Что такое центральный процессор (ЦПУ, CPU)?

Что такое ЦПУ?

Центральный процессор – основной аппаратный компонент электронного оборудования, от фитнес-браслета до игрового ноутбука. Именно он обеспечивает вычислительную мощность, производительность, обрабатывает информацию, подает команды, необходимые для корректного функционирования устройства, операционной системы в целом и отдельных ее приложений.

Простыми словами, ЦПУ – “мозг” электронной техники. Без этого “мозга” все прочие аппаратные компоненты окажутся бесполезными, неработоспособными, даже если речь идет о самых совершенных моделях видеокарт, планках оперативной памяти огромного объема, твердотельных накопителях.

Немного истории

История компьютеров начинается в XX веке, конечно, она неразрывно связана с процессорами. Первые модели базировались на триггерах и вентилях, что приводило к огромным расходам электричества при минимуме производительности. В 50-е годы появились ламповые устройства, в 90-е – микросхемы, поддерживающие функции кэширования данных.

Современные CPU – электронные компоненты, базой для которых являются транзисторы. Развитие электронной промышленности, освоение новых производственных методик – все это позволяет уменьшить физические габариты транзисторов, использовать при сборке процессора миллиарды крошечных модулей. Результат – увеличение производительности, усложнение архитектуры, возможность использования не 1-2 ядер, как 10-15 лет назад, а множества, 4, 6, 8.

Развиваются и другие характеристики:

Энергоэффективность. Компонент потребляет меньше энергии, меньше нагревается, при этом сохраняет высокую вычислительную мощность.
Стойкость к температурной нагрузке. Модули делаются на базе графена и других материалов, выдерживающих интенсивный нагрев, способствующих быстрому отводу, рассеиванию избытков тепловой энергии.
Скорость обмена данными и наращивание емкости кэша. Характерный пример технологии – 3D NAND.

Функции

Главные функции, выполняемые ЦП, выглядят следующим образом:

Выполнение инструкций, характерных для определенных команд и приложений. В зависимости от типа ПО, выполняется чтение информации, ее передача между прочими аппаратными компонентами.
Управление памятью. Процесс взаимодействует как с ОЗУ, так и с кэшем, что гарантирует быструю работу приложений, уверенное выполнение всех характерных для них инструкций и функций.
Обработка информации. Именно процессор осуществляет все действия, от математических до логических, без которых эффективное взаимодействие с информацией оказалось бы невозможным.
Управление операционной системой, обеспечение эффективного взаимодействия между периферийными устройствами, подключенными к компьютеру, и его внутренними модулями.
Кэширование. Каждый процессор имеет определенный объем кэша, используемого для непродолжительного хранения информации и инструкций. Чем быстрее кэш, чем больше его объем – тем выше общая системная производительность.

Алгоритм работы

ЦПУ выполняет инструкции, отправляемые установленными на смартфоне или ПК программами. Все вычисления проводятся в строгом соответствии с ними, рабочий цикл сформирован несколькими стадиями:

Получение команды. Она передается с ОЗУ.
Расшифровка команды.
Выполнение команды.

Впервые подобный алгоритм описал Джон фон Нейман, профессор математики из США. Описание датировано далеким 1945 годом, однако, до сих пор оно остается актуальным. Вычислительные мощности, впрочем, растут, так что современные устройства в течение секунды способны миллионы и даже десятки миллионов раз реализовать подобный цикл.

По завершении операции, ЦП сохраняет полученные результаты в памяти ПК, либо отправляет их другому устройству, будь то внешний жесткий диск или видеокарты. Результат действий процессора, видимый пользователю – выполнение определенной задачи, будь то запуск видео, открытие браузера, начало сканирования или печати документа.

В усложненном варианте, схема работы процессора такова:

Блок управления получает из ОЗУ, где сохранена программа, команды, запланированные к исполнению. Эти команды фиксируются в собственном кэше процессора.
Запись полученных сведений в регистры.
Анализ информации и выполнение команд.
Запись полученных результатов в регистры. Если инструкция успешно завершена, то результаты фиксируются в буферной памяти, откуда передаются на ОЗУ, для разгрузки кэша и освобождения вычислительной мощности, либо передаются на кэш нижних уровней, что характерно для выполнения особо сложных инструкций и команд.

