Архитектура современного процессора

Виды популярных архитектур процессоров

Статьи, 16 июля 2018 в 16:30

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).

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).

Виды архитектур

В этой статье мы рассмотрим самые распространенные и актуальные архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

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.

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 (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.

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 (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.

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.

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.

Архитектура процессора — что это за хитрое понятие??

Доброго времени суток.

В этой статье вы получите развернутый ответ на вопрос «что такое архитектура процессора». Также после ее прочтения вы узнаете о разновидностях архитектуры и научитесь различать их обозначения.

Объяснение термина

Под архитектурой процессора понимается комбинация из:

• Микроархитектуры — способ ее реализации, то есть составные части проца и методы их взаимодействия между собой и описанными ниже компонентами;
• АНК — набор команд, включая модель исполнения, регистры устройства, форматы данных и адресов.
• Микрокода — делает понятными команды уровня АНК для микроархитектуры.

Если рассматривать архитектуру со стороны программистов, то его можно объяснить как совместимость с определенным набором команд (допустим, девайсы, соответствующие командам Intel x86), их структуру (например, как организована система адресации или регистровая память), а также метод исполнения (к примеру, счетчик команд).

Смотря на архитектуру как на аппаратную составляющую компьютера, мы увидим другую картину. Это определенный набор характеристик, которому соответствует целое семейство процессоров, то есть их внутренняя конструкция.

Классификация архитектур

По скорости и количеству выполняемых команд архитектуры делятся на:

• CISC. На английском языке расшифровывается как «Complex Instruction Set Computing», то есть «Комплексный набор команд». Устройствам этого типа свойственно большое количество режимов адресации и команд разного формата и длины, а также сложная кодировка инструкции.
• RISC. Первое слово в расшифровке заменено на «Reduced», что на нашем языке — «Сокращенный». Это значит, что все команды имеют одинаковый формат и кодировку.
• MISC (Multipurpose — Многоцелевой ). База элементов делится на две части, которые находятся или в одном корпусе, или в отдельных. Главной выступает RISC CPU. Он дополнен другой частью — постоянным запоминающим устройством микропрограммного управления. Системе присущи характеристики CISC. Большинство команд выполняет первая часть, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы.

Также существует классификация процессоров, и соответственно архитектур, по назначению:

• Графические. Как видеокарта отвечает за визуализацию объектов на экране.
• Математические. Нацелены на расширение набора команд, выполняемых центральным процессором, для решения различных математических задач.
• Цифровые сигнальные. Специализированные устройства, предназначенные для обработки оцифрованных сигналов.

С физической точки зрения девайсы разделяются по количеству ядер, которые отвечают за выполнение команд. Если их больше одного, устройства называются многоядерными.

Разбор обозначений

В теме о процессорах вы можете столкнуться с их цифровыми обозначениями типа x64, x86 и пр. Давайте разберемся, что все это значит. Разложу по полочкам.

8086 и компания

В 1978 году компания Intel выпустила 16-битный процессор, получивший название 8086.

После него выходили другие модели, в наименованиях которых первые две цифры оставались прежними, а последние менялись на 88, 186, 286, 386, 486 и прочие.

Вот пример i386.

Как вы заметили, почти все имена заканчиваются одинаково, поэтому все семейство объединили под условное обозначение x86. Оно устоялось среди пользователей и применялось даже когда Интел начала давать своим продуктам словарные названия типа Пентиум, Кор, Атом и т. д. Переняли эту «моду» и другие производители устройств, совместимых с этим семейством, — IBM, VIA, AMD, Cyrix и др.

Чаще всего это обозначение сейчас используется по отношению к 32-битным процессорам. Они также могут называться, к примеру, i386, i486, i586, когда требуется дать более точные сведения о наборе инструкций.

Совершенствование до 64 бит

Компания Intel модернизировала процессоры с 16-битной шиной до 32 бит. Однако AMD приложила усилия к усовершенствованию их до х64. Первый такой продукт она выпустила в 2003 году, не став заморачиваться над названием — просто «AMD64».

Чтобы показать повышенную разрядность процессоров, стали к обозначению «x86» добавлять «64», к примеру, x86_64.

