этом в следующих частях).
Далее я для упрощения забугорным словом "процессор" буду называть все микроконтроллеры с программируемой аппаратно или программно логикой, не забивая голову читателя деталями.Процессоры есть везде. Мы привыкли что они в нашем компьютере, но нет, если оглянуться вокруг, они повсюду - даже в телевизоре, мультиварке и микроволновке .
Прежде чем я вообще буду говорить о современных российских процессорах, читателю следует узнать о самом важном про процессоры, какие у них тонкие моменты.
О гигагерцах и нанометрах
Пока познакомлю читателя с основами.
Техпроцесс производства электроники мы привыкли измерять в нанометрах (нм). Грубо говоря, это влияет на размер одного транзистора в процессоре. Чем меньше нанометров, тем меньше каждый транзистор. А их в каждом процессоре от тысяч до миллиардов.
Чем это хорошо? Тем, что при том же энергопотреблении можно на кристалле разместить больше транзисторов -- они же совсем маленькие становятся.
Но каждый из них потребляет энергию, и чем транзистор меньше, тем меньше энергии ему требуется для работы, а электричество нынче дорого.
Почему же мы не можем просто сделать за копейки один большой кристалл с "миллиардом" транзисторов по техпроцессу 90нм, а делаем их дорогие и маленькие 22нм? Технически всё возможно, но тут есть нюанс. В силу законов физики, каждый транзистор при работе выделяет тепло. Чем "толще" транзистор, тем больше побочного тепла каждый из них выделяет, и если процессор сделан по техпроцессу 22нм, то его еще можно охлаждать просто воздушным кулером, как в вашем домашнем компьютере.
Точно такой же процессор, но "толщиной" 90нм будет греться, как забытая сковородка. Но есть и другая проблема, она состоит в частоте процессора.
Частота процессора . Еще один показатель, которым привык оперировать обыватель. Частота процессоров уже много лет не растёт, вы наверное заметили. Если в 90-х годах она росла, удваиваясь с каждой новой моделью, потом было замедление, а к 2010-му мы "зависли" в районе ~3 гигагерца (Ghz), и рост прекратился... И этому есть два объяснения. Первое простое -- снова тепло. Чем чаще мы "переключаем" каждый транзистор, тем сильнее он греется.
Кто видел видео про "оверклокеров" (люди, занимающиеся повышением производительности на нештатных токах и частотах), которые "разгоняют" процессоры до немыслимых частот, то заметили наверное, что там для охлаждения используются стаканы, куда периодически подливают жидкий азот.
Вы бы наверняка не хотели дома со своим компьютером делать такое, чтобы почитать эту статью в браузере =)
Тем более на таких частотах процессор работает крайне нестабильно и выдает кучу ошибок с неизбежным "синим экраном смерти"
Есть и вторая причина, связанная с первой. Она не так очевидна, поскольку внезапно связана, "та-дам", со скоростью света.
Дело в том, что электрический ток в процессорах распространяется со скоростью света (почти, это грубое приближение, но будем считать так). Давайте посчитаем, вот у нас процессор 3 гигагерца. Т.е. 3 миллиарда тактов (тактовых отсчетов внутренней логики) за секунду. Считаем: 1 / 3000000000 = 3,3^-10 секунд на один такт. За это время со скоростью света электрон "пролетит" по проводам 0,0001км, т.е. всего 10 см. !
Это немыслимо мало с учетом размера процессора и его изогнутых в 3-х измерениях внутренних дорожек, т.е. разные части процессора будут себя вести рассогласовано . Когда в одном конце кристалла начался новый такт с новой логикой, в другом конце еще не закончился предыдущий, еще не достиг своего блока вывода! Это очень плохо, это так же плохо, как у человека раздвоение личности.
С этим по-разному борятся, именно поэтому инженеры так любят хвастаться схемами блоков на кристалле процессора, вроде таких:
Особенно важно похвастаться количеством транзисторов на площадь кристалла. Вы ведь уже поняли про скорость света?
Это не самая подробная схема, но каждый раз это победа инженерной мысли, и, соответственно, подробные схемы расположения логических блоков - это коммерческая тайна.
Почему же огромная тактовая частота не важна? Вы уже догадались, процессоры давно перестали расти "вверх" (увеличивать частоту ради производительности), а стали расти "вширь":
иметь больше ядер практичнее с точки зрения роста производительности.
