Микропроцессор.

    Процессор, или центральный процессор [Central Processing Unit — CPU) — основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. CPU представляет собой «сердце» материнской платы, поскольку находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы.

    Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

    В состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство, блок управления и синхронизации, запоминающее устройство, регистры, шины передачи данных и команд. 

    Физически процессор или микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены главные функциональные компоненты:

1) ядро — главный компонент процессора, осуществляющий выполнение команд;

2) сопроцессор — специальный модуль для выполнения опера¬ций с «плавающей точкой» (или запятой);

3) модуль предсказания перехода (Branch Predictor), который определят изменение последовательности команд после перехода, для того чтобы переслать эти команды заранее в декодер команд;

4) кэш-память первого уровня — сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений;

5) кэш-память второго уровня;

6) интерфейсный модуль системной шины, по которой в CPU по-ступают команды и данные, а также передаются данные из CPU.

    Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций — от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

    Внешне он выглядит так, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Микропроцессор компании Intel.

    Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

    В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

    Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

    Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.

    Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

    Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию, используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти. Увеличение размера кэш-памяти может положительно влиять на производительность почти всех приложений.

    Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

    За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

    В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

    Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

    Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

    Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра.

    В октябре 2004 года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

    9 мая 2005 года AMD представила первый двухъядерный процессор на одном кристалле для пользовательских ПК — Athlon 64 X2 с ядром Manchester. Поставки новых процессоров официально начались 1 июня 2005 года.

    14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

    5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристалле Core Duo, для мобильной платформы.

    В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield, но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

    В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

    10 сентября 2007 года были выпущены в продажу настоящие (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona. 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

    Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырёхъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода, первый «четырёхъядерник» фирмы, названный AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

    К 1—2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

    Компания AMD, в свою очередь, представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (по сравнению с первым поколением Phenom), процессоры стали изготавливаться по 45-нм техпроцессу (это, соответственно, позволило снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты). В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация немного изменилась в пользу AMD.

    По состоянию на 2015 год массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя и шестью ядрами, а также двух-, трёх- и четырёхмодульные процессоры AMD поколения Bulldozer (количество логических ядер в 2 раза больше количества модулей). В серверном сегменте также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem (Intel) и 12-ядерные Opteron (AMD).

• для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов — Intel и AMD;
• для суперкомпьютеров — Intel и IBM;
• для ускорителей компьютерной графики и высокопроизводительных вычислений - NVIDIA и AMD;
• для мобильных телефонов и планшетов — Apple, Samsung, HiSilicon и Qualcomm.

    Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. chipset) представляет задачу не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

    В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора.

    Важную роль играет и процесс производства микропроцессоров.

    При производстве полупроводниковых изделий применяется фотолитография и литографическое оборудование.

    Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

    Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров полупроводниковых структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности.

    Тайваньский производитель United Microelectronics Corporation (UMC) сообщил, что присоединится к технологическому альянсу IBM для участия в разработке 10-нм CMOS-техпроцесса.

    В 2011 году публиковалась информация о планах Intel по внедрению 10-нм техпроцесса к 2018 году, в октябре 2017 Intel сообщил о планах начать производство до конца 2017 года, но в итоге, после выпуска крайне ограниченной партией 10-нм мобильного процессора Intel Core i3-8121U в 2018, массовое производство процессоров Intel по 10-нм техпроцессу началось только в 2019 году для мобильных устройств и в 2020 для десктопных.

    В первой половине 2019 года компания TSMC начала производство чипов по 5-нм техпроцессу. Переход на эту технологию позволяет повысить плотность упаковки электронных компонентов на 80 % и повысить быстродействие на 15 %.

    Samsung в марте 2017 года презентовал дорожную карту по выпуску процессоров по 7- и 5-нм технологиям. В ходе презентации вице-президент Samsung по технологии Хо-Кью Кан отметил, что многие производители столкнулись с проблемой при разработке технологий меньше 10 нм. Однако Samsung справилась с задачей, ключом к которой стало использование полевого транзистора с «кольцевым» затвором (GAAFET). Эти транзисторы позволят компании продолжить уменьшать элементы до размера 7 и 5 нм. Для изготовления пластин компания применит технологию экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV).