ЛикБез#1: Процессоры для ПК

Компьютеры сегодня сопровождают нашу жизнь повсеместно, и я расскажу подробно о том, из чего они состоят.

Я открываю рубрику «ЛикБез» и первым делом расскажу о центральном процессоре, он же ЦП, ЦПУ - central processing unit.

Создание серьезных вычислительных машин пришлось на период второй мировой войны, с помощью одной из них Британцы расшифровали Энигму. Это были электромеханические реле, с ферритовыми сердечницами и лампами. Стойки из таких устройств являлись первыми процессорами. Сейчас, уже более 75 лет спустя, процессоры представляют собой микросхемы с точностью производства измеряемой в нанометрах, т. е. в миллионных долях миллиметра.

Сейчас процессоры делятся на десктопные, серверные и мобильные. Далее мы будем говорить о ЦП в контексте десктопного процессора, т. е. процессора для персонального компьютера, процессора на архитектуре x86-64. Подробнее об архитектурах:
https://habr.com/ru/post/316520/

На мировом рынке существует два лидирующих производителя процессоров для ПК, это Intel и AMD. Российский Эльбрус и китайские процессоры пока только мелькают в новостях, и никак не влияют на рынок процессоров в потребительском сегменте в России.


Основной характеристикой процессора является тактовая частота измеряемая в герцах. Современные процессоры способны обрабатывать миллиарды операций в секунду, а их частота измеряется гигагерцами. Такт - это единица измерения выполнения процессором логических операций. Некоторые операции выполняются в доли такта, некоторые в несколько тактов. Такт – это промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора.

Чем выше тактовая частота, тем вычислительное ядро процессора мощнее, но и имеет более высокое тепловыделение и потребление энергии.

Реальная частота процессора получается при умножении базовой частоты системной шины на множитель. В некоторых версиях процессоров, у Intel это процессоры с индексом K или X, у AMD Ryzen с индексом X, есть разблокированный множитель, а это значит, что увеличивать частоту процессора можно не разгоняя шину.


Еще один важный показатель – это количество ядер в процессоре. Ядро является главной частью процессора, которая выполняет поток команд. У каждого ядра имеется собственная тактовая частота. Современные процессоры имеют от 2 до 32 и даже более ядер, контроллер в процессоре может увеличивать частоту отдельных ядер, если на них высокая загрузка, у Intel эта технология называется Turbo boost.

Частота в ядрах не суммируется, можно привести такую аналогию: ядро это грузовик, который мчится по автостраде и везет какой-то груз, второе ядро – это второй такой грузовик. Сколько бы таких грузовиков не было, они не приедут в намеченную точку быстрее, но они способны привезти больше. Так и тут, многоядерность помогает обрабатывать множество процессов параллельно.

Современные тяжелые приложения умеют пользоваться большим количеством ядер, поэтому в любом случае, чем больше ядер, тем мощнее процессор. Количество ядер так же влияет на тепловыделение и потребление энергии.

У процессоров intel core i7 до 8 поколения включительно и core i9 имеется технология hyper threading, которая создает 2 потока на 1 ядро, т.е. логически из 4 ядер мы получаем 8, что видно в мониторе ресурсов в системе, у AMD аналогичная технология называется SMT и используется в процессорах Ryzen 7 и Threadripper.


Кэш память – это быстрая память внутри процессора, которая хранит часто используемые данные из оперативной памяти, чтобы сократить время обращения к ним.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней, 1 уровень или L1 – самая быстрая и маленькая память в ядре процессора, в среднем 64кб, L2 – блок памяти более высокого объема и высокой задержкой, в среднем полмегабайта, L3 – блок памяти для группы ядер, объем измеряется в мегабайтах.


Тепловыделение - в характеристиках современных десктопных процессорах пишут типичное тепловыделение. Но это не значит, что достаточно подобрать кулер с таким же теплоотведедением, так как для соблюдения приемлемой температуры, с учетом внешней температуры, пыли и амортизации комплектующих кулер должен быть мощнее. Очень важно правильно подобрать устройство охлаждения как для процессора, так и организовать воздушные потоки внутри системного блока. У Intel есть процессоры с индексом Т, c расчётным тепловыделением до 35 Вт у современных моделей, на их можно основе собирать компактные модели компьютеров.


