Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf
Добавлен: 28.03.2023
Просмотров: 202
Скачиваний: 2
Микропроцессор. Первые микропроцессоры были разработаны для уменьшения вычислительной техники. Первые компьютеры занимали огромные комнаты или этажи. Использовать и содержать их могли позволить только крупные компании. Вычисления, которые они производили, были очень затратными. Разработки в увеличении объёма памяти первых динамических запоминающих устройствах (DRAM) не способствовали резкому уменьшению вычислительных машин. Из всех условий, наличия ресурсов и поставленных задач инженеры начали разрабатывать собственные логически устройства или микропроцессоры. Микропроцессор служит главной вычислительной единицей устройства. Он выполняет арифметические, логические операции, синхронизирует и управляет работой остальных компонентов в устройстве. В каждом персональном компьютере он встречается в виде центрального процессора, а так же периферии подключаемой к компьютеру. За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. Микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта. Задача микропроцессоров в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микропроцессоры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микропроцессора проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность. Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:
- Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
- Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
- Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
- Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.
Компании пытаются поддерживать правило компьютерной индустрии, согласно которому каждые два года в схемах процессоров будет уменьшаться количество транзисторов. Но не только конструкционной оптимизацией могут похвастаться современные микропроцессоры. Специалисты также прогнозируют множество инноваций в части организации новой схемотехники, которая облегчит технологический подход к разработке процессоров и снизит их базовую стоимость.
Аудиопроцессор. Элементарное применение аудиопроцессора – в звуковых картах. Звуковые карты устанавливают для: получения на выходе (наушниках, колонках) усиленного чистого звука (содержащего минимальное количество шумов и искажений), качественной записи звука. Это устройство применяют как обычные пользователи, так и профессиональные студии для создания фильмов, музыки, игр. Звуковые карты поддерживают множество разъёмов, что увеличивает номенклатуру подключаемого оборудования, бывают внешними и внутренними. Аудиопроцессор является сегментом производства процессоров цифровой обработки сигналов (ПЦОС). Процессоры цифровой обработки сигналов применяются в устройствах сопряжения с ПК. Все внешние сигналы получаемые этими устройствами обрабатываются, переводятся в машинный код и отправляются на компьютер или принимаются с него в машинном коде, переводятся в сигналы и выдаются пользователю. На практике ПЦОС применяются в системах анализа сигналов, при реализации кодеков или кодеров различного назначения. Например, ПЦОС применяется в системах сотовой связи стандартов GSM, CDMA для осуществления сжатия на приёме и восстановления на передаче исходного аналогового речевого сигнала.[21] Так же данные процессоры используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, системах радиолокации, сонара и распознавания речи, а также в обычных потребительских электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, дисководы и телевизоры высокой четкости (HDTV).
Сопроцессор. Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i80487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips. Начиная с процессоров пятого поколения, сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора[22]. Серверы информационно-вычислительных систем, серверы телематических служб, сетевые устройства памяти, сети хранения данных требуют высокоскоростного ввода/вывода для обеспечения высокой общей производительности[23]. Сопроцессоры ввода-вывода разрабатывались именно для этих целей. Они также позволяют подключать различные внешние устройства, такие как NIC, Ethernet-адаптеры, ПЦОС к оперативной памяти.
Серверный процессор. Применяют серверные процессоры в промышленных установка (серверах) и домашних станциях. Задача таких установок предоставлять находящемуся в отдалении пользователю набор сервисных услуг в автоматическом режиме, без участия постоянного контроля со стороны человека. Серверные услуги могут представлять собой: хранение пользовательских данных и удобный доступ к ним со всех пользовательских устройств, разворачивания веб-сервера с собственным набором локальных сервисов, перенос вычислительных мощностей для масштабирования решаемых задач и инфраструктуры, ускоренная виртуализация серверов дата центра для выполнения самых ресурсоёмких рабочих задач ИИ (искусственного интеллекта) и глубокого обучения. В домашних серверах есть возможность установки управления умным домом, управлением системой видеонаблюдения и личным медиасервером. Серверные процессоры предназначены для работы 24/7 в условиях стрессовой нагрузки многими пользователями. Изначально распространение получили файловые серверы, где пользователи хранили свои данные и обменивались ими. С ростом глобальной компьютерной сети возникло новое направление — телекоммуникационные серверы (веб серверы, ftp, доменных имен, почтовые). С развитием системы управления базой данных, в силу изменения формата хранения и доступа к данным, файловые серверы утратили свою популярность, и их во многом заменили серверы баз данных. Файловые серверы продолжают существовать, но они приобрели второстепенное значение — их используют лишь для хранения пользовательских файлов и различных архивов. В последнее время выросла популярность терминальных серверов — ПК пользователей служат лишь терминалом для отображения и ввода данных, а все пользовательские задачи выполняются на сервере. Таким образом достигается значительная экономия на ПК (на роль терминала годятся даже маломощные компьютеры), снижаются затраты на установку и поддержку программного обеспечения, решаются вопросы конфиденциальности и сохранности данных. Для снижения совокупной стоимости владения, куда входят затраты на оборудование, программное обеспечение и обслуживание техники, многие компании сегодня возвращаются к централизованной обработке данных. Но теперь нет замкнутости на одном поставщике аппаратного и программного обеспечения, на рынке есть широкий выбор решений от различных фирм.