Интел решила выделиться, помечая такие устройства сначала как «IA-32e», а потом «EM64T». Но сейчас чаще можно встретить «Intel 64».

Как узнать архитектуру?

В случае с новыми ЦП прочитать их характеристики можно в инструкции или непосредственно на коробке. Но что делать, если вы берете устройство с рук? Или может быть хотите знать, какая архитектура у вашего проца? Выяснить это можно несколькими способами.

Средства системы

Выполните следующие действия:

• Откройте командную строку через меню «Пуск — Программы — Стандартные» или другим удобным способом.
• Впишите в нее слово systeminfo.
• Нажмите Enter.

Перед вами появятся сведения об операционке, среди которой будет и архитектура процессора.

• Щелкните правой кнопкой мыши на значке «Мой компьютер»;
• Откройте «Свойства»;
• Перейдите в «Диспетчер устройств»;
• Кликните пункт «Процессор».

И тоже получите все данные о нем.

Сторонние программы

Одной из хороших программ, помогающих узнать все о проце, является CPU-Z .

Она бесплатная и распространенная, поэтому вы без проблем ее отыщите и скачаете.

Вам нужно лишь установить и запустить ее, чтобы посмотреть необходимую информацию.

В качестве альтернативного варианта могу предложить еще одну достойную прогу — AIDA 64 . Она платная (Есть триал период), зато может рассказать все о вашем железе в целом, не только о ЦП.

Получить сведения о процессоре через нее можно, перейдя по разделам «Компьютер — Системная плата — ЦП».

На этом буду заканчивать.

Чтобы не забывать заглядывать ко мне чаще и узнавать больше новой интересной информации, подписывайтесь на обновления.

Обзор архитектуры современных многоядерных процессоров

Введение

Презентацию к лекции Вы можете скачать здесь.

«Citius, Altius, Fortius» 1 «Быстрее, Выше, Сильнее» – лат. – девиз Олимпийских игр современности, как ни к какой другой области, применим к вычислительной технике. Воплощение в жизнь не раз видоизменявшего свою исходную формулировку, но до сих пор действующего эмпирического закона, сформулированного в 1965 г. Гордоном Муром, похоже, стало «делом чести» производителей аппаратного обеспечения. Из всех известных формулировок этого закона точку зрения потребителя/пользователя наилучшим образом отражает вариант: «производительность вычислительных систем удваивается каждые 18 месяцев». Мы сознательно не использовали термин «процессор», поскольку конечного пользователя вовсе не интересует, кто обеспечивает ему повышение мощности: процессор, ускоритель, видеокарта – ему важен лишь сам факт роста возможностей «за те же деньги».

Закон Мура в общем случае гласит, что за небольшой период времени происходит удвоение количества транзисторов на кристалле 2 Имеется несколько законов Мура, вот один из них: «число транзисторов в производимых чипах удваивается каждые два года». Формулировка: «производительность микропроцессо-ров удваивается каждые 18 месяцев», — была выдвинута Дэвидом Хаусом на основе преды-дущего закона, но принято и эту формулировку считать «законом Мура». . Величина этого периода обычно составляет 1-2 года и определяется уровнем развития промышленности в конкретный момент времени. Закон Мура достигается за счёт более плотного размещения транзисторов, т.к. линейное расстояние между электродами транзисторов уменьшается (происходит уменьшение техпроцесса, определяющего размер транзисторов). В результате тепловыделение и энергопотребление транзисторов уменьшается. Как следствие, становится возможным размещение большого количества транзисторов на кристалле с сохранением прежних (или даже меньших) показателей тепловыделения и энергопотребления.