Мы все знаем про процессоры типа Pentium Core2Duo, Core i5 и т.д., у многих дома даже мощные i7 с частотой целых 3,4Ghz !
А еще мы знаем, что есть элитная серия процессоров для серверов и суперкомпьютеров -- крутейшие процессоры серии Xeon , которые стоят немеряно, неприлично дорого. Если захотите прикупить компьютер с таким процессором домой, то лучше сказать жене, что это обычный дешевый компьютер, а шумит он так сильно и такой большой, потому что очень дешевый, "пары тысяч рублей на маленький тихий корпус не хватило..." У меня так знакомый профессиональный фотограф без палева объективы за десятки тысяч рублей покупает.
Так вот, в среднем тактовая частота этой элиты, внезапно, всего 2,2Ghz. Задумайтесь. Прежде чем критиковать российский процессор Эльбрус за низкую частоту.
Я даже закину удочку, а что, если я скажу вам, что по факту производительность Эльбруса сопоставима с вдвое более высокочастотными процессорами Intel из высокого и дорогого сегмента?
Но, об этом в следующих частях.
Заключение Ч.1
Итак, уважаемый читатель, из первой части вы поняли, что современные процессоры и их производительность это тонкий баланс взаимоисключающих условий:
"толщина" транзистора + количество транзисторов в самом процессоре + размер кристалла процессора + ограничение по скорости света + тактовая частота.
Найти тут баланс можно множеством разных способов, как это было сделано в России - я расскажу позже, а пока на подходе Ч.2 , в которой я очень просто расскажу, как работает отдельный транзистор в процессоре, почему они до сих пор не 1нм "толщиной", причем тут квантовая физика и физика высоких энергий из космоса. Да-да, это важно, но это будет рассказано простым понятным языком, не пугайтесь.
А последствия квантовой физики вы можете увидеть прям сейчас на своем компьютере, зайдя в BIOS (если умеете) -- там вы увидите пункт "Spread spectrum", которого для старых процессоров еще не было, а теперь есть. Это она, родимая, борьба с квантовыми эффектами на процессоре вашего домашнего ПК.
И да пребудет с вами сила!
О российских микросхемах и процессорах - всё хорошо, ребята! Ч.2
Введение
Итак, в предыдущей части мы рассмотрели, как уменьшение размеров транзисторов в процессорах (уменьшение техпроцесса) дает положительный эффект (в гражданских процессорах).
Чтобы лучше понимать в предмете (к концу третьей части вы будете смеяться над критиками российских процессоров, причем сможете аргументировать), поговорим, почему уменьшение техпроцесса часто противопоказано, и что в будущем человечество (при существующих технологиях) "упрется" в 7 нанометров (нм). Чтобы понять все это, поговорим о "кирпичиках" процессора - миллиардах его транзисторов.
Мы будем периодически проводить аналогию с краном с водой. На этой аналогии можно показать все проблемы
Враги маленьких транзисторов. Слишком чувствительные
Все вычисления в процессорах, как вы знаете, состоят из нулей и единиц. 011000110101 и т.д.
Как же их различают?
Дело в том, что в электронике нет никаких нулей и единиц. Есть пороговое значение напряжения, ниже которого считается, что это "логический 0", выше которого считается, что это "логическая 1".
"Толстый" транзистор чувствительный как слон. Маленький же транзистор чувствителен, как жена-истеричка -- достаточно малейшего повода, чтобы из спокойного состояния она перешла к психозу.
Процессору с современным малым техпроцессом требуются:
1. Суперстабильное питание, без малейших скачков и провалов. Привет от военных!
2. Отсутствие наводок и электромагнитных помех. Привет из космоса!
Иначе 0 может превратиться в 1 и наоборот. А это ошибка в программе, сбой, глюк.
Вашему дешевому домашнему компьютеру ничего такого не грозит, наслаждайтесь, но в остальных двух категориях эволюция вынужденно пошла по другому пути. Там мегагерцы и "тонкие" транзисторы не нужны, и даже вредны. Но об этом будет в заключительной третьей части, когда буду говорить уже о конкретных процессорах.
Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Старый кран для полного напора надо было открыть на два оборота. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но теперь, едва прикоснувшись, из него начинает хлестать струя полного напора. Вы теперь боитесь даже дышать возле него.
