Le processeur central de l'ordinateur (CPU)

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Центральный процессор компьютера (ЦПУ)

Aujourd'hui, nous considérons le processeur central d'une unité centrale de traitement (unité centrale de traitement - unité centrale de traitement ou unité centrale de traitement). C'est le cœur de l' unité du système ou, si vous voulez, son cerveau! Dans le jargon des programmeurs informatiques, il est parfois appelé "pierre" (silicium cristallin ressemble vraiment à une pierre).

C'est le gestionnaire principal de l'information arrivant à l'ordinateur. Le processeur central effectue toutes les opérations mathématiques nécessaires avec les données entrantes, produit divers échantillons à partir de bases de données, archive et décompresse nos fichiers, gère le codage vidéo, traite le modèle d'interaction physique des particules dans votre jeu informatique préféré, enfin!

Le processeur central d'un ordinateur moderne en fait beaucoup, il sera plus facile de lister ce qu'il ne fait pas :)

Voici quelques photos du CPU:

La première photo, il s'agit d'un processeur central dual-core de la société "Intel", le second - son retour. Ce côté est inséré dans la prise du processeur (socket socket) sur la carte mère . Dans ces photos, nous voyons la CPU du facteur de forme "LGA-775". L'abréviation "LGA" est une abréviation de l'anglais. "Land Grid Array" - le type de boîtier avec une matrice de plages de contact. Des modèles obsolètes ont été fournis dans les boîtiers "PGA" (Pin Grid Array), un tel processeur obsolète est présenté dans la dernière photo ci-dessus.

L'introduction du nouveau facteur de forme était due au fait que le nombre de "jambes" (CPU) des générations précédentes augmentait à tel point qu'entre elles commençait à apparaître une interférence électrique parasite, affectant le fonctionnement du dispositif final. La particularité de "LGA" est que les contacts eux-mêmes sont transférés du boîtier du processeur à la surface de la prise (socket), qui est située sur la carte mère. Sur le substrat de la puce, seules subsistent les surfaces de contact (les "patchs").

Dans les modèles informatiques plus anciens, l'installation du processeur était associée à un certain risque de flexion ou (à Dieu ne plaise) de casser une des centaines de pattes PGA. Un rêve terrible de l'assembleur d'ordinateurs! :) Maintenant, tout est beaucoup plus facile.

Ce que nous voyons dans les photos ci-dessus est la coque extérieure du processeur de l'ordinateur. Sa fonction est de protéger le noyau (le cristal de silicium lui-même) de l'action mécanique, de fournir la zone de contact avec le système de refroidissement et de fournir un contact électrique pour alimenter le dispositif (photos ci-dessus "1" et "2").

Le processeur central de l'ordinateur est constitué d'une plaque carrée de textolite, dans laquelle est monté fermement son noyau (un cristal de silicium), ainsi que les fils des contacts électriques, plus un couvercle de protection par le dessus. Ce qui est sous ce couvercle nous avons considéré ici.

Le procédé de fabrication des puces finies peut être décrit approximativement comme suit: des couches de conducteurs, de semi-conducteurs et d'isolants sont alternativement appliquées sur un substrat de silicium mince (substrat) à travers des "masques" spéciaux à fentes par lithographie. Parfois, le processus de gravure d'éléments sur une puce (à travers les mêmes trous dans le "masque") est utilisé. Après la fin de la procédure, le substrat est scié en carrés, qui sont revêtus d'une enveloppe protectrice et conductrice de la chaleur, sont munis de plaquettes de contact et le produit est prêt!

Maintenant, le marché des processeurs de bureau est divisé entre eux seulement deux grandes entreprises: "Intel" et "AMD". Selon les données de 2011, la première "détenait" plus de 80% de ce marché, et la seconde - un peu plus de 10%. Tout autre chose est le marché du processeur mobile en développement rapide. Ici, il y a simplement un grand nombre d'entreprises qui émettent leurs solutions (enfin, pas tout à fait «les leurs», mais nous en parlerons dans un autre article).

Schématiquement, le dispositif interne de la CPU peut être représenté comme suit:

Voici une image visuelle de la puce CPU dans la section:

Et voici un puissant Athlon à double cœur:

Oui, voici une autre photo, pour l'intégralité de l'image pour ainsi dire:

C'est aussi un processeur d'ordinateur, juste dans un design différent. Il y avait, en temps voulu, des échantillons similaires, un panneau de textolite qui a été inséré verticalement dans un connecteur spécial sur la carte mère. Il a été appelé (Slot A), d'où le terme "processeurs de slot". Surtout, le design ressemble à une cartouche d'une console de jeu avec un ventilateur sur le côté :)

Si vous touchez à un aspect aussi important que les performances du processeur, alors cela dépend directement de plusieurs composants et les éléments suivants en sont composés:

  • sa fréquence d'horloge
  • nombre de cœurs
  • nombre et vitesse des caches mémoire

Nous analyserons chacun des points plus en détail. La vitesse d'horloge du processeur est mesurée en Hertz (Hz).

Remarque: Hertz (Hz) est une unité de mesure de la fréquence des processus périodiques (dans ce cas les oscillations). Par exemple, 1 Hertz - une telle oscillation (tact) par seconde.

Mesurer la vitesse d'horloge (performance) du processeur central dans Hertz est gênant (des nombres trop grands sont obtenus). Par conséquent, des quantités telles que mégahertz et gigahertz sont utilisées ici. Mégahertz (Mhz) est un million Hertz (1.000.000 Hz). Le GHz (Ghz) ​​est de 1000 mégahertz (Mhz) ou - un milliard de Hertz (1.000.000.000 Hz).

Selon ce qui précède, il se trouve que le processeur avec une vitesse d'horloge de 3 Gigahertz est de 3000 mégahertz ou trois milliards de Hertz! Conditionnellement, il est possible de le dire, plus la fréquence est élevée, plus les instructions peuvent être traitées par unité de temps. Selon l'exemple décrit, un processeur de 3 Ghz (GHz) peut effectuer trois milliards d'opérations par seconde.

Pour une meilleure assimilation - voir une petite vidéo thématique:

Vous pouvez voir la valeur de la fréquence d'horloge en cliquant avec le bouton droit sur l'icône "Poste de travail" sur le bureau et en sélectionnant "Propriétés" dans le menu déroulant. La capture d'écran ci-dessous montre des images avec ces informations pour les systèmes d'exploitation "Windows 7" et "Windows XP".

En outre, cet indicateur peut être vu pendant le démarrage initial du système d'exploitation, en allant dans le BIOS ou en utilisant l'un des utilitaires spécialisés, comme "CpuZ". Ce merveilleux programme montrera non seulement la valeur de la fréquence d'horloge, mais aussi de nombreuses autres informations utiles.

Note: nous avons considéré le travail de ce programme avec suffisamment de détails ici, donc nous ne le répéterons pas.

Rappelez-vous la fameuse "loi" de Gordon Moore, déduite par lui en 1975: "La performance des processeurs modernes devrait être doublée tous les 24 mois!" Nous devons rendre hommage à cette prédiction: il en fut ainsi, jusqu'à un certain temps. Les fabricants de processeurs augmentaient simplement régulièrement la vitesse d'horloge de leurs appareils (parmi d'autres améliorations, sous la forme de commandes de traitement parallèles, élargissant la liste des instructions supportées, réduisant la technologie de processus, etc.), ce qui permettait de conserver la survivabilité.

Il est clair que cela ne pourrait pas continuer indéfiniment: les grandes fréquences nécessitent un traitement radical du système de refroidissement d'une puce à chauffage rapide. L'auteur de la déclaration en 2007 a déclaré que, apparemment, la "loi" ne durera pas longtemps. Le fait est que lorsqu'un certain seuil de fréquence est atteint (de l'ordre de 4000 à 5000 Mégahertz), tous les processeurs commencent à fonctionner de manière instable et nécessitent un système de refroidissement compliqué.