До настоящего момента увеличение количества транзисторов выражалось в росте тактовой частоты процессоров, увеличении размеров локальной памяти процессоров (кэш-памяти 3 Первые процессоры либо не содержали кэш-память, либо их кэш-память была размером несколько КБ. Современные процессоры общего назначения имеют многоуровневую иерар-хию кэш-памяти, суммарным размером несколько МБ. ) и усложнению логики процессоров (интеллектуальные предсказатели ветвлений, многоэтапные конвейеры, блоки векторных вычислений, возможность выполнять несколько инструкций за такт и др.). Основным способом повышения производительности было увеличение тактовой частоты процессоров. Со временем это стало невыгодно в силу физических ограничений, т.к. увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту тепловыделения и потребляемой мощности 4 Значительно повышаются энергопотребление процессора и его системы охлаждения. . Производители, выбрав в качестве магистрального пути развития увеличение числа ядер на кристалле, были вынуждены призвать на помощь разработчиков программного обеспечения. Старые последовательные программы, способные использовать лишь одно ядро, теперь уже не будут работать быстрее на новом поколении процессоров «задаром» – требуется практически повсеместное внедрение программирования параллельного.

Кроме представленной выше известна и другая формулировка закона Мура: «доступная (человечеству) вычислительная мощность удваивается каждые 18 месяцев». Зримое свидетельство этого варианта формулировки – список Top500 [106] самых высокопроизводительных вычислительных систем мира, обновляемый дважды в год. В ноябре 1993 г. был представлен 2-ой список Top500, содержащий одну вычислительную систему с производительностью больше 100 гигафлопс (Numerical Wind Tunnel производства Fujitsu). Барьер в один терафлопс был преодолен системой ASCI Red [111] производства компании Intel в 1997 г. В июне 2005 система IBM BlueGene/L имела производительность более 100 терафлопс, а уже в 31-м списке Top500 (июнь 2008 г.) впервые в истории был преодолен петафлопный порог производительности – суперкомпьютер Roadrunner [112] производства компании IBM показал на тесте LINPACK 1,026 петафлопс (всего за 15 лет пик мощности вырос на четыре порядка). А суммарная мощность систем, представленных в 31-м списке Top500, составила 11,7 петафлопс. Много это или мало? Если взять за основу, что реальная производительность хорошей «персоналки» на четырехъядерном процессоре составляет порядка 20 гигафлопс, то весь список Top500 будет эквивалентен половине миллиона таких персоналок. Очевидно, что это лишь вершина айсберга. По данным аналитической компании Gartner, общее число используемых в мире компьютеров превысило в 2008 г. 1 миллиард.

Представленные в списке Top500 данные позволяют проследить характерные тенденции развития индустрии в сфере суперкомпьютерных вычислений. Первый список Top500 датирован июнем 1993 г. и содержал 249 многопроцессорных систем с общей памятью и 97 суперкомпьютеров, построенных на основе единственного процессора; более 40% всех решений в нем были созданы на платформе, разработанной компанией Cray. Уже четырьмя годами позже в Top500 не осталось ни одного суперкомпьютера на основе единственного процессора, а взамен появилась первая система с производительностью всего в 10 гигафлопс (в 100 раз меньше, чем у лидера списка системы ASCI Red), относящаяся к довольно новому тогда виду кластерных вычислительных систем, которые сегодня занимают в Top500 более 80% списка и являются, фактически, основным способом построения суперкомпьютеров.

Основным преимуществом кластеров, предопределившим их повсеместное распространение, было и остается построение из стандартных массово выпускающихся компонентов, как аппаратных, так и программных. В 31-м списке Top500 75% систем построены на основе процессоров компании Intel, чуть больше 13% – на процессорах компании IBM и 11% – компании AMD (на двух оставшихся производителей – NEC и Cray – приходится по одной системе соответственно); 81% систем используют всего два типа сетей передачи данных: Gigabit Ethernet или Infiniband; 85% систем работают под управлением операционной системы из семейства Linux. Как видим, список использующихся программно-аппаратных компонент весьма ограничен, что является несомненным плюсом с точки зрения пользователей.

Однако для массового пользователя еще большим плюсом была бы возможность иметь персональный суперкомпьютер у себя на столе или в «облаке» с надёжным и быстрым доступом к нему. И кластеры, принесшие в индустрию высокопроизводительных вычислений идею «собери суперкомпьютер своими руками», как нельзя лучше отвечают этой потребности. Сейчас трудно достоверно установить, какая система может быть названа первым в мире «персональным кластером». Во всяком случае, уже в начале 2001 г. компания RenderCube [109] представила одноименный мини-кластер из 4-х двухпроцессорных систем, заключенных в кубический корпус со стороной всего в 42 см.

