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

Исходя из вышеизложенных технологий и архитектур, можно понять, что процессоры являются важной частью компьютера и не заменимы в нём. Так же они являются важной частью, благодаря которой появилась возможность разрабатывать всё более продвинутые технологии в других сферах деятельности человека.

3. Назначение процессоров.

Назначение процессоров самое разное, от расчёта простых математических вычислений до сложных вычислений графики, обработки изображения и просчёта построения точек теней и т.д.

На данный момент процессоры являются орудием для реализации и создания 3d моделей, обозначения их действий в созданных для данных моделей мире. Так с помощью процессоров можно просчитать направление солнечных лучей при движение объекта в созданной игре, показать как падает его тень, как идёт взаимодействие разных объектов и просчёта разрушаемости. В индустрии процессоры используют для игр, мультанимаций, траекторий полётов и всего где нужны вычисления, прогназирования.

4. Классификация процессоров.

Классификацию процессоров начнём с 2008-го года в связи с тем, что процессоры этого года повсеместно ещё находятся в эксплуатации, процессоры семейств предыдущих поколений рассматриваться не будут в связи с неактуальностью данной информации и незаинтересованностью современного потребителя в более старых моделях процессоров.

В 2008-м году Intel выпускает микроархитектуру Nehalem в котором используется ядра Bloomfield в исполнении LGA 1366 и для ядра Lynnfield в исполнении LGA 1156соответственно. Процессоры Nehalem содержат не менее 731 млн транзисторов. Но площадь кристалла значительно увеличилась по сравнению с предшественником -- с 214 до 263 мм?. Процессоры Nehalem поддерживаются большинством современных операционных систем, работающих на платформе x86/x64.

Архитектура Nehalem построена на базе Core, но содержит такие кардинальные изменения, как:

Встроенный контроллер памяти, поддерживающий 2 или 3 канала DDR3 SDRAM или 4 канала FB-DIMM.

Новая шина QPI, пришедшая на смену шине FSB (только в процессорах для LGA 1366; процессоры для LGA 1156 используют шину DMI).

Возможность выпуска процессоров со встроенным графическим процессором (в бюджетных решениях на базе 2-х ядерных процессоров).

В отличие от Kentsfield и Yorkfield, которые состоят из двух кристаллов по 2 ядра в каждом, все 4 ядра Bloomfield находятся на одном кристалле. Добавлен кэш 3-го уровня.

Добавлена поддержка SMТ (организация 2-х логических ядер из 1 физического).

В 2011-м году анонсирован Sandy Bridge - архитектура, процессоры которой будут производиться по 32-нм техпроцессу. Отличительной особенностью всех процессоров Sandy Bridge станет наличие в них интегрированного графического ядра нового поколения (Intel HD Graphics 2000/3000). Причем если в процессорах предыдущего поколения вычислительные ядра процессора и графическое ядро размещались на разных кристаллах и производились по разным техпроцессам, то в процессорах Sandy Bridge все компоненты процессора изготавливаются по 32-нм техпроцессу и располагаются на одном кристалле.

Графическое ядро и вычислительные ядра процессора имеют доступ к кэшу L3. Процессоры Sandy Bridge будут иметь интегрированный интерфейс PCI Express 2.0 для использования дискретных видеокарт. Причем все процессоры поддерживают 16 линий PCI Express 2.0, которые могут быть сгруппированы либо как один порт PCI Express x16, либо как два порта PCI Express x8. Все процессоры Sandy Bridge имеют интегрированный двухканальный контроллер памяти DDR3.

Еще одна особенность процессоров на базе микроархитектуры Sandy Bridge заключается в том, что вместо шины QPI, которая раньше использовалась для связи отдельных компонентов процессора друг с другом, теперь применяется иной интерфейс, называемый кольцевой шиной. Архитектура процессора Sandy Bridge подразумевает модульную, легко масштабируемую структуру.

Еще одной особенностью микроархитектуры Sandy Bridge является то, что в ней реализована поддержка набора инструкций Intel AVX. Intel AVX представляет собой новый набор расширений для архитектуры Intel, предусматривающий 256-битные векторные вычисления с плавающей запятой на базе SIMD.

Говоря о Sandy Bridge, нужно отметить, что она является развитием архитектуры Nehalem. Различия между Nehalem и Sandy Bridge довольно существенные, но всё же назвать эту архитектуру новой, какой в свое время была микроархитектура Intel Core, нельзя.

В 2012-м году представили новое поколение Ivy Bridge - кодовое название 22-нм версии микроархитектуры Sandy Bridge третьего поколения процессоров Intel Core. Представлена 23 апреля 2012 года.

