Что такое процессор? Основные характеристики процессоров

Вступление

За время работы системный администратором мне не раз приходилось слышать от сотрудников нашего офиса вопросы, которые заставляли меня окунуться в "чертоги разума" или применить дедуктивные навыки, чтобы понять, о чем вообще идёт речь.

И один из таких вопросов "мой процессор перестал включаться" или его другая версия "я что-то нажал и мой процессор отключился".

В это статье я хочу внести немного ясности и рассказать всем, что это вообще такое процессор и почему его не стоит путать с другими компонентами компьютера.

Что такое процессор (CPU)?

Процессор, что это вообще такое? Зачем он нужен? За какие задачи он отвечает?

Для большинства неопытных и технически неподготовленных пользователей процессором зачастую выступает весь системный блок в сборе. Но это относительно ошибочное суждение, процессор - это нечто, что сокрыто за стенками корпуса и толстым радиатором с вентилятором для его охлаждения.

Процессор или, как его еще называют, центральный процессор (Central Processing Unit) - это электронное устройство (интегральная схема), которое выполняет и обрабатывает машинные инструкции, код программ (машинный язык) и отвечает за все логические операции, которые протекают внутри вашей операционной системы и системного блока.

Без преувеличения, процессор можно назвать мозгом (или сердцем, это кому как больше нравится) любого компьютера, мобильного устройства или другого периферийного устройства. Да-да, слово процессор применимо не только к вашему системному блоку, но и планшету, смарт-холодильнику, игровой приставке, фотоаппарату и другой электронике.

Внешне процессор выглядит как квадратный (или прямоугольный) элемент или плата, в нижней части которой располагается контактная группа для подключения, в вверху находится сам кристалл процессора, который сокрыт под металлической крышкой, чтобы исключить возможность повреждения хрупкого кристалла процессора, а также крышка помогает при отводе тепла с поверхности кристалла на радиатор системы охлаждения.

Кристалл процессора состоит из кремния. Если точнее, полупроводники, из которых состоит процессор, производятся из кремния. На кремневой пластине кристалла в несколько слоёв располагается несколько триллиардов транзисторов (размер которых составляет порядка ~10 нм в зависимости от используемого техпроцесса при производстве), которые отвечают за все логические операции процессора.

Впоследствии производители процессоров научились располагать на печатной плате, помимо самого кристалла процессора, кристалл видеоядра (видеокарты), что позволило исключить необходимость в отдельной дискретной видеокарте для вывода изображения на монитор.

Подводя итог этого блока статьи и что бы дать простой ответ на такой сложный вопрос "Что такое процессор (CPU)" — процессор это сердце любого современного устройства, которое выполняет все основные операции, будь то простое сложение 2+2, набор текста в Microsoft Word или расчет физической модели в Blender.

История появления процессоров

Теперь, когда всё стало немного понятнее и слово процессор у вас не ассоциируется с системным блоком, давайте совершим небольшой экскурс в историю и посмотрим, как появились процессоры и что вообще способствовало их появлению.

Первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) появились в 40-х годах прошлого века. Изначально в их основе использовались лампы и примитивные радиоэлементы по типу резисторов и реле. Размер таких ЭВМ мог достигать нескольких квадратных метров.

На фотографии изображена первая ЭВМ — ENIAC. Ее вес составлял порядка 30 тон, и внутри располагалось 18000 электронных ламп.

Но прогресс не стоит на месте, и в 50-х годах громоздкие электронные лампы сменили транзисторы, которые, в свою очередь, в 60-х годах были вытеснены интегральными микросхемами, которые вмещали в себя уже тысячи таких транзисторов.

Всё изменилось в 1971 году, когда компания Intel представила первую 4-битную однокристальную микросхему Intel 4004. Именно Intel 4004 можно считать первым прародителем процессоров, нежели более ранние прототипы по типу электронных ламп и транзисторов. После Intel 4004 индустрия развития стала шагать семимильными шагами, и каждый год инженерам и конструкторам удавалось разработать более современный микропроцессор, который был мощнее и производительней своего приемника.