Тенденция «персонализации» супервычислений в последнее время развивается все активнее, и недавно была подхвачена в том числе и производителями видеокарт, мощности которых возросли настолько, что возникло естественное желание использовать их не только в графических расчетах, но и в качестве ускорителей вычислений общего назначения. Соответствующие решения представлены в настоящее время компанией NVIDIA (семейство NVIDIA® Tesla™) и компанией AMD (семейство ATI FireStream™) и демонстрируют – в силу специфики внутреннего устройства – потрясающую (в сравнении с универсальными процессорами) пиковую производительность, превышающую 1 терафлопс.

Основная идея кластера в «облаке» заключается в предоставление пользователям вычислительных ресурсов кластера удалённо через сеть Internet. При этом, пользователю не нужно покупать кластер, заниматься его содержанием и обслуживанием. Кроме того, оплачиваются только потреблённые ресурсы при выполнении вычислении. Одной из популярных облачных систем является Amazon Web Services (в 41-ом списке Top500 кластер Amazon EC2 занимает 128 место с производительность 240 терафлопс).

Данная глава посвящена рассмотрению современных многоядерных процессоров, которые являются основой для построения самых быстродействующих вычислительных систем. Для полноты картины приводится также описание ряда аппаратных устройств (видеокарт и вычислительных сопроцессоров), которые могут быть использованы для существенного ускорения вычислений.

Развитие архитектур процессоров Intel.

Развитие архитектур процессоров Intel.

Последовательность развития архитектур процессоров с 2011 года показана в таблице 1. Процессоры с названием Cannonlake (10 нм), появление которых ожидалось в 2017 году, и далее после них выйдут 10 нм процессоры Icelake. Третьими 10 нм процессорами могут стать чипы с именем Tigerlake, которые были запланированы на вторую половину 2019 года. После технологии 10 нм Intel надеется вернуться к циклу: два года и два поколения процессоров. Поскольку разработка с каждым новым техпроцессом становится сложнее, эта задача является всё более труднодостижимой. Поэтому 7 нм технологический процесс появится после 10 нм не раньше 2020 года, а переход к 5 нм ожидается не раньше 2022 года. Пока же о цикле Intel «тик-так» можно забыть на время, а может и навсегда, и в этом году, например, нас ожидает третье поколение 14 нм процессоров под именем Kaby Lake. До этого события пока же представлены ещё не все модели процессоров Skylake. Восьмое поколение процессоров Core возможно будет базироваться на нескольких микроархитектурах Coffee Lake, Cannon lake и включая варианты Kaby Lake.

Чипы Coffee Lake не будут совместимы с материнскими платами на чипсетах серии 200. В настоящее время компания объявила о выпуске чипсета Z370, который будет поддерживать увеличение количества новых чипов, увеличив количество источников питания. Процессоры восьмого поколения Coffee Lake не будут архитектурно отличаться от предшественников, но предложат большее количество ядер в каждом сегменте. Выход процессоров Coffee Lake снова сломает систему Intel. Если ранее она была двухэтапной, то теперь она состоит из трех этапов: внедрение нового техпроцесса, внедрение новой архитектуры без смены техпроцесса и оптимизация данной архитектуры в рамках того же техпроцесса. Процессоры Coffee Lake будут производиться по 14-нанометровой технологии, и это будет уже третье поколение, использующее данный техпроцесс (значит — схема PAO: process, architecture, optimization — тоже нарушена), а точнее, даже четвёртое, если считать специфическое по своему позиционированию поколение Broadwell.

Coffee Lake.