22-нм процессоры Intel Ivy Bridge будут использовать транзисторы с вертикально расположенным затвором. Согласно оценкам компании, производительность 22-нм Tri-Gate транзисторов на 37 % выше производительности планарных 32-нм структур. При этом энергопотребление у них до 50 % меньше. Тем не менее, несмотря на пониженное энергопотребление, оверклокеры, испытав разгонный потенциал новых процессоров, пришли к неутешительному заключению, что процессоры, произведенные по техпроцессу 22-нм на повышенных частотах греются сильнее своих предшественников. Это связано в основном с уменьшением размеров кристалла, а как следствие - меньшей площади контакта кристалла с теплоотводящий крышкой, что приводит к перегревам и нестабильной работе. Интегрированное GPU доработано до соответствия требованиям API, DirectX 11 с поддержкой стандарта HDMI 1.4a и подключения до 3 мониторов; будут применяться два варианта графического ядра:

HD Graphics 2500 с частотами 650/1050 МГц в i3/i5 (схоже по уровню производительности с предыдущим поколением).

HD Graphics 4000 с частотами 650/1150 МГц (высокопроизводительное решение, ориентировано главным образом на ноутбуки, где использование дискретной графики наносит серьёзный удар по мобильности, в десктопных же процессорах можно получить лишь в составе редких специальных предложений.

Особенности архитектуры:

переход на 22-нм техпроцесс (улучшение производительности и снижение энергопотребления).

увеличение IPC (количества инструкций выполняемых за такт), дополнение системы команд четырьмя инструкциями ускоренного доступа к базовым регистрам (Front Side и Graphics Side), ускорение строковых инструкций REP MOVSB/STOSB, ускорение преобразования чисел с плавающей точкой из 16-битного формата в 32-битный формат.

кольцевая шина Ring Interconnect (более производительная чем QPI) объединяющая процессорные ядра, графическое ядро и системный агент через общий кэш последнего уровня (LLC, L3).

обратная совместимость с сокетом второго поколения процессоров Sandy Bridge.

новый 2- или 4-канальный контроллер DDR3, поддерживающий память до DDR3-2800 MT/s[2], и DDR3L.

встроенный контроллер PCI Express 3.0 (кроме процессоров i-3).

встроенная поддержка интерфейса Thunderbolt.

чипсет Panther Point с новым интерфейсом FDI, рассчитанным на одновременное подключение до трех дисплеев.

улучшенные технологии энергосбережения (конфигурируемое TDP, режим пониженного энергопотребления).

добавлен высокоскоростной и высококачественный аппаратный генератор случайных чисел с поддержкой стандартов ANSI X9.82, NIST SP 800-90 и NIST FIPS 140-2/3 сертификации уровня 2.

новая инструкция RDRAND для работы с генератором случайных чисел, возвращающая случайное число в 16-, 32- или 64-битный регистр.

добавлен новый режим защиты в режиме супервизора, предотвращающий исполнение кода из пользовательских страниц.

В 2013-м году выпустили Haswell - кодовое название микроархитектуры четвёртого поколения процессоров Intel Core, которая является третьим значительным изменением микроархитектуры, использующей транзисторы с трёхмерной структурой затвора. Для процессоров Haswell предназначено новое семейство чипсетов Intel 8-й серии, включающее в себя модели B85, H87, Q85, Q87 и Z87 для процессорного разъёма LGA 1150, которые осуществляют поддержку до 6 портов USB 3.0 (а также функция I/O Port Flexibility, позволяющую задавать, какие именно USB-порты будут функционировать как 3.0) и до 6 шин SATA III (при этом отсутствуют SATA II). Также, оптимизирована работа с SSD, используются улучшенные технологии Rapid Storageи Intel vPro, внедрена поддержка 4-потокового чтения через последовательный интерфейс, понижено энергопотребление и внесены другие улучшения.

Особенности архитектуры:

Конструктивное исполнение LGA 1150 (Socket H3).

Базовое количество ядер -- 2 или 4.

Полностью новый дизайн кэша.

Улучшенные механизмы энергосбережения.

Поддержка технологии Thunderbolt.

Интегрированный векторный сопроцессор.

Добавление инструкций AVX 2, FMA 6-битовых, инструкций BMI1 и BMI2.

Расширение команд TSX (Transactional Synchronization Extensions (англ.) русск.) для аппаратной поддержки транзакционной памяти (кроме процессоров с индексом K). В начале августа 2014 один из разработчиков обнаружил неправильную работу инструкций TSX, что Intel впоследствии подтвердила собственными тестами и выпустила новый микрокод, который полностью отключает новый набор команд. К “дефектным” процессорам относятся все модели Haswell и Haswell-E.

Память eDRAM объёмом 64 Мбайт (по некоторым сведениям -- 128 МБ) как отдельный кристалл, но в общей упаковке -- только в процессорах для BGA, например Core i7-4770R.

Энергопотребление на 30 % ниже по сравнению с аналогами из линейки Sandy Bridge, в некоторых режимах - в 20 раз ниже.

В чипе реализована возможность одновременной работы с четырьмя операндами, позволяющая за одну инструкцию совершать сразу две операции умножения и сложения либо вычитания.

Процессоры, построенные на архитектуре Haswell имеют дополнительный интегрированный регулятор напряжений (VRM, FIVR), выполненный в виде отдельного кристалла под общей теплораспределительной крышкой. FIVR имеет размеры около 13?8 мм и изготовлен по 90 нм процессу.

