Краткая история процессоров: 31 год из жизни архитектуры х86

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Почему 4004 и что означает латинская буква перед цифрами?

Каждой категории продукции присваивалось свое число. Микросхемы памяти типа PMOS -чипы были первым видом продукции, произведенной Интел. Он получил нумерацию 1ххх. Следующей увидела свет микросхема типа NMOS . Ей присвоили индекс 2ххх, четырёхразрядным микропроцессорам – нумерацию 4xxx. Следующая цифра (вторая) обозначает вид изделия: ноль — процессоры, тройка — микросхемы ROM, шестёрка — микросхемы PROM. Последние два цифровых символа обозначают порядковый номер изделия. Самый первый в мире коммерческий процессор от Интел был оснащён 3 микросхемами (ROM, RAM и расширителем ввода-вывода). Они были выпущены раньше самого процессора, поэтому в нумерации изделия появилась последняя четвёрка (4004).

Упаковка

Самые ранние версии процессоров Intel MCS-4 имели керамическую упаковку со специфическими полосками белого и серого цвета на «спине» чипов. В связи с этим их ещё иногда называют «упаковкой с серыми следами». Обозначалось такое изделие буквой «С», стоящей перед цифрами 4004. Сегодня эти версии процессора высоко ценятся у коллекционеров и достаточно дорого стоят (до 400 долларов). Позже корпуса стали делать чисто белыми и тоже обозначать как С4004, а затем – темно-серыми с маркировкой «D». Более поздние версии имеют пластмассовый корпус и маркируются литерой «Р».

Глава 1. Начало

Человечество испокон веков пыталось облегчить себе труд, особенно в области вычислений, где нельзя было воспользоваться грубой силой и требовался особый подход. Начиная с палочек “Непера”, логарифмической линейки и арифмометра, механические вычислительные машины стали вытесняться более современными компьютерами на электровакуумных лампах, но всё изменилось с изобретением транзистора.

«Вероломная восьмерка» — эпитет, с которого ещё в далёком 1968 году и началась долгая история компании «Intel». Восемь сотрудников, а по существу инженеров, работающих с 1957 года в компании «Fairchild semiconductor» с кремниевыми транзисторами, решили уйти, а после основать свою собственную компанию. Хотя сразу после образования компания и называлась «NM Electroronics», прижиться названию не удалась. За привычное нам сокращение стоит поблагодарить Гордома Мура — одного из восьми основателей, который предложил использовать название «Integral Electronics», а после сокращения привычное нам «Intel».

Вскоре в команду добавился новый член — Энди Гроув, также бывший работник «Fairchild», разработчик, известный благодаря появлению метода OKR, используемого в менеджменте для управления проектами. Компании не хватало денег, поэтому для получения кредита был написан бизнес-план размером всего в один печатный лист, который в дальнейшем и помог получить начальный капитал. Успех больших корпораций всегда начинается с малого.

В первую очередь Гордон Эрл Мур известен как основатель корпорации «Intel», а также как «создатель» закона, названного в свою же честь. В 1965 году был опубликован первоначальный вариант “закона Мура”, который гласил, что количество транзисторов в кристалле микропроцессора будет удваиваться каждый год. Но уже в 1967 увеличил продолжительно его на каждые два года. Но и это был не последний вариант, далее он сократил его до 18 месяцев. Хотя в реальности развитие пошло по другому пути и в 2007 году Мур сообщил о невозможности его исполнений, что не помешало данному закону стать знаковым.

Работа закипела. Но началась она не с процессоров, а с полупроводниковой памяти, которая на то время была слишком дорогой. Разработчики массово пользовались дешевой памятью на магнитных сердечниках. Тогда же Роберт Нойс сказал: «Нам нужно снизить стоимость в сто раз и этим завоевать рынок». Этому и суждено было сбыться. Компания стала расти и уже насчитывала более ста сотрудников. Успех в данном направление был замечен японским производителем калькуляторов «Busicom», сделавшим заказ на изготовление микросхем. И в 1971 году свет увидела первая 4-хбитная микросхема «Intel» 4004, права на которую оставались у заказчика. Поняв что за этим будущее, компания решила выкупить их и заплатила огромные по тем временам деньги. В 1978 году был выпущен уже 16-битный микропроцессор со знакомой нам архитектурой x86, а в 1989 году был представлен «Intel» 80486, ставший первым процессором, который оборудован модулем для операций с плавающей точкой. На то время число сотрудников уже насчитывало более 15000 человек.