Coffee Lake—кодовое название микроархитектуры восьмого поколения процессоров Intel Core, которая является незначительным изменением микроархитектуры. Coreсогласно стратегии разработки микропроцессоров «Тик-так» компании Intel вслед за «тиком» Broadwell и является усовершенствованным «таком»Kaby Lake без изменения техпроцесса 14-нм. Основным отличием архитектуры является увеличение до шести количества ядер процессора в настольных (Coffee Lake-S) и мобильных (Coffee Lake-H) вариантах процессора. Тепловой пакет (TDP) для настольных процессоров составляет 95 Вт, мобильных до 45 Вт, а «ультрабучной» категории Coffee Lake-U 28 Вт. Настольные процессоры имеют встроенную графику Intel UHD Graphics 630ceDRAM и поддержкойDP1.2 на HDMI2.0 и HDCP2.2. Производительность процессоров Coffee Lake на 15 процентов больше по сравнению с процессорами Kaby Lake.

Компания Intel сообщает о 30-процентном приросте производительности процессоров Coffee Lake в тесте SYSmark 2014 в сравнении с процессорами Skylake U-серии с TDP 15 Вт.

Чипы стали доступны для покупки начиная с октября 2017 года. Из-за повышенных требований к системе питания гнезда LGA 1151 процессоры Coffee Lake совместимы только с материнскими платами на чипсете 300-й серии. Микроархитектура новых CPU практически не претерпела серьезных изменений:

1) Увеличена производительностьмногопоточныхвычислений: до 4 процессорных ядер в моделях процессоров i3; До 6 ядер в моделях i5 и i7;

2) Увеличен размер кэша уровня 3 в соответствии с количеством ядер;

3) Увеличены частоты втурборежиме в моделях процессоров i5 и i7 на 200 МГц;

4) Увеличена тактовая частота встроенной графики на 50 МГц;

5) Добавлена поддержка памяти DDR4 до 2666 МГц (для процессоров i5 и i7) и 2400 МГц (для i3 процессора); память DDR3 больше не поддерживается;

6) Тепловая мощность (TDP) до 95 Вт (в LGA 1151), при активации турборежима доходящая до 145 Вт.

Тесты IPC (Instructions per cycle) не показали никакой разницы в сравнении со Skylake или Kaby Lake.

За прошедшие полтора десятилетия процессоры Intel перестали грезить покорением «высоких гигагерц», и теперь с новой силой переключились на увеличение количества ядер. И случилось это после выхода на рынок процессоров AMD Ryzen, которые в среднем ценовом диапазоне предлагают восемь ядер и шестнадцать потоков. 10-нм процессоры Ice Lake можно будет установить в материнские платы на основе набора логики Intel Z390. Соответственно, процессоры наверняка сохранят совместимость со второй ревизией разъёма LGA 1151, которая дебютирует вместе с настольными процессорами Coffee Lake. Семейство Cannon Lake возможно не выйдет за пределы мобильного сегмента, а настольным системам будут предназначены процессоры Ice Lake, которые будут выпускаться по 10-нм технологии второго поколения.

Платформа Ice Lake.

Можно предположить, что Ice Lake придут на смену процессорам Cannonlake, которые первыми освоили 10-нанометровый техпроцесс. Но, несмотря на то, что Intel говорит о применении техпроцесса 10 nm+ для поколения Ice Lake, она отмечает, что данные CPU придут на смену восьмому поколению Core.

То есть поколение Cannonlake, которое, возможно, будет существовать только в виде мобильных CPU, не получит своего порядкового номера, так как девятым будут называться процессоры Ice Lake. Возможно, всё не совсем так и Intel вскоре объяснит и уточнит ситуацию с поколениями.

Микроархитектура Ice Lake будет использоваться в сочетании с чипсетами Intel 400 серии и наборами микросхем Intel 500 Series и будет выпускаться на втором поколении 10 нм процесса (10нм +) после Cannon Lake. Главным преимуществом процессоров Ice Lake будет низкая энергоемкость, что приведет к снижению потребления энергии и выделения тепла. Архитектура Ice Lake, построенная на 10-нанометровой технологии, будет использовать свою графическую архитектуру Gen 11.