В 1993 году компанией Intel был представлен первый полноценный десктоп процессор первого поколения P5, который впоследствии был переименован в Pentium.

Но не стоит полагать, что двигателем прогресса была только компания Intel, свой вклад в индустрию электроники и центральных процессоров внесли такие компании, как Motorola, Zilog, MOS Technology, Sinclair Research (ZX Spectrum). СССР тоже не отставали, и в 70-х годах Российские разработки в области ЭВМ вполне могли потягаться с зарубежными аналогами. Но в силу того, что СССР перенаправила силы из этой области в другие отраслевые технологии, было принято решение отказаться от собственного производства и впоследствии использовать сертифицированные импортные технологии.

Основные характеристики процессоров

Хорошо. Теперь, когда мы знаем, что такое процессор и его краткую историю появления, нам нужно расставить все точки над i и разобрать еще одну не менее важную составляющую процессоров — характеристики и за что они вообще отвечают.

Производитель

На текущий момент на рынке процессоров существует только два крупных игрока, которые постоянно конкурируют друг с другом как в плане технологий, так и за деньги в вашем кармане - AMD (Advanced Micro Devices) и Intel.

Очень трудно говорить, кто лучше или процессор какого производителя вам стоит выбрать. Всё зависит от конкретных потребностей и ряда задач, которые будут выполняться на данном процессоре. Внести немного ясности в процесс выбора как производителя, так и процессора должна наша статья "Какой процессор лучше: AMD или Intel?"

Сокет (Socket)

Сокет - это разъем подключения (программный интерфейс) для установки центрального процессора на материнскую плату. На английском языке он называется Socket. Сокет - это первый параметр, на который вам нужно обратить внимание при выборе центрального процессора. Существует большое количество сокетов и их модификаций. Например, если у вас есть материнская плата с сокетом LGA 1151, то и процессор должен быть с сокетом LGA 1151, так как процессор с другим сокетом попросту невозможно установить в сокет материнской платы LGA 1151.

Тактовая частота

В качестве примера: центральный процессор с тактовой частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион тактов (операций) в секунду.

У процессоров существует параметр как базовой частоты, так и турбочастоты.

Базовая частота подразумевает частоту, с которой центральный процессор готов обрабатывать операций в стандартном режиме или при отсутствии интенсивной нагрузки. Если базовой частоты становиться недостаточно, автоматически включается интерсивный (турборежим) режим работы, в котором за счет повышения напряжения, центральный процессор поднимает свою тактовую частоту до заявленных, максимальных значений, что позволяет увеличить общую производительности и скорость обработки команд (тактов).

Количество ядер

Ядро - является самой главной частью процессора. Это своеобразный "мозг", который обрабатывает все поступающие команды. Ядро может обрабатывать только один поток команд, следовательно, если в процессоре есть два ядра, ОС может распараллелить поток команд, и ядра будут обрабатывать отдельные потоки команд, что увеличивает общую производительность. Стоит отметить, чтобы процессор мог обрабатывать команды в нескольких потоках и на разных ядрах, сам код программы должен поддерживать многоядерность и многопоточность, в противном случае будет работать только одно ядро, и разницы в производительности вы попросту не увидите. К счастью, большинство современных приложений поддерживают и то, и другое.

Число потоков

Число потоков - это параметр, который отвечает за то, сколько потоков информации может обрабатывать одно ядро процессора.

В качестве примера: процессор Intel Core i3-4170 имеет 2 реальных физических ядра, каждое ядро способно обрабатывать команды в два потока, что при должной оптимизации со стороны программного обеспечения позволяет получить бюджетный аналог четырехъядерного процессора при наличии только двух физических ядер. К сожалению, не все модели процессоров имеют дополнительные потоки.

Кэш (L1, L2, L3)

Кэш-память не менее важный параметр при выборе процессора, чем все остальные. Кэш-память это область энергозависимого ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), в котором хранится информация, с которой центральный процессор работает в текущий момент или собирается работать в ближайшем будущем (или, возможно, уже отработал, но ему еще потребуется эта информация).