Крышка и упаковка

Когда дорож­ки гото­вы, диск отправ­ля­ют на тесты. Там смот­рят на то, как рабо­та­ет каж­дый про­цес­сор, как он гре­ет­ся и сколь­ко ему нуж­но энер­гии, заод­но про­ве­ря­ют на брак.

В зави­си­мо­сти от резуль­та­тов про­цес­со­ры с одной пла­сти­ны могут полу­чить раз­ную мар­ки­ров­ку и про­да­вать­ся по раз­ной сто­и­мо­сти. Те про­цес­со­ры, кото­рые полу­чи­лись более удач­ны­ми, ста­но­вят­ся доро­ги­ми сер­вер­ны­ми про­дук­та­ми. Те, где кто-то рядом чих­нул или вздох­нул, име­ют неко­то­рые несо­вер­шен­ства и дефек­ты, их могут отпра­вить на потре­би­тель­скую линию.

После тестов диск раз­ре­за­ют на гото­вые про­цес­сор­ные ядра.

Пла­сти­на со мно­же­ством оди­на­ко­вых про­цес­сор­ных ядер.

Робот выре­за­ет ядра из гото­вой пластины.

После это­го к ядру про­цес­со­ра добав­ля­ют кон­так­ты, что­бы мож­но было вста­вить его в мате­рин­скую пла­ту, и накры­ва­ют крыш­кой. Чёр­ный или метал­ли­че­ский пря­мо­уголь­ник, из кото­ро­го тор­чат нож­ки, — это как раз крышка.

Крыш­ка выпол­ня­ет две функ­ции: защи­ща­ет сам кри­сталл от повре­жде­ний и отво­дит от него теп­ло во вре­мя рабо­ты. Дело в том, что мил­ли­о­ны тран­зи­сто­ров при рабо­те нагре­ва­ют­ся, и если про­цес­сор не осту­жать, то он пере­гре­ет­ся и кри­сталл может испор­тить­ся. Что­бы тако­го не про­изо­шло, на крыш­ку про­цес­со­ра ста­вят воз­душ­ные куле­ры или дела­ют водя­ное охлаждение.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

  • LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
  • LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
  • CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
  • SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
  • SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
  • ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
  • MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
  • COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
  • JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Технические характеристики

Что такое процессор первого поколения? По сегодняшним меркам технические возможности Интел 4004 были более чем скромные. Он производился по 10-мкм техпроцессу, имел 2250 транзисторов, был оснащён 4-х битной шиной и функционировал с частотой 108 кГц, что позволяло проводить 92,6 тыс. операций в секунду. Внутренний стек имел всего три уровня. Объем ПЗУ составлял 4 Кб, оперативной памяти – 640 байт, а частота синхронизации – 740 кГц. Разрядность шины данных составляла 4 бит, а шины адреса — 12 бит. Процессор имел возможность обратиться к 16 портам ввода и такому же количеству портов вывода.

Принцип действия

Реальные инновации

Набор команд микрокомпьютера

Основные характеристики микропроцессора также определяются набором инструкций.

Обычно он состоит из 5 групп:

  1. Группа передачи данных. Данные команды помогают перемещать информацию между регистрами внутри микропроцессора, между памятью и регистром или ячейками памяти.
  2. Арифметическая группа позволяет складывать, вычитать, увеличивать или уменьшать данные в памяти или регистрах (например, сложить содержимое двух регистров ЦПУ).
  3. Логическая группа используется для операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, сравнения, циклического сдвига, дополнения данных в памяти или регистрах (например, чтобы пропустить через схему ИЛИ содержимое двух регистров микропроцессора).
  4. Группа ветвления включает безусловные и условные переходы, вызов подпрограмм и возвращение из них. Условные инструкции служат для того, чтобы определенная операция выполнялась только в случае выполнения определенного условия (например, если требуется перейти к конкретной команде, когда результат последнего вычисления был равен нулю). Они обеспечивают возможность программе самой принимать решения.
  5. Группа стека, ввода-вывода и управления микропроцессором производит передачу данных между ЦПУ и периферией, манипулирует стеком и изменяет внутренние флаги управления. Эти команды позволяют программисту остановить устройство, перевести его в нерабочее состояние, включить и отключить систему прерываний и т. д.