Графический процессор. Во многих областях использования компьютера существуют задачи представления на экране данных и изображения. Трехмерные визуализации для игр, создания анимации и спецэффектов в кино, визуализация инженерного проектирования, наглядное представление физико-математического моделирования – всё это выполняют современные графические устройства. Новые графические устройства содержат в процессоре множество узкоспециализированных ядер для конкретных видов расчетов, такие как: глубокая тренировка нейронных сетей, трассировка лучей в реальном времени, улучшение работы искусственного интеллекта. При переносе вычислений на графический процессор, во многих задачах достигается ускорение в 5-30 раз, по сравнению с быстрыми универсальными процессорами. Перечень основных приложений, в которых применяются вычисления на GPU: анализ и обработка изображений и сигналов, симуляция физики, вычислительная математика, вычислительная биология, финансовые расчёты, базы данных, динамика газов и жидкостей, криптография, адаптивная лучевая терапия, астрономия, обработка звука, биоинформатика, биологические симуляции, компьютерное зрение, анализ данных, цифровое кино и телевидение, электромагнитные симуляции, геоинформационные системы, военные применения, горное планирование, молекулярная динамика, магнитно-резонансная томография, нейросети, океанографические исследования, физика частиц, симуляция свёртывания молекул белка, квантовая химия, трассировка лучей, визуализация, радары, гидродинамическое моделирование, искусственный интеллект, анализ спутниковых данных, сейсмическая разведка, хирургия, ультразвук, видеоконференции. Все это стало доступно каждому пользователю в устройствах с новым графическим процессором, как в дискретных видеокартах, так и в интегрированных решениях.
Многоядерный процессор. Центральные процессоры, графические, серверные, процессоры цифровой обработки сигналов могут быть многоядерными и даже квантовые процессоры имеют множество кубитов. Потребность решения сложных прикладных задач с большим объемом вычислений и принципиальная ограниченность максимального быстродействия "классических" – по схеме фон Неймана – ЭВМ привели к появлению многопроцессорных вычислительных систем (МВС). Особую значимость параллельные вычисления приобрели с переходом компьютерной индустрии на массовый выпуск многоядерных процессоров. Здесь же выделим, как принципиально важный итог – многие возможные пути совершенствования процессоров практически исчерпаны (так, возможность дальнейшего повышения тактовой частоты процессоров ограничивается рядом сложных технических проблем) и наиболее перспективное направление на данный момент времени состоит в явной организации многопроцессорности вычислительных устройств[24]. Многоядерные процессоры стали неотъемлемой частью современного мира. Самые свежие новинки центральных процессоров получили 64 ядра и 128 потоков (AMD Ryzen™ Threadripper™ 3990X). Даже рынок мобильных устройств может похвастаться наличием 8 ядерных процессоров (Qualcomm® Snapdragon™ 855+). Большое количество ядер и наличие многопоточности стали основными лозунгами маркетинговых компаний.