Overclockers ("overclockers" de processeurs centraux) avec l'expérience affirment que la limite approximative d'un processeur overclocké avec refroidissement par air est 4000-4500 Mhz. Il faut comprendre que ce sont les meilleurs échantillons de chips, les plus réussis du lot, et il peut y en avoir un pour plusieurs dizaines, plus une carte mère supérieure qui vous permet d'augmenter la tension FSB, la mémoire (overclocking) cher avec un refroidissement supplémentaire et etc. Si vous installez un système de refroidissement par eau sur le même CPU, vous pouvez augmenter la fréquence à 5000, mais pas le fait qu'il sera possible d'obtenir un fonctionnement stable de l'appareil dans toutes les applications.

Remarque: FSB (Front Side Bus) est une interface haute vitesse pour l'interfaçage entre le processeur de l'ordinateur et les autres périphériques et modules situés sur la carte mère. La fréquence du bus système est la vitesse à laquelle le cœur du processeur échange des données avec la RAM, une carte graphique discrète, des contrôleurs de disque dur , etc.

Les vrais "maniaques" de leur travail ne s'arrêtent pas et ceci et le cours est de "l'artillerie lourde" comme le refroidissement à l'aide de fréon, de métal liquide, d'hélium et même d'azote liquide! Cette dernière option vous permet de "presser" du dispositif malheureux un record de 6000 mégahertz et même plus! D'un autre côté, est-il improbable que vous vouliez travailler sur un ordinateur couvert de croûte de glace? :)

Maintenant, le moment est venu où la fréquence et la vitesse globale des ordinateurs modernes sont suffisantes pour résoudre la plupart des tâches de l'utilisateur ordinaire de PC (maintenant nous omettons les jeux et les applications sérieuses pour modéliser quelque chose). C'est pourquoi une simple augmentation de cet indicateur ne donnera plus, comme auparavant, une augmentation aussi sensible de la vitesse dans les tâches quotidiennes (de bureau). Maintenant, la performance des PC modernes est largement déterminée par d'autres paramètres et leur combinaison.

Un de ces paramètres est l'unification sous une seule couverture dissipant la chaleur d'un grand nombre de noyaux (au moment où leur nombre peut atteindre douze pièces). Ici, l'arithmétique est simple: plus il y a de cœurs, plus la productivité est élevée (toutes choses étant égales par ailleurs). Après tout, tous les processus, dans ce cas, commencent à être effectués en parallèle (sur chacun des noyaux), ce qui (en théorie) devrait augmenter significativement la vitesse globale. En pratique, il s'avère ... différemment :)

Certaines des applications "ne savent pas" que vous pouvez travailler avec plusieurs cœurs, d'autres le font mal et seulement "spécialement affiné" pour les applications multi-cœurs il y a une augmentation significative. Il y a des applications qui ne peuvent pratiquement pas être mises en parallèle. Par exemple, les applications bureautiques ("Microsoft Word" ou "Open Office"). D'autres tâches, telles que le codage vidéo / audio, la compilation de code de programme, le rendu d'une scène tridimensionnelle, sont au contraire très sensibles au traitement multithread et le gain maximum est obtenu avec cette approche.

La locomotive de multi-core est à juste titre considérée comme des variantes de processeurs centraux. C'est "Intel Xeon" et "AMD Opteron" respectivement. Les solutions serveur sont caractérisées par une vitesse accrue (due à un cache important) et une évolutivité (peuvent avoir plusieurs processeurs physiques avec un grand nombre de cœurs à l'intérieur de chacun). De tels systèmes enthousiastes installent parfois et à la maison sur des cartes mères ordinaires, mais ceci est plus pour l'intérêt sportif :) Fondamentalement, des processeurs semblables sont employés dans des serveurs de fleuve qui sont montés dans des supports spéciaux.

Remarque: (Rack - rack / shelf) RackMount - le principe de l'organisation de l'équipement de commutation.

Ce type de serveur peut donc être différent:

Et ici, donc - dans la rivière 19 pouces rack (on l'appelle aussi le rack de télécommunication):

Il y a même des armoires de télécommunication entières verrouillables (armoire de protection). Ils peuvent ressembler, par exemple, à ceci:

En détail sur la façon dont ces serveurs sont disposés à l'intérieur, sur les processeurs qu'ils ont et sur la façon dont la salle des serveurs est organisée dans notre travail, nous avons considéré dans l'une des leçons.