Инструкции, которые хранятся вместе с данными в памяти, могут иметь длину в 1 или несколько байт. Длинные команды хранятся в последовательных ячейках памяти, причем адрес первого байта всегда используется как адрес всей команды. Кроме того, первый байт всегда является кодом операции.

Память микропроцессора

подробностями

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Процессор Intel Pentium 4 Northwood — 2001 год

Описание процессора Intel Pentium 4 Northwood

Pentium 4 с ядром Northwood отличается от Willamette большим кэшем второго уровня (512 Кб у Northwood против 256 Кб у Willamette) и применением нового технологического процесса 0,13 микрон. Начиная с частоты 3,06ГГц добавлена поддержка технологии Hyper Threading — эмуляции двух процессоров в одном.

Технические характеристики процессоров Intel Pentium 4 Northwood

Наименование Значение
Год выпуска: 2001 год
Количество транзисторов: нет данных
Технология производства: 0.13 микрон
Тактовая частота: от 1.6 до 3.06 ГГц (ГигаГерц)
Разрядность: 64
Объем кэш памяти 1 уровня: 8 Кб
Объем кэш памяти 2 уровня: 512 Кб
Разъем (Socket): Socket 478
Кодовое имя: Northwood

Инновационная технология

Федерико Фаджин перешел в Intel из Fairchild Semiconductor, где в 1968 г. он разработал МОП-технологию с кремниевыми затворами и создал на ее основе первую в мире коммерческую интегральную схему 3708. Технология была принята компанией Intel и впоследствии всей мировой полупроводниковой промышленностью, и в течение 40 лет являлась базовой структурой, использовавшейся почти во всех микросхемах. Гордон Мур, соучредитель компании «Интел», признал, что основным компонентом ее раннего успеха стал именно этот шаг. МОП-технология с кремниевыми затворами обеспечила конкурентоспособные характеристики Intel 4004: чип был примерно в 5 раз быстрее, имел в 100 раз меньшую утечку перехода и вмещал в 2 раза больше логических транзисторов произвольного типа по сравнению с чипом того же размера, изготовленного с алюминиевыми затворами, и рассеивал равную мощность. Это позволило создавать первые коммерчески успешные динамические ОЗУ, датчики изображения с ПЗС-матрицей (приборы с зарядовой связью), энергонезависимые запоминающие устройства и микропроцессоры. Впервые в истории процессор содержал все компоненты компьютера общего назначения.

Логика микропроцессора

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

  • C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
  • Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
  • Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

  • Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
  • Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
  • Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
  • Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
  • Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

  • Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
  • Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
  • Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
  • ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
  • Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
  • Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
  • Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

  • «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
  • «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
  • «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
  • «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
  • «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
  • «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
  • «Счетчику команд увеличить значение »
  • «Счетчику команд обнулиться»
  • «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
  • «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
  • «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
  • «Активировать RD (канал чтения)»
  • «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

64-битные процессоры

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

По материалам computer.howstuffworks.com

Как ARM проник в x86?

Современные чипы под своим капотом являются по сути гибридными. Приоритет отдаётся тем же инструкциям обработки информации, которые появились в RISC и ARM, а пережитки прошлого, которыми x86 славились в 80-е и 90-е, отводятся на второй план.

Любой современный процессор, Intel или AMD, условно говоря, примерно на 80% состоит из типичных инструкций RISC и только на 20% из CISC. А поступающие в него CISC-инструкции разбиваются алгоритмами на микроинструкции (micro-ops) и обрабатываются RISC ядрами. Так что ARM, очень условно, конечно, проник в чипы Intel и AMD. Соответственно софт, написанный под x86, можно легко оптимизировать под ARM. Сегодня это не составит большого труда.

Подытоживая. В x86 заложены комплексные, длинные инструкции для решения тяжёлых задач, из-за чего они больше и сложнее, поэтому они потребляют больше энергии и чаще греются. ARM же выполняет задачи короткими командами, а для каких-то сложных задач алгоритмы способны раскладывать их на несколько простых. Поэтому в ARM-чипах не нужно размещать столько вычислительных блоков, а заместить их двумя комплексами ядер — 4 высокоэффективными и 4 маломощными. Как и поступила Apple, сделав Apple M1 таким же мощным, но энергоэффективный.

Почему ARM энергоэффективнее и в чём вообще разница?