Квантовый процессор. На данный момент квантовыми компьютерами, содержащими в себе квантовый процессор, располагают несколько больших компаний и исследовательских центров. Google, IBM, D-Wave, Сколково имеют в своём распоряжении несколько квантовых компьютеров. Вычисления, производимые внутри компании, нам не известны. Но некоторые компании предоставляют оборудование для облачных вычислений. Задачи с большим количеством переменных, расшифровка закодированных данных, работа с огромными числами, поиск программных ошибок в сложных устройствах, симуляции взаимодействия космических тел (моделирование вселенной), составление необходимых химических реакций из большого числа элементов и т.д. – все это задачи решения которых возлагают на квантовые вычисления. Квантовые технологии — это крайне перспективная область, которая может открыть нам множество тайн природы и помочь решить задачи, над которыми бьется не одно поколение людей. Вопрос о возможности создания универсального квантового компьютера сложный, ведь впереди очень много физических и инженерных проблем.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность зависит от проблем специфики решаемых задач. Специализация процессоров, а именно его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций, позволяет резко увеличивает эффективную производительность. Совокупность специализированых процессоров в одном устройстве дополнительно расширит область применения устройства. Центральный процессор этого устройства поможет эффективно обработать результаты. Такая схема персонального компьютера является на сегодняшний день самой оптимальной. Она настраивается под запросы пользователя, разнообразие компонентов даёт возможность выбрать как профессиональное оборудование, так и для минимальных задач. Цена устройств с развитием техники становить ниже, но выпуск новых продуктов, улучшенных на несколько процентов, по сравнению с предыдущим, происходит раз-два в год. Компании редко стали разрабатывать новые архитектуры. Улучшение существующей технологии тоже важный процесс, но результат с него не столь отличительный. С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление. Первые процессоры архитектуры потребляли очень маленькое (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели потребляют 130 и более ватт. Фактор энергопотребления на первых порах был несущественным, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров. С развитием понятия «зелёной энергии» человечество столкнулось с сокращением расходов потребляемой энергии. Мобильная переносная техника зависит от времени работы от аккумулятора. Решение этих проблем лежит в основе разработки новых и современных процессоров.
Заключение
В данной работе объектом изучения послужили процессоры, применяемые в персональном компьютере. Были раскрыты основные понятия; составлена классификация процессоров; рассмотрены функции и краткая архитектура; дано назначение.
ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов 20 века. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами. Небольшие габариты, мобильность, широкий спектр использования, удобство повседневной работы стали выдающимися параметрами ЭВМ. Совершенствование процессоров помогло переложить разнообразные тяжёлые вычисления на ЭВМ и тем самым облегчить жизнь, дать понимание сложных процессов, помочь в решении задач.
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями — нано технологиями и квантовыми вычислительными системами. Квантовые вычисления используют в качестве компонентов логических схем молекулы и даже субатомные частицы: основой для вычислений служат не электрические цепи, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Что создаёт сложности в работе этих устройств. Лишь большие компании могут позволить создание квантовых компьютеров. Экстремально низкие температуры, использование ценных сплавов в создании, большие размеры не дают распространению в массы. Что в свою очередь тормозит раскрытия потенциала технологии. Обычные процессоры тоже столкнулись с рядом тормозящих развитие ограничений. Создание технического процесса ниже 7 нанометров для процессоров стало слишком затратным. Технологии перехода на более мелкие масштабы литографии стоят огромных денежных средств и более строгие условия производства (стерильность, желтый свет, чистота заготовки). Лишь переход на более тонкий тех. процесс может существенно увеличить количество располагаемых элементов на слое кремния, а так же количество этих слоёв. Развитие науки и материалов должно помочь в разработке более простых квантовых процессоров и в переходе обычных процессоров на более тонкий тех. процесс.
Связь человека с персональным компьютером с каждым днём становиться всё теснее. Лично я каждый день провожу за ПК от 8 до 12 часов. Вся моя работа, как и большинства людей, происходит за этими устройствами. Программирование, конструирование моделей, документирование, работа с клиентами, создание видео, аудио контента заставляют людей проводить рабочий день за ПК. Мобильные персональные устройства, содержащие в себе микропроцессоры, стали основными доступными источниками развлечения. В них мы смотрим видео, играем, делаем крутые фото и видео, оплачиваем покупки, следим за здоровьем и новостями в мире. Большая часть жизни стала социальной. Потребители со своей стороны хотят более быстрого отклика на команды, быстрых ответов на поставленные вопросы и больше возможностей выполняемых на устройствах. Для этих требований производители разрабатывают новые устройства, содержащие в себе самые мощные на тот момент центральные процессоры. Гонка удовлетворения спроса толкает производителей на развитие всех устройств и их компонентов.