Использование кэш-памяти позволяет получить доступ к хранимой информации или командам мгновенно без участия в данном процессе оперативной памяти и связующей шины. Следовательно, чем больше кэш-памяти на различных уровнях имеет процессор, тем лучше.

Техпроцесс

Под словом "техпроцесс" следует понимать технологию, которая используется при производстве полупроводниковых элементов процессора. С уменьшением цифры техпроцесса уменьшается размер и толщина транзисторов, которые размещены в процессоре.

В качестве примера: AMD Ryzen 5 1600 имеет техпроцесс 12 нм, что, в свою очередь, означает, что размер используемых в нём транзисторов равен 12 нанометрам.

Тепловыделение (TDP)

В процессе работы процессор выделяет различное количество тепла. Чтобы исключить возможность перегрева, конструкторами был добавлен уникальный для каждого процессора параметр "тепловыделение (TDP)", с помощью которого можно рассчитать необходимое охлаждение для стабильной работы процессора.

Параметр "тепловыделение (TDP)" процессора означает, сколько ватт тепловой мощности выделяется при максимальной нагрузке на процессор. Например, заявленное тепловыделение AMD Ryzen 7 PRO 1700X равно 95 Вт, что означает, что вам потребуется охлаждение, которое сможет рассеять с поверхности процессора 95 Вт тепла.

Хоть многие и игнорируют этот параметр, но как минимум на него стоит обратить внимание и при выборе "горячего" процессора заложить в его стоимость соответствующий кулер, который сможет обеспечить должное охлаждение и поможет избежать чрезмерного нагрева и последующий переход в состояние троттлинга.

Разрядность процессора

Под определением разрядности следует понимать количество бит информации, которые центральный процессор может обрабатывать за один такт. Если размер данных за один цикл равен 1 байту, то процессор является восьмиразрядным (8 bit). В случае если размер данных составляет 2 байта, такой процессор будет считаться шестнадцатиразрядным (16 bit). Для тридцатидвухразрядного (32 bit) и шестидесяти четырех разрядного (64 bit) процессоров размер данных будет равен 4 и 8 байтам, соответственно.

Тогда почему все тридцатидвухразрядные процессоры обозначаются как x86? Давайте попробуем прояснить ситуацию - аббревиатура или набор инструкций x86 получен в наследство от процессора Intel i8086 и ряда последующих моделей процессоров, в именовании которых использовалось значение 86.

Интегрированное графическое ядро

Конструкторы и разработчики процессоров научились умещать под защитной крышкой маленького процессора не только саму архитектуру процессора, но и отдельное графическое ядро, которое способно на аппаратном уровне имитировать внешнюю видеокарту.
И пусть интегрированное графическое ядро значительно уступает в производительности своим старшим братьям, внешним видеокартам, его производительности хватает, чтобы работать с большинством современных программ, к тому же такие интегрированные видеокарты вполне справляются с простыми и нетребовательными видеоиграми по типу Minecraft или Dota 2.

Стоит отметить, что не все модели процессоров имеют интегрированное графическое ядро, и если в ваш бюджет для сборки компьютера не входит покупка отдельной видеокарты, вам стоит обратить внимание на процессоры, которые имеют отдельное интегрированное графическое ядро, например AMD Athlon 3000G или Intel Celeron G5900.

Выбор процессора

Теперь, когда мы узнали все основы и четко понимаем, что такое тактовая частота и техпроцесс или почему количество ядер не стоит путать с количеством потоков, нам осталось выбрать подходящий центральный процессора для нашего компьютера.

К сожалению, здесь тоже всё не так просто.

Вот небольшой пример - если Intel Core i3-8100 будет идеальным решением для офиса (работа в Microsoft Office, 1С, почтовыми программами и т. д.), то он едва ли сможет обеспечить стабильный FPS в современных и требовательных играх.

Как не запутаться в таком обилии и разнообразии различных центральных процессоров и выбрать подходящий процессор именно вам? В этом сложном вопросе вам поможет наша статья "Как выбрать процессор для компьютера? Какой процессор лучше: AMD или Intel?", в которой мы постарались доходчиво разобрать все основные моменты, связанные с выбором центрального процессора.