Файл: Процессор персонального компьютера . Назначение, функции , классификация процессора.pdf

Компьютеры с повышенными способностями, т.е. суперкомпьютеры – это многомашинные и/или многопроцессорные комплексы, обслуживающие общую совокупность внешних устройств, общую память и иногда распределенные среди разных городов и даже стран мира.^[19]

Суперкомпьютеры используют в ситуациях, когда необходимо обработать большой объем данных в короткий промежуток времени и смоделировать операции, выполняемые одновременно.

Время не стоит на месте, а команда компьютерных ученых не останавливается на достигнутых результатах. Еще 20 лет назад обычный обыватель не знал, что такое процессор, а теперь может выбрать подходящий новенький процессор в любом цифровом супермаркете.^[20]

Также стоит отметить, что в выборе процессора имеет значение не только бренд и популярность, но технические характеристики системной платы. И не нужно забывать, что всё комплектующие ПК связанны между собой материнской (системной) платой.

1.2 Архитектура процессора

Прежде чем рассмотреть основные виды архитектур процессоров, необходимо понять, что это такое. Под архитектурой процессора обычно понимают две совершенно разные сущности.

С программной точки зрения архитектура процессора — это совместимость с определённым набором команд (Intel x86), их структуры (система адресации, набор регистров) и способа исполнения (счётчик команд).^[21]

Говоря простым языком, это способность программы, собранной для архитектуры x86, работать практически на любой x86-совместимой системе. При этом такая программа не будет работать, например, на ARM системе.

С аппаратной точки зрения архитектура процессора — это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (Skylake – процессоры Intel Core 5 и 6 поколений).^[22]

В этой главе курсовой рассмотрим базовые архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

CISC

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.^[23]

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.^[24]

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров.

Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее.

Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине.

Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах.

Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.^[25]

VLIW

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам.

Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор.^[26]

Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Виртуальные архитектуры

Но раз нельзя запустить программу одной архитектуры на другой, то откуда берутся магические JAR-файлы, которые можно запустить на любой машине? Это пример виртуальной JVM-архитектуры, которая, по сути, эмулируется на целевой реальной машине.

Поэтому достаточно JVM-машины для целевой архитектуры для запуска на ней любой Java-программы. Другим примером виртуальной архитектуры является .NET CIL.

Из минусов виртуальных архитектур можно выделить меньшую производительность по сравнению с реальными архитектурами. Этот минус нивелируется с помощью JIT- и AOT-компиляции. Однако большим плюсом будет кроссплатформенность.

Дальнейшим развитием этих архитектур стали гибридные архитектуры. Например современные x86_64 процессоры хотя и CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд. Какое дальнейшее развитие получат архитектуры процессора, покажет только время.

Глава 2. Классификация, структура и основные характеристики процессоров

2.1 Классификация современных процессоров

Центральный процессор — сердце любого компьютера, и от выбранной модели зависит работа системы в целом. Разобраться во всех характеристиках непросто, и непонятно, какой из них выбрать.^[27] Поэтому всегда полезно заручиться поддержкой большинства и посмотреть, что выбирали другие.

Для бытовых целей чаще выбирается BOX-версия в формате «поставил и забыл». Опытные геймеры берут «голый» процессор и ставят стороннее охлаждение. Так или иначе, в рейтинге учтены оба варианта.

Процессор Intel Core i5-8400 занимает нижнюю строчку рейтинга. В арсенале этого шестиядерного процессора мощная интегрированная графика, способная выручить пользователя в случае выхода из строя дискретной видеокарты. Штатная частота процессора — 2,8 ГГц, увеличенный до 9 МБ кэш L3. Сокет — актуальный LGA 1151-v2.^[28]

Процессор обладает одним из лучших среди участников рейтинга диапазоном рабочих частот: от 2,8 ГГц до 4,0 ГГц. Тактовая частота меняется динамически в зависимости от вычислительной нагрузки на процессор.