Любой процессор занимается обработкой задач — есть вводные данные, которые необходимо преобразовать и вывести результат преобразования. Соответственно, чем больше и быстрее процессор способен провести таких преобразований, тем лучше. Это общий принцип для всех чипов. Но разница в них всё равно есть.

Началось это с середины 40-х годов XX века, когда появились первые компьютеры и с каждым годом их количество только росло. Разные линейки создавались под разные задачи и требовали своего подхода в программировании. То есть, написав программу для какого-нибудь ENIAC, вы не смогли бы запустить её на IBM. Оптимизацией софта программисты тогда занимались нечасто, потому что машинный код, состоящий из нулей и единиц, приходилось писать буквально вручную на листах бумаги. Где-то неправильно поставил единичку? Бах! Программа уже не работала. Однако потом появились языки высокого уровня, команды в которых программисты вводили на привычном нам человеческом языке, а интерпретатор переводил команды на низкоуровневый язык. То есть вместо того чтобы писать «0101010001…01010», стоило лишь ввести «print: ‘hello world’;», а интерпретатор переводил это в двоичный код.

С появлением языков программирования задача с оптимизацией софта сильно проще не стала. Каждый производитель в то время считал именно свою платформу самой лучшей и делал для неё какую-нибудь свою архитектуру процессора. Это привело к изобилию разных платформ, пока не пришёл Intel и не сказал: «так ребята, вот вам x86-архитектура — самая классная, самая удобная, пользуйтесь на здоровье». Первым x86-чипом, кстати, стал Intel 8086 в 1978 году.

Такими популярными x86-чипы стали благодаря своей микроархитектуре. На фоне других форматов x86 предлагал наиболее оптимальные и эффективные инструкции обработки данных. Называются они CISC (Complex Instruction Set Computing). Что это такое?

Это набор команд, которые понимает процессор, благодаря которым программистам не нужно каждый раз в мелочах расписывать план действий чипа для обработки введённых данных. Чтобы программистам не расписывать шаг за шагом строчку, которая выводит на экран слово «Привет», процессор понимает сразу, куда направить поток данных.

Иначе это могло превратилось в лабиринт и программисту пришлось бы прописывать: из этого блока данных букву «П» переслать по этой дорожке на этот блок, а потом передать информацию видеокарте, а потом по дорожке номер 15 дать информацию на вывод в монитор. И так для каждой буквы. Жуть! Это ещё крайне упрощённый пример!

Плюс для каждого бита информации, который необходимо обработать, x86-процессор не скупится и выдаёт полную мощность. Безусловно, это здорово, но неэффективно, особенно в мобильных устройствах и ноутбуках.

ARM появилась в 1985 году, как упрощённая альтернатива x86. В ней используется упрощённый набор инструкций RISC (reduced instruction set computer). Команды в этой микроархитектуре короче, по сравнению с CISC, и соответственно из-за этого ARM-чипам требуется меньше времени и энергии на обработку каких-то базовых задач, под которые они в целом и были первоначально заточены.

Из-за того, что процессор работает с упрощёнными инструкциями ему не нужны «тяжеловесные» вычислительные блоки. Хватит того, что будет нужно большинству пользователей. А за счёт меньших размеров на пластине можно разместить несколько вычислительных блоков — с меньшей и большей мощностью для простых и сложных задач соответственно. Плюс, в них нет ничего лишнего.

По-сути, вся разница заключается в микроархитектуре и на фоне ARM x86 с расширенной микроархитектурой выглядит вроде как выигрышнее. Но так ли это на самом деле?

Арифметико-логическое устройство и внутренние регистры

2 Intel Core i9-9900K Coffee Lake

9900К является на сегодняшний день абсолютным топом и самым дорогим ходовым процессором в мире за исключением i9-7940X. Новое поколение избавилось от надоевшей всем термопасты и перешло на припой. Его основным достоинством считается автоматический разгон до 5.0 ГГц по 2 ядрам, 4.7 ГГц по всем, и возможность спокойно стримить 2 игры одновременно, не вешая трансляцию на видеокарту. Такими проектами являются PUBG, CS:GO и Fortnite, но целесообразность этой практики спорна, так как на видеокарты стримы идут все равно лучше.