И что будет после процессоров Ice Lake? В связи с трудностями в освоении новых норм производства микросхем, Intel приняла решение использовать одну и ту же технологию для изготовления актуальных процессоров в течение нескольких лет, против двух ранее. Как следствие, компания будет производить не два, а три семейства микропроцессоров, используя 14-нм техпроцесс. Кроме того, компании придётся растягивать жизненный цикл новых микроархитектур с двух до трёх или более лет. Таким образом, в конце этого года на рынке появятся первые CPU на базе улучшенной микроархитектуры Skylake — Kaby Lake, а в конце 2017 года выйдут в свет процессоры Cannonlake, производимые с использованием технологии 10 нм, но базирующиеся на в очередной раз улучшенной архитектуре Skylake. Однако Kaby Lake и CannonLake не единственные производные от Skylake. В компании работают также над Ice Lake и Tiger Lake.

Ожидается, что Intel представит процессоры Ice Lake и Tiger Lake в 2018 и в 2019 годах соответственно. CPU на основе обеих микроархитектур будут производиться с использованием 10-нм технологического процесса. Иными словами, Intel будет использовать семейство микроархитектур Skylake для пяти поколений процессоров, а технологию 10 нм для изготовления как минимум трёх семейств продукции. Последовательное улучшение микроархитектуры не является чем-то особенным в мире центральных процессорных устройств. Обычно компания Intel начинает переход на более совершенные нормы производства со знакомых микроархитектур. Так, Ivy Bridge (первый 22-нм CPU компании) очень похож на Sandy Bridge, Broadwell (первый 14-нм процессор Intel) очень похож на Haswell, а Cannonlake (первый 10-нм чип Intel) является наследником Skylake. Как следствие, первый процессор Intel, который компания произведёт по технологическому процессу с шириной транзисторного затвора 7 нм, будет также базироваться на микроархитектуре, впервые использованной для 10-нм CPU. Возможно, компания предполагает начать внедрение 7-нм техпроцесса с Tiger Lake, однако это будет означать пять поколений процессоров на базе Skylake, что побьёт рекорд долгожительства микроархитектуры Intel (даже NetBurst пережил лишь четыре итерации при том, что две последние имели колоссальные отличия от первых двух). Возможно, Tiger Lake является разработкой на случай непредвиденных проблем (как, например, Kaby Lake стала для Cannonlake), а возможно, что данная микроархитектура заменит Ice Lake. Семейство процессоров Tiger Lake будет включать в себя свою графическую архитектуру Gen 12. В течение 10-нм поколения Intel планирует ежегодно предоставлять архитектурные обновления графическим возможностям своих процессоров.

Вся информация о процессорах Cannonlake, Ice Lake и Tiger Lake взята из неофициальных источников, поэтому любые детали об упомянутых поколениях процессоров могут оказаться неточными. Пока точно не известно, какой жизненный цикл Intel готовит для 10-нм технологического процесса и каковы возможности данной технологии. Планы Intel в области повышения быстродействия микропроцессоров пока также неизвестны. Характеристики техпроцессов напрямую влияют на принятие решений в области конфигурации коммерческих микросхем, а также выбора микроархитектуры, внутрикристальных соединений, контроллеров памяти, интерфейсов и т. п. Как следствие, перспективные планы компаний могут радикально меняться, а выход некоторых разрабатываемых продуктов отменяться.

Архитектура современных процессоров

1. 8086: первый процессор для ПК

2. Одноядерные процессоры

3. Переход к двуядерным процессорам

5. Кратко о некоторых других технологиях

6. Будущие технологии

Процессор (или центральный процессор, ЦП) — это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.

Английское название процессора — CPU (Central Processing Unit).

Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.

В первом процессоре компании Intel — i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора, составляет 0,13 микрон. Для сравнения — толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.

Рисунок 1 – принципиальная схема процессора

Управляющий блок — управляет работой всех блоков процессора.

Арифметико-логический блок — выполняет арифметические и логические вычисления.

Регистры — блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений — внутренняя оперативная память процессора.

Блок декодировки — преобразует данные в двоичную систему.

Блок предварительной выборки — получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.

Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня — хранит часто использующиеся инструкции и данные.

Кэш-память 2-го уровня — хранит часто использующиеся данные.

Блок шины — служит для ввода и вывода информации.

Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst.

В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части — кэш данных и кэш команд.

Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота — это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.

Внешняя тактовая частота или частота системной шины — это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны — внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).

С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).

В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.

Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь — для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE — значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет — будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем таблицу, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.