В 2014-м году выпустили Broadwell представляет собой перенос архитектуры Haswell на техпроцесс "14 нм". В отличие от предыдущих архитектур, Broadwell не заменит весь диапазон применений Haswell. На её основе не будут выпускаться дешевые процессоры для настольных компьютеров.

Ожидается запуск трёх основных вариантов Broadwell:

Чипы с BGA-корпусом (не используют сокет, а распаиваются непосредственно на материнской плате):

Broadwell-Y: Система на кристалле (СнК, SoC); тепловыделение не более 4.5 W и 3.5 Вт, для планшетных компьютеров и некоторых ноутбуков. В качестве графического решения используют GT2; поддерживают до 8 ГБ оперативной памяти LPDDR3-1600.

Broadwell-U: СнК; тепловыделение до 15 Вт для процессоров с 2 процессорными ядрами и графическим решением GT2 или GT3; до 28 Вт для двухъядерных процессоров с GT3. Предназначены для использования с чипсетом PCH-LP в ноутбуках и компактных настольных компьютерах NUC. Поддерживают либо до 16 ГБ ОЗУ DDR3L-1600, либо до 8 ГБ LPDDR3-1600.

Broadwell-H: варианты с тепловыделением до 37 Вт или до 47 Вт, для плат с чипсетами HM86, HM87, QM87 и HM97 для систем «всё-в-одном», плат размера Mini-ITX и других компактных форматов. 2 или 4 ядра (4 или 8 потоков соответственно), графическое решение GT3e или GT2. Поддержка до 32 ГБ ОЗУ DDR3L-1600. These are scheduled for Q2 2015.

Десктопная версия с разъёмом LGA 1150 2-го поколения:

Broadwell-C: четырёхядерная версия для настольных компьютеров с интегрированной графикой GT3e (Iris Pro 6200) и тепловыделением не более 65 Вт.

Разъём LGA 2011-v3:

Broadwell-EP: (обозначения Xeon E5-XXXX v4), для использования с серверным чипсетом C610 Wellsburg. До 18 ядер (до 36 потоков), до 45 МБ кеш-памяти, 40 линий PCI Express 3.0, тепловыделение до 70-160 Вт. Поддержка памяти - до 4 каналов DDR4-2400.

Broadwell-EX: платформа Brickland для серверов. Будут использовать Intel QuickPath Interconnect (QPI) версии 1.1, что позволяет создавать системы с более чем 8 процессорами (сокетами). Поддержка памяти - до DDR3-1600 либо до DDR4-3200.

Расширения инструкций:

ADX (инструкции ADOX/ADCX) для работы с числами произвольной точности.

Инструкция rdseed для генерации случайного числа размером 16, 32 или 64 бита. Для её использования в <immintrin.h> добавлены функции int _rdseedXX_step(uintXX_t *random_val, где XX -- размер бита).

В 2015-м году анонсировали Skylake -- кодовое название шестого поколения архитектуры центральных процессоров Intel Core, которая является четвёртым значительным изменением микроархитектуры Core согласно стратегии разработки микропроцессоров «Тик-так» компании Intel вслед за «тиком» Broadwell без изменения технологического процесса 14-нм уйдёт.

Особенности архитектуры:

14-нм технологический процесс.

Конструктивное исполнение LGA 1151.

Поддержка памяти DDR3L и DDR4 SDRAM (неофициально процессоры Skylake могут работать и с обычной DDR3 памятью, но нужно понимать, что напряжение выше 1,35 В может оказаться губительным для встроенного контроллера памяти процессора).

Поддержка технологии Thunderbolt 3.0 (Alpine Ridge).

IGP девятого поколения от HD Graphics 510ULT с 12 EU до Iris Pro Graphics 580 с 72 исполнительными устройствами, встроенным eDRAM-буфером ёмкостью 128 Мбайт, с суммарной пиковой производительностью до 1152 гигафлопс и поддержкой программных API DirectX 12, OpenGL 4.4 и OpenCL 2.0.

Поддержка 512-битных векторных инструкций AVX 3.2 (в серверных процессорах, MPX (Memory Protection Extensions) и ADX (Multi-Precision Add-Carry Instruction Extensions).

Поддержка SATA Express.

Новая шина — DMI 3.0 с пропускной способностью до 3,9 Гбайт/с в каждую сторону.

Встроенный процессор обработки изображений – ISP (Image Signal Processing), обладающий встроенным интерфейсом CSI (Camera Sensor Interface) с поддержкой до четырех внешних цифровых камер/сенсоров с разрешением до 13 Мп.

В 2015-м году Kaby Lake — кодовое название микроархитектуры процессоров Intel Core 7-го и 8-го поколения, которая является незначительным изменением микроархитектуры Core согласно стратегии разработки микропроцессоров «Тик-так» компании Intel вслед за «тиком» Broadwell и является усовершенствованным «таком» Skylake без изменения техпроцесса 14-нм. Анонс новой архитектуры состоялся 16 июля 2015 года, а появление процессоров в рознице состоялось в начале 2017 года