В стоке из коробки мы получим 8 ядер и 16 потоков, при этом базовая частота стартует с 3.6 ГГц. Есть и графическое ядро, играющее роль «затычки» при отсутствии денег на полноценную видеокарту. Заявленный теплопакет остался на уровне 95 Вт, но это без учета разгона. Если раскочегарить 9900K на полную, то тепловыделение перевалит за 250 Вт и здесь однозначно понадобится водянка. Имеет полную совместимость со всеми чипсетами серии Z300, но для стабильной работы ПК рекомендуется использовать Z390. В боксовой версии гарантия составляет целых 3 года.

Процессор Intel 486SL — 1992 год

Описание процессора Intel 486SL

Версия 486DX с расширенными возможностями — добавлен контроллер шины ISA и DRAM, а также контроллер локальной шины. Коммерчески неудачная модель, так как не стоило выпускать более сильную модель после выпуска основного процессора того же стандарта.

Технические характеристики процессоров Intel 486SL

Наименование Значение
Год выпуска: 1992 год
Количество транзисторов: 1 250 000
Технология производства: 1 микрон
Тактовая частота: от 25 до 33 МГц (МегаГерц)
Разрядность: 32
Объем кэш памяти 1 уровня: 8 Кб
Объем кэш памяти 2 уровня: 512 Кб (на материнской плате)
Разъем (Socket): нет данных
Кодовое имя: нет

Сравнение с Threadripper

Интернет-издание PCWorld провело серию тестов нового Xeon W-3175X и сравнило результаты с показателями AMD Ryzen Threadripper 2990WX.

Напомним, что выполненный по 12-нанометровому стандарту 2990WX включает 32 ядра (64 потока), работающие на базовой частоте 3 ГГц со штатной возможностью ускорения до 4,2 ГГц, 64 МБ кэш-памяти третьего уровня, четырехканальный интерфейс памяти и 64 линии PCIe.

Новый Intel Xeon W-3175X с системой охлаждения Asetek 690LX-PN

Процессор Intel превзошел своего конкурента в многопоточном рендеринге 3D-сцен при использовании движков Corona, Cinebench, POV-Ray, но несколько уступил в тестах Blender. По итогам серии тестов в однопоточном режиме преимущество Xeon составило порядка 10%.

При выполнении сжатия/распаковки данных (7zip) и в игровых программах лучше себя проявил Xeon, как и при кодировании видео, но разница с показателями Threadripper не представляется огромной. В то же время последний продемонстрировал лучшую производительность при одновременном выполнении нескольких задач (например, 3D-рендеринг и кодирование видео).

Как началось создание процессора

Впервые мир услышал о процессорах в пятидесятых годах прошлого столетия. Они функционировали на механическом реле. Впоследствии стали появляться модели, которые работали при помощи электронных ламп и транзисторов. В те времена компьютерные устройства, на которые они устанавливались, были похожи на сложное и очень крупногабаритное оборудование. Их стоимость была очень высокой.

Все компоненты процессоров отвечали за процесс вычисления. Нужно было разобраться с тем, каким образом, их можно было соединить в единую микросхему. Данная задумка воплотилась в жизнь практически сразу после появления схем полупроводникового типа. В те времена разработчики процессоров даже предположить не могли, что данные схемы окажутся полезными в их деле. Именно по этой причине еще несколько лет они разрабатывали процессоры на нескольких микросхемах.

В конце шестидесятых годов компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора. Ей потребовалось 12 микросхем и она заказала их у компании Intel. В то время у разработчиков данной компании появились идеи соединения нескольких микросхем в одно целое. Данная идея пришлась по душе руководителю фирмы. Ее преимущество заключалось в том, что  при этом была возможность значительно сэкономить. Ведь не нужно было производить сразу несколько микросхем. Кроме того благодаря расположению элементов процессора на одной микросхеме можно было создать устройство, которое подходило бы для использования на самых разных  видах оборудования, применяемых для совершения вычислительных процессов.

В итоге проведенной специалистами корпорации работы появился первый в мире микропроцессор под названием Intel 4004. У него была способность совершать сразу шесть десятков тысяч операций всего за одну секунду. Он даже обрабатывал двоичные числа. Однако данный вид процессора не было возможности использовать для компьютеров, потому что для него еще не было создано таких устройств.

процессор  Intel 4004

Глава 3. Тик-так, тик-так

На следующий 2006 год “Intel” представила стратегию «Тик-так», которая заключалась в делении разработки процессоров на две стадии. «Тик» означал уменьшение технологического процесса на текущий архитектуре, а «так» — выпуск новой архитектуры на прежнем техпроцессе.