Еще один важный показатель, о котором многие не знают - максимальная рабочая температура. У современных процессоров это температура может быть в районе 84-100 градусов Цельсия, при достижении которой срабатывают защитные системы: тро́тлинг, т.е. пропуск тактов или защитное выключение.

Во многих десктопных процессорах присутствуют графические ядра, для обработки изображения. Сейчас intel запустили процессоры и индексом F, без графического ядра.

Т.е. встроенной графики у этих процессоров нет и порты на материнской плате не будут выдавать изображение на монитор. ПК на основе процессоров с индексом F обязательно требуется видеокарта. Так же графического ядра нет во всех высокопроизводительных процессорах на сокетах 2066 и TR4.

Со значением маркировки процессоров Intel можно ознакомиться тут:
https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/processors/processor-numbers.html


Сокет – это гнездо для процессора. Выбранный процессор должен быть совместим с сокетом, а так же его версией на материнской плате. Актуальные сокеты у Intel - 1151v2 и 2066, у AMD – AM4 и TR4.

Примерно 9 лет назад, с выходом семейства core i, в процессоры intel переехал контроллер памяти, теперь процессор обращается к памяти напрямую, а не через контроллер в материнской плате, который назывался «северный мост». Так же в процессор переехал и контроллер PCI-e.

Техпроцессом называют размер литографии измеряемой в нанометрах. Чем ниже этот показатель, тем современнее процессор. Чем меньше размер транзистора, тем больше их можно упаковать в процессор, при том же энергопотреблении и выделении тепла.

Еще один показатель процессора – это количество линий PCI-e. Ими формируется ширина канала связи по данной шине между процессором и высокопроизводительными платами расширения, например, видеокартами или сопроцессорами.

Процессоры Intel семейства Pentium и Celeron, core i3, i5, i7 i9 на сокете LGA1151 последней версии, имеют всего 16 линий PCI-e.

Процессоры Intel семейства i9 на 2066 сокете имеют 44 линии PCI-e, а i7-7800X - 28 линий PCI-e. Процессоры от AMD семейства Ryzen 3, 5, и 7 имеют так же 16 линий, а Threadripper 64 линии PCI-e – а это 4 полноценных x16 для плат расширения. Это одна из причин, почему для сборки серьезных рабочих станций используются топовые серии или серверные процессоры, где линий PCI-e больше.

SSD и периферийные устройства получают линии PCI-E от чипсета материнской платы, который соединен с процессором через шину DMI, но об этом мы поговорим в ЛикБезе про материнские платы.


Физический процессор состоит из трех основных компонентов, то что мы все видим, держа его в руке – термораспределительная металлическая крышка и текстолитовое основание с контактной площадкой. Внутри находится кремниевый кристалл, в котором находятся ядра, а иногда и не один, это может быть графическое ядро или еще один набор основных ядер – это самая сложная и дорогая часть процессора. Внутри кристалла процессора Intel core i7 находится 4 ядра, видеоядро, кэш память, контроллер оперативной памяти, DMI интерфейс для соединения с периферийными устройствами через чипсет материнской платы. А в процессорах AMD Epic и Threadripper находится сразу 4 кристалла по 4 ядра, но в тоже время процессор Intel i9 имеет 18 ядер упакованных в одном кристалле. Между кристаллом и термораспределительной крышкой есть слой термопасты, в топовых моделях используется припой. О термопастах и других термоинтрефейсках так же будет статья.

Я ранее не занимался написанием подобного материала, знаю, что тут много разбирающих людей. Прошу в комментариях дать оценку, конструктивную критику или дополнения к материалу. Сообщить об ошибках и неточностях, или если что-то не понятно.

В планах сейчас написать пул статей по всем комплектующим, чтобы люди в информационный век лучше разбирались в компьютерах. Возможно, выйти с материалом на ютуб в дальнейшем.