Sur la base de ces décisions, des supercalculateurs sont en cours de construction. Par exemple, Intel a déjà sorti des Xeon 16-core et envisage des solutions avec 22-24 et 28 cœurs. Comprenez-vous où toutes ces affaires bougent, non? Ainsi la blague de l'équipe KVN "Ural pelmeni" sur le 48ème processeur nucléaire, prononcée en 2012, ne ressemble plus à une blague! :)

Je suis sûr que, au fil du temps, la plupart des applications fonctionneront efficacement sur les systèmes multi-core, maintenant, avec cela, tout n'est pas si rose. Mais les fabricants de processeurs augmentent régulièrement ce chiffre et maintenant il existe des systèmes de bureau avec 12 cœurs. Pourquoi? Eh bien, il faut en quelque sorte expliquer à l'acheteur pourquoi il doit simplement acheter ce nouveau processeur?! :)

Le troisième composant le plus important du processeur de l'ordinateur est son cache. Un cache est une petite quantité de mémoire très rapide qui se trouve dans le noyau lui-même et sert à stocker des résultats de calcul intermédiaires, et peut également stocker des copies des données les plus fréquemment utilisées à partir de la RAM de l'ordinateur. Le cache peut agir comme une sorte de "pont" avec un mouvement rapide entre la RAM et le CPU de l'ordinateur.

Le cache est divisé en cache d'instructions (pour accélérer le chargement du code machine) et le cache de données servant les requêtes des utilisateurs. Ce dernier a souvent plusieurs niveaux (niveau 1, niveau 2 et niveau 3). Chaque niveau suivant est plus grand (par la quantité de mémoire) du précédent, mais plus lent en vitesse. Pourquoi ça? Il semble, pour réduire le coût du produit final :) Mais son un tel design donne, - une réduction significative de la latence de l'accès de la CPU à la RAM. C'est une sorte de tampon entre celui-ci et le CPU.

Il existe des tâches spécifiques, où le cache du processeur joue pas le dernier rôle. On pense que cela inclut le processus d'archivage des baies d'informations et des dispositifs avec un cache important et rapide pour mieux s'en occuper.

Comme nous pouvons le voir, ni la fréquence, ni le multicœur, ni un cache important ne garantissent en soi que nous améliorerons les performances dans toutes les tâches! Quelque part, il suffira juste pour la grande vitesse (fréquence), quelque part il faudra multitâche - l'opération est effectuée en parallèle sur plusieurs cœurs. Cela nécessite une approche globale et un équilibre délicat entre tous les composants.

Nous allons plus loin! Puisque le CPU fonctionne, un courant électrique lui est appliqué. Cela conduit au fait qu'il est chauffé. Pour éviter un phénomène aussi désagréable que la surchauffe du processeur de l' ordinateur, différents systèmes de refroidissement (eau silencieuse ou à refroidissement par air équipé de ventilateurs) y sont installés.

Malgré la diminution constante du processus technologique et l'optimisation de la consommation d'énergie, les modèles de processeurs les plus exigeants prennent d'assaut la barre de 200 Watt TDP, et certains (AMD) l'ont conquis avec succès! Cette "réussite" peut-elle être appelée sans équivoque une victoire? Je ne pense pas :)

Chacun des fabricants donne à son nouveau produit un nom de code, qui caractérise une ligne entière ou une famille de produits basée sur une microarchitecture. Dans un passé récent, des noms sonores comme "Coppermine", "Wolfdale", "Barton", "Nahalem", "Prescott", "Conroe", "Sandy Bridge" ont été utilisés.

C'est la microarchitecture du noyau qui détermine laquelle des nouvelles technologies sera incorporée dans le futur processeur. Par exemple: support matériel (au niveau matériel) pour la technologie de virtualisation (Visualization Technology), protection contre les débordements (Intel Execute Disable Bit), AMD Turbo Core, overclocking automatique contrôlé du processeur (TurboBoost analogique d'Intel), diverses options pour les instructions SSE et 3D maintenant, etc.

Maintenant, il est à la mode de ne pas parler de CPU, mais à propos de APU (Accelerated Processor Unit - processeur accéléré). Qu'est-ce que c'est? C'est une combinaison sur une seule puce ou juste sous une couverture de distribution de chaleur du CPU et de la carte vidéo elle-même . De telles solutions sont parfois appelées processeurs hybrides. Le résultat est une réduction de la consommation d'énergie globale et des coûts du système en réduisant le nombre de composants (une carte graphique externe n'est plus nécessaire).

Il est clair qu'un tel système ne peut pas rivaliser avec un ordinateur de jeu à part entière, mais pour la plupart des tâches, il est même approprié. Compte tenu du fait qu'en 2006 une société bien connue AMD a acheté une entreprise non moins célèbre pour la production d'accélérateurs graphiques ATI, il est logique que ses APU semblent plus préférables (en raison de la composante graphique). La société "Intel" n'a jamais sérieusement traité de graphisme, son hobby est de processeurs centraux et sur ce terrain elle n'a pas d'égal!

Que pouvez-vous dire d'autre sur les processeurs dans le plan d'application? Vous, en tant qu'acheteur potentiel, ne serez pas désagréable de savoir qu'ils peuvent être achetés dans deux variantes différentes de livraison: "Box" (Box) et "Tray" (Plateau). La boxe est la livraison en boîte:

Voyons voir ce qu'il y a dans la boîte?

Nous voyons ici un système de refroidissement emballé en plastique protecteur (par le bas) et le CPU de l'ordinateur lui-même (encerclé en rouge). Veuillez noter que dans la boîte de livraison, une interface thermique a déjà été appliquée sur la surface inférieure du radiateur de refroidissement (une substance conductrice de la chaleur sous la forme de trois bandes grises). L'interface thermique sert à mieux transférer la chaleur du coeur du cristal vers le radiateur. Nous pouvons seulement ouvrir le paquet et installer le design sur le tableau.

Si vous décidez d'acheter un processeur dans la fourniture du TRAY, soyez prêt pour le fait qu'il peut vous être transporté dans un sac en plastique :) Vous achetez séparément seulement la puce elle-même, sans système de refroidissement. Qu'est-ce qui peut être nécessaire? Par exemple, je l'ai fait quand je construisais mon ordinateur à la maison. Refroidissement standard (en boîte) Je n'ai pas aimé et j'ai décidé d'installer un système de tour à la place. Pourquoi surpayer pour un morceau d'aluminium inutile avec un ventilateur, qui va alors rester inactif?

Enfin un petit rappel de l'expérience personnelle: dans les jeux modernes, le processeur n'est pas la chose principale. La charge principale tombe sur la carte vidéo externe, donc si vous allez mettre à jour (mettre à niveau) votre ordinateur à cet effet, alors faites d'abord attention à son sous-système graphique. Pourquoi suis-je si confiant à ce sujet? Parce que faire cela (quitter l'ancien processeur et acheter un nouveau GPU), j'ai obtenu une performance absolument normale dans tous les jeux de 2015!

Oui, j'ai presque oublié! Je voulais partager avec vous un merveilleux programme pour tester les processeurs! Il vous permet de charger le CPU au maximum et d'identifier les éventuels problèmes dans son fonctionnement. Non seulement le processeur lui-même est chargé, mais les phases d'alimentation sur la carte mère, de sorte que l'utilitaire est doublement utile. En outre, il est utile à ceux qui sont engagés dans la réparation des ordinateurs et, en service, est contraint d'organiser pour leurs «patients» un test de stress pour la stabilité de leur travail.

Le programme a différents modes de test, et vous pouvez voir les résultats de son travail en temps réel sous la forme de graphiques graphiques pratiques.

Ou - sous la forme d'une table:

Bien, alors que c'est tout, nous avons compris avec le processeur, vous saurez maintenant ce que le processeur est pour l'ordinateur, et par quel schéma et principe cela fonctionne. Si vous êtes intéressé, vous pouvez regarder une vidéo sur la façon dont les processeurs sont fabriqués. Vous l'aimez, je vous conseille de regarder!

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