Враги маленьких транзисторов. Квантовые эффекты
Представьте себе, что у вас в руках ракетка для тенниса, и вы играете со стеной. Любой человек в здравом уме скажет, что мячик от стены отскакивает. Всегда.
Но вот однажды мячик не отскочил - он просто "как сквозь землю провалился". В данном случае сквозь стену.
Это называется "туннелирование". Квантовый эффект, невозможный в макромире, при очень малых размерах вполне себе существует.
Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Кран закрыт - вода не течет = 0. Кран открыт = 1. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но почему-то когда вы его полностью закрываете -- вода продолжает тонко струиться.
Хуже того, у ваших соседей началась такая же фигня.
(эффект влияет и на соседние транзисторы)
Враги маленьких транзисторов. Ток утечки
Любому транзистору и проводнику требуется слой диэлектрика. Диэлектрик ток не пропускает. Чем меньше техпроцесс, тем тоньше слой диэлектрика.
Проблема в том, что ничего на свете не бывает идеального (особенно сделанном руками человека). В любом случае, в диэлектрике имеются дефекты. Если пара-тройка дефектов в "толстом" диэлектрике на малых токах роли не роялят, то в "тонком" диэлектрике это уже проблема, и возникают токи утечки.
Инженеры по-разному извращаются, экспериментируют с различными материалами, но факт -- практически половина тепла, выделяемого вашим процессором, это ток утечки, т.е. это половина всей потребляемой процессором энергии.
Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, с более продвинутыми тонкими трубами. Трубы эти настолько тонкие, что сквозь них сочится вода!
Вы ставите еще более продвинутый кран, но воды стало сочиться еще больше...
Заключение второй части
Наука не стоит на месте, а компании гонятся за прибылями. Союз этих двух сил породил у нас иллюзию, что "чем больше гигарерц -- тем круче " (процессор Эльбрус на практике с этим спорит, об этом в следующей части).
"Чем меньше техпроцесс -- тем круче ". Да, выше энергоэффективность и выше производительность. Да, это конечно так, но порождает огромные проблемы. Инженеры из TSMC вычислили математически, что при идеальных условиях (а значит недостижимых) физически возможный предел -- это 5 нанометров. Далее нужны иные физические принципы для электронной логики, например, основанные на значении спина протона.
Но есть и другие процессоры. Вообще, их принято делить на три категории:
1. Commercial (у нас "приёмка 1") -- обычные гражданские, для коммерческого использования. Именно такие на вашем компьютере, смартфоне, в микроволновке.
2. Military (у нас "приёмка 5") -- с ограниченным распространением, для военной техники, оборонных производств, авионики и т.д. Очень дорогие.
3. Space (у нас "приёмка 9") -- Для космоса и ядерных электростанций. С самым ограниченным распространением. Изготавливаются по технологиям, уже не имеющим почти ничего общего с первой. Запредельно дорогие.
Если хотите приключений, начните настойчиво искать, у кого бы прикупить процессоров на сапфировой подложке -- познакомитесь с интересными и неулыбчивыми людьми.
В следующей части будет уже про конкретнее о самих процессорах, особенно применительно к категориям, описанным чуть выше.
Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.
Что такое центральный процессор?
Из чего состоит процессор?
Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру.
Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.
Основные характеристики
Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя. Прежде всего это:
- количество ядер;
- число потоков;
- размер кэша (внутренней памяти);
- тактовая частота;
- быстрота шины.
Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.
На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная является всего лишь усредненным показателем.
Количество ядер - показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками - количество ядер и потоков могут не совпадать). За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность.
Как работает процессор: обработка команд
Теперь немного о структуре исполняемых команд. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие - операционную и операндную.
Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:
- выработка;
- дешифрование;
- выполнение команды;
- обращение к памяти самого процессора
- сохранение результата.
Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти.
Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления).
Выполняемые операции
Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три основные задачи:
- математические действия на основе арифметико-логического устройства;
- перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой;
- принятие решения по исполнению команды, и на его основе - выбор переключения на выполнения других наборов команд.
Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ)
В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт.
Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя.
Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе.
Как проверить, работает ли процессор?
Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.
Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает). Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z.
Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого (msconfig) и дополнительные параметры загрузки.
Возможные проблемы
Наконец, несколько слов о проблемах. Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное. Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры).
Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор - «умирает» вся компьютерная система.
Загрузка...
