Что такое процессор? ЦП или Центральный процессор — это вычислительный мозг компьютера. Все, что делает компьютер, от игры в видеоигры до помощи в написании эссе, разбито на набор математических инструкций. ЦП принимает эти инструкции и выполняет их.
Детали того, как это происходит, конечно, намногосложнее, чем это простое объяснение. Самое важное, что вам нужно знать, это то, что ЦП является основным математическим механизмом компьютера.
(Очень) краткая история процессоров
История вычислений долгая и сложная. Это также уходит корнями в более глубокую историю, чем цифровые технологии, электроника или даже электричество. Счеты — это своего рода процессор. Как и механические калькуляторы. Большая разница в том, что эти машины могут выполнять только одну или несколько математических задач. Это не процессоры общего назначения , примером которых являются современные ЦП.
Что делает ЦП вычислительным устройством общего назначения, так это использование логики. В 1903 году Никола Тесла запатентовал электрические схемы, известные как ворота и переключатели. Используя эти схемы, вы могли бы создавать устройства, выполняющие логические операции, при этом машина могла бы действовать при определенных условиях.
В середине-конце 1940-х годов Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели и запатентовали устройство, называемое транзистором, работая в Bell Laboratories. Транзистор является основным строительным блоком процессора. Транзисторы — это относительно крошечные компьютерные компоненты. Транзистор — настолько важное изобретение, что трое его изобретателей были удостоены за него Нобелевской премии.
В конце 1950-х годов Роберт Нойс и Джек Килби пошли еще дальше и создали первую работающую интегральную схему . Интегральная схема — это набор электронных схем, интегрированных в единый кусок полупроводникового материала. В большинстве случаев этим материалом является кремний. Вот что люди имеют в виду, когда говорят «микрочип».
ЦП состоит из одного или нескольких микрочипов. Это важное изобретение, поскольку в одном процессоре можно разместить миллиарды транзисторов. Это создает невероятно мощные математические механизмы..
Благодаря изобретениям логических элементов, транзисторов и интегральных схем весь мир изменился. В наши дни микрочипы есть во всем, а не только в вашем компьютере. А процессоры — это самые совершенные микрочипы общего назначения, которые мы можем создать.
Как работают процессоры?
Весь принцип работы ЦП основан на двоичном коде . Люди склонны представлять числа, используя систему под названием основание 10или десятичную систему. Разрядность каждой цифры числа увеличивается в десять раз. Таким образом, число «111» содержит сто, десять и один.
Компьютеры и их процессоры вообще не понимают десятичную систему счисления. Транзисторы работают по принципу «включено» или «выключено». Это означает, что логические элементы, которые вы строите из них, также могут работать только с этими двумя состояниями. Вот почему, по сути, процессоры работают на двоичном коде. Эта система счисления имеет разные разряды. Вместо этого, если 1, 10, 100, 1000 и т. д., значения разрядов будут 1,2,4,8,16,32,64,128 и т. д.
Итак, в двоичном формате «111» будет 7 в десятичных числах, поскольку вы складываете 1,2 и 4 вместе. Если какое-либо из чисел равно нулю, вы просто пропускаете его и добавляете значение следующей единицы. Таким образом вы можете выразить любое десятичное значение. Обратите внимание, что двоичные числа часто читаются справа налево, поэтому цифра «1» будет находиться в крайнем правом углу.
Давайте занесем это в таблицу, чтобы было предельно понятно:
| Двоичные значения | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | |
| Десятичное число 7 в двоичном формате | сильный> | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Можете ли вы понять, почему в сумме получается число 7 в десятичном виде? Давайте выполним число 23:
| Двоичные значения | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 |
| Десятичное число 7 в двоичном формате | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Итак, 111 — это «7», а «11101» — это 23, потому что пятое место в двоичном формате равно 16. Довольно круто, правда? Таким способом можно выразить любое возможное число, которое можно записать в десятичной дроби. Это означает, что компьютеры, построенные на транзисторах, могут работать и с любыми числами..
Как изготавливаются процессоры?
Процесс производства современных процессоров, как и следовало ожидать, довольно сложен. Основной процесс заключается в выращивании больших цилиндров из кристаллов кремния. Его полупроводниковые свойства делают его идеальным для создания двоичных интегральных схем.
Эти большие кристаллы нарезаны на тонкие пластины. Затем пластины «допируются» другим химическим веществом для точной настройки их свойств. Затем наносхема выгравируется на поверхности пластины с помощью света с помощью процесса, известного как фотолитография.
Проектирование и производительность процессора
Не все процессоры одинаковы. Первый настоящий предок современного процессора, Intel 8086, имел в своей интегральной схеме около 29 000 транзисторов. Сегодня такой процессор, как Intel i99900K, имеет чуть более 1,7 миллиардатранзисторов. Чем плотнее логические схемы процессора, тем сложнее и больше инструкций он может выполнить за такт.
Подождите, «тактовый цикл»? Да, это еще один важный компонент производительности процессора. ЦП работает на определенной частоте, с каждым импульсом тактовой частоты ЦП выполняется цикл вычислений. Если вы возьмете тот же процессор и удвоите его тактовую частоту, то (теоретически) он должен работать вдвое быстрее.
На момент выпуска процессор Intel 8086 1978 года работал на частоте 5 МГц. Это пять миллионов тактов в секунду. Intel i9-9900K? Она начинаетсяс частоты 3,6 ГГц. Это 3 600 МГц, с возможностью увеличения до 5 000 МГц, когда это возможно.
Чтобы добавить еще одну проблему к производительности процессора, современные процессоры фактически содержат несколько «ядер». Каждое ядро фактически представляет собой независимый процессор. В наши дни типично иметь как минимум четыре таких ядра, но в последнее время для обычных компьютеров стало нормой иметь шесть или восемь ядер. Профессиональные компьютеры высокого класса могут иметь около 100 ядер ЦП.
Наличие нескольких ядер означает, что ЦП может выполнять несколько наборов инструкций параллельно. Это означает, что наши компьютеры могут без проблем выполнять множество задач одновременно. Некоторые процессоры имеют «многопоточные» ядра. Каждое из этих ядер может выполнять две отдельные задачи. В процессорах Intel это обозначено как «Hyper Threading ».
Итак, общая производительность процессора сводится к сочетанию:
Конечно, это нечто большее, чем эти четыре основных пункта. Однако это четыре основных фактора, которые помогут обеспечить эффективную работу процессора.
Роль процессора в вашем компьютере
Последнее, что нам нужно обсудить, — это то, какую работу выполняет процессор на вашем компьютере. В конце концов, это не единственная интегральная микросхема в вашем компьютере. Например, графические процессоры (графические процессоры) часто имеют даже большую плотность транзисторов, чем процессор.
Им необходимо собственное охлаждение и блок питания, а также память. Это как маленький дополнительный компьютер! То же самое можно сказать и о чипах, которые контролируют звук, трафик USB и жесткого диска. Так почему же процессор особенный? Вот основные причины:
Короче говоря, процессор является наиболее важным компонентом производительности общего назначения вашего компьютера. Не принимайте это как должное!
.