Шестиядерный процессор AMD FX-6300 обладает самой низкой стоимостью среди участников рейтинга. Неудивительно, ведь это заслуженный ветеран игровых систем, первое знакомство с которым состоялось еще в 2012 году.^[29]

Процессор производит вычисления на частоте 3,5 ГГц, а в моменты пиковых нагрузок способен поднять ее до 4,1 ГГц. Объем кэша L3 равняется 8 МБ.

В процессоре используется устаревший тип сокета AM3+, сам «камень» спроектирован для работы в тандеме с оперативной памятью DDR3.

Тепловыделение процессора составляет 95 Вт, поэтому для его надежной и бесперебойной работы потребуется эффективная система охлаждения.

Процессор AMD FX-8350 содержит на борту восемь ядер, обеспечивающих работу процессора на частоте 4,0 ГГц, с возможностью увеличения до 4,2 ГГц в турбо режиме. Объем кэша L3 равняется 8 МБ. Модель обладает самой низкой максимальной температурой, равной 61 ˚С, поэтому при его установке следует позаботиться о качественной системе охлаждения. К счастью, в комплект коробочной версии включен мощный кулер и радиатор с медным основанием.^[30]

AMD FX-8350, как и его сосед сверху, устанавливается в AM3+ — это предыдущее поколение процессоров, медленно, но верно вытесняемое с рынка более современными моделями. Собирать на его базе новую систему не рекомендуется, а вот обновить существующую по приятной цене — вполне годный вариант.

Шестиядерный процессор AMD Ryzen 5 3600 — самый молодой участник в списке предпочтений покупателей. Он изготовлен по 7 нм техпроцессу, и является одним из самых производительных процессоров среди участников рейтинга. AMD Ryzen 5 3600 был выпущен на рынок в третьем квартале 2019 года, и сразу снискал популярность среди геймеров.^[31]

Процессор работает с частотой до 4,2 ГГц в турборежиме и обладает самым большим кэшем L3, объем которого составляет 32 МБ. Несмотря на высокую производительность, тепловыделение в 65 Вт можно назвать скромным, как и габариты боксового радиатора.

Тип сокета — актуальный АМ4, работает в паре с оперативной памятью DDR4, которой поддерживает до 128 ГБ. Данный процессор сможет работать исключительно под управлением Windows 10. Для его полноценной работы, возможно, потребуется обновление BIOS-а материнки.

Процессор Intel Pentium Gold G5400 не питает игровых амбиций. Его стихия — работа в составе офисных рабочих станций. Встроенная графика при сравнительно низкой цене — удачное сочетание, чтобы побороться за симпатии покупателя. Тактовая частота этого двухъядерного процессора 3,7 ГГц, а необходимый для его установки в материнку разъем — актуальный Socket LGA 1151-v2.

Встроенная графика вполне неплохо справляется с типовыми задачами, решения которых ждешь от офисного ПК. Ее наличие поможет минимизировать бюджет при покупке или выручит в случае поломки внешней видеокарты.

Одно из недорогих решений от Intel — процессор Intel Core i3-9100F состоит из четырех ядер, производящих вычисления на частоте от 3,6 ГГц до 4,2 ГГц в турборежиме. Он не имеет встроенной графики, что, несомненно, порадует геймеров, нежелающих переплачивать за лишнее видео.^[32] Ожидать от него сверхпроизводительности в нагруженных текстурами играх не стоит, но он вполне успешно справится с типовыми задачами мультимедийного ПК для развлечений. Устанавливается данная модель в разъем LGA 1151-v2. Процессор работает в тандеме с памятью DDR4. Общий объем памяти, поддерживаемой процессором — 64 ГБ.

Совсем немного не хватило процессору AMD Ryzen 5 1600, чтобы войти в тройку лидеров. Представленный в 2017 году AMD Ryzen 5 1600, изготовленный по 14 нм техпроцессу, стал настоящим бестселлером, и долгое время занимал первые строчки различных рейтингов. Он и по сей день удерживает неплохие позиции — сегодня он уступает около 25 % в производительности преемнику.

В стихии игровых баталий процессор в полной мере раскрывает свой мощный потенциал.