Устройство процессора

Процессор состоит из нескольких компонентов, каждый из которых выполняет определенные задачи:

Управляющее устройство. Благодаря этому компоненту, происходит корректное выполнение программ. УУ получает команды от оперативной памяти и расшифровывает их;
Арифметическое логическое устройство. Его задача – выполнение команд, математических, логических действий;
Регистры. Мельчайшие ячейки, обеспечивающие временное хранение информации. Благодаря регистрам, ЦП не приходится постоянно взаимодействовать с оперативной памятью, что увеличивает быстродействие;
Кэш. Второй формат памяти, отличающийся увеличенной, в сравнении с регистрами, емкостью. В кэше сохраняются инструкции и информация, доступ к которой требуется регулярно.

Классификация процессоров

Классифицировать ЦПУ можно по множеству признаков. Например, они могут быть миниатюрными, мобильными, предназначенными для использования в смартфонах, планшетных компьютерах и другой портативной технике, либо ориентированными на ноутбуки или стационарные компьютеры. Разница между последними размыта, однако, в офисные ноутбуки часто ставятся модули небольшой мощности, что увеличивает автономность, снижает нагрузку на аккумуляторах. Стационарные ПК предполагают подключение к сети, так что потребляемая мощность – не столь значимый показатель, акцент делается на производительности.

Отдельная категория – серверные ЦП. Им приходится взаимодействовать сразу с несколькими клиентами, а потому они предполагают наличие нескольких ядер, увеличенный объем кэша, отличаются высокой производительностью и поддерживают большие объемы ОЗУ.

Также классифицировать процессоры можно по специфике выполнения команд:

CISC – устройство, поддерживающее полный командный набор;
RISC – основная особенность данного типа заключается в увеличении производительности путем упрощения инструкций. Число транзисторов уменьшено, что снижает стоимость и потребление энергии;
VLIW – ЦП выполняет команды, предварительно объединяя их в связки.

Основные характеристики

Главным показателем при подборе CPU является его производительность, зависящая от следующих параметров:

Тактовая частота. Чем выше частота, тем больше операций устройство выполнит за единицу времени. Буквально пару десятилетий назад частота измерялась сотнями мегагерц, а сейчас – гигагерцами. Нужно учитывать, что вместе с этой характеристикой увеличивается энергопотребление и объемы выделяемой тепловой энергии. Производительному процессору потребуется крупный радиатор и эффективный кулер.
Количество ядер. Многоядерные процессоры могут одновременно выполнять сразу несколько задач, что недоступно их одноядерным аналогам. Также нужно обратить внимание на многопоточность, способность одного ядра справляться сразу со множеством потоков команд.
Объем кэш-памяти. Здесь все просто – чем крупнее кэш, тем производительнее и быстрее ЦПУ.
Технологический процесс. Он указывает на габариты транзисторов, использованных в процессоре. Чем миниатюрнее транзисторы, тем производительнее устройство, тем ниже объемы выделяемой им энергии.
Тепловыделение. Объемы выделяемой ЦП тепловой энергии измеряются в ваттах. Этот показатель особенно важен для ноутбуков и другой портативной техники. Эффективность системы охлаждения сильно ограничена размерами корпуса, а у лэптопов с этим большие проблемы. Пропускной способности отверстий и мощности небольшого вентилятора для должного обдува не хватает, ноутбук начинает тормозить, троттлить, процессор – искусственно занижать частоту для исключения перегрева. Для стационарных компьютеров это не столь существенный показатель, в крупный корпус вполне можно поставить несколько кулеров, а то и водяную систему, способную остудить даже высокопроизводительный ЦПУ с огромным тепловыделением.

Правила выбора

В первую очередь нужно учитывать, для чего будет использоваться процессор. Если планируется простейшая офисная работа в Word и Excel, просмотр видео, то не нужно гнаться за производительными моделями, вполне хватит недорогой версии на 2, максимум 4 ядра со средними тактовыми частотами. Другое дело – компьютерные игры, обработка графики и выполнение других задач, требующих огромных вычислительных мощностей. В такой ситуации лучше не экономить.

Второй момент – сокет. Нужно, чтобы материнская плата допускала саму возможность использования определенного ЦПУ. При несовместимости сокета установка окажется невозможной.

Нельзя забывать о производителе и позиционировании. Главные игроки рынка – AMD и Intel, в каталогах которых можно найти как недорогие серии для офисных задач, так и премиальные игровые, отличающиеся высокими тактовыми частотами, многопоточностью и другими особенностями, повышающими производительность, исключающими троттлинг и другие неприятные явления, мешающие нормально играть и работать.

Нужно учесть, что CPU развиваются активными темпами, а требования игровых и рабочих приложений – растут как на дрожжах. При покупке устройства лучше сразу предусмотреть запас производительности в 20-30 процентов, чтобы не столкнуться с необходимостью скорой модернизации и дополнительными расходами.