Также была представлена архитектура “Intel Core» восьмого поколения процессоров, в котором уже два ядра смогли уместить на одном кристалле. Техпроцесс при этом был уже 65-нм, и компания сделала ставку на эффективность и увеличение ядер. На следующий год выходит уже четырехъядерный Core 2 Quad с увеличенным L2 кешем до 8 Мб. В 2008 выпущена новая архитектура Intel Nehalem уже на 45-нм, которая пусть и основана на прошлой, но имеет значительные изменения. Среди них — встроенный контроллер на 2 или 3 канала DDR3 памяти, добавление L3 кеша и видеоядра. Появилась последовательная шина Direct Media Interface (DMI) первого поколения, которая разработана собственными силами «Intel», позволяющая передавать данные со скоростью 1 Гб/с в обе стороны (но в реальности она была заметно ниже). Тогда же был представлен Platform Controller Hub ( PCH ) — набор микросхем, выполнявших роль южного моста, северный же с тех пор переехал в процессор.

Создание нового дизайна и макета

В чём сложность

Совре­мен­ные про­цес­со­ры про­из­во­дят­ся на нано­мет­ро­вом уровне, то есть раз­ме­ры эле­мен­тов изме­ря­ют­ся нано­мет­ра­ми, это очень мало.

Если, напри­мер, во вре­мя печа­ти очень тол­стый маль­чик упа­дёт на пол в сосед­нем цехе, еле замет­ная удар­ная вол­на про­ка­тит­ся по пере­кры­ти­ям заво­да и печат­ная фор­ма немно­го сдви­нет­ся, а напе­ча­тан­ные таким обра­зом тран­зи­сто­ры ока­жут­ся бра­ко­ван­ны­ми. Пылин­ка, попав­шая на пла­сти­ну во вре­мя печа­ти — это, счи­тай, загуб­лен­ное ядро процессора.

Поэто­му на заво­дах, где дела­ют про­цес­со­ры, соблю­да­ют­ся жёст­кие стан­дар­ты чисто­ты, все ходят в мас­ках и костю­мах, на всех воз­ду­хо­во­дах сто­ят филь­тры, а сами заво­ды нахо­дят­ся на сей­сми­че­ских подуш­ках, что­бы толч­ки зем­ной коры не меша­ли про­из­во­дить процессоры.

Технические характеристики

«Эльбрус-16С» основан на архитектуре «Эльбрус» шестого поколения. Для сравнения, в настоящее время серийно поставляются серверные микропроцессоры «Эльбрус-1С+» и «Эльбрус-8С» с архитектурой четвертого поколения и «Эльбрус-8СВ» с архитектурой пятого поколения.

Процессор «Эльбрус-16С» включает в себя 16 вычислительных ядер с суммарной производительностью 1,5 ТФлопс при одинарной точности и 750 ГФлопс при двойной. В дополнение к восьми каналам оперативной памяти DDR4-3200 ECC у него есть интегрированные контроллеры Ethernet и 2,5 и 10 Гбит/с и 32 линии PCI-Express версии 3.0.

Вместе с этим новый «Эльбрус-16С» располагает четырьмя каналами SATA 3.0 (пропускная способность 6 Гбит/с). Общее число транзисторов в процессоре – 12 млрд.

«Эльбрус-16С» может использоваться в многопроцессорных системах, в которых число процессоров может достигать четырех. Суммарный поддерживаемый объем оперативной памяти в таких системах составит до 16 ТБ.

Итоги

Много слов было написано, а потому стоит тезисно закрепить всё вышесказанное:

  • Apple M1 потребляет меньше энергии за счёт особенностей архитектуры ARM, двум вычислительным блокам и компоновке.
  • Может выполнять те же задачи, что и чипы Intel, благодаря алгоритмам упрощения инструкций.
  • При пиковом и минимальном энергопотреблении способен выдавать больше производительности, чем x86-процессор.
  • Из-за меньшего энергопотребления и тепловыделения чипы ARM не требует обязательного использования активного охлаждения, что позволяет делать ноутбуки бесшумными.
  • Также это позволяет делать ультрабуки мощными и автономными.
  • Для повышения и понижения производительности в ARM-процессорах необязательно изменять частоту.
  • Возможность делать SoC-платформы вместительнее, за счёт уменьшения техпроцесса без потерь в производительности.

В заключение

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий