Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера. Назначение, функции и классификация процессоров

Содержание:

Введение

В современном высокоразвитом обществе, где без информационных технологий не обходится ни одна область деятельности людей, нельзя представить свою жизнь без такого технического изобретения, как компьютер. Сфера его использования с течением времени расширяется, внося ощутимый вклад в развитие общества, его производственных сил и в целом делая повседневную жизнь людей намного проще и органичнее.

Персональный компьютер по сравнению с более узконаправленными устройствами предлагают и любой необходимый набор программного обеспечения, и достаточную производительность, и возможность подключения любых периферийных устройств, упрощающих работу пользователя. И, что более важно – возможность выполнять один тип задач никак не ограничивает иной функционал компьютера.

Однако для того, чтобы решать столь широкий спектр задач, компьютеру необходима соответствующая производительность. Которая определяется в первую очередь центральным процессором (хотя, разумеется, важна также оперативная память, а в некоторых случаях – и SSD).

Все персональные компьютеры обрабатывают нескончаемый поток информации с помощью специальной электронной микросхемы, которая получила название процессор. Без данной микросхемы невозможна работа любой электронно-вычислительной машины, ведь процессор является центром вычислительных операций компьютера, главной его составляющей.

Актуальность данной темы обусловлена тем, что персональные компьютеры, прочно вошедшие в жизнь человека, непрерывно совершенствуются, меняются в лучшую сторону их технические характеристики, они становятся более адаптивными для пользователя и т.д. Но увеличение производительности компьютера наращивается с помощью совершенствования процессора, который является основой любой электронной вычислительной машины. Чем мощнее процессор, чем больше у него ядер и гигагерц, тем быстрее способен работать весь компьютер.

Целью курсовой работы является исследование назначения, функций процессора персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть понятие и назначение процессора персонального компьютера;

- выделить основные функции и состав процессора;

- провести классификацию процессоров;

- расмотреть иерархию процессоров Intel и AMD;

- изучить перспективы развития процессора.

Предметом исследования являются современные модели процессоров различных компаний производителей.

Методологическую основу работы составляет специальная, периодическая литература, публикации ведущих зарубежных и отечественных авторов по вопросам персонального компьютера.

В процессе обработки и изучения материала широко использовались различные методы исследований: метод аналогий, сравнительный анализ и другие.

1. Общая характеристика процессора персонального компьютера

1.1 Понятие и назначение процессора персонального компьютера

Процессор (от англ. «to process» - «обрабатывать») - это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. «Процессор является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами» [9, с. 59].

Современный микропроцессор - это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводов. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате персонального компьютера.

Процессор осуществляет координацию потоков данных и их обработку. Аппаратура процессора обеспечивает эффективную и гибкую защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам оперативной системы, изоляцию индивидуальных прикладных программ, малое время реакций на прерывания. Архитектура ЭВМ определяется типом центрального процессора.

«Аппаратура процессора обеспечивает эффективную и гибкую защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам оперативной системы, изоляцию индивидуальных прикладных программ, малое время реакций на прерывания» [13, с. 102].

У процессора есть:

1. Тактовая частота процессора.

Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах - количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы ПК, но производительность зависит далеко не только от неё.

Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота.

Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.

2. Разрядность процессора.

Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может производиться машинная операция передачи информации.

3. Размерность технологического процесса.

Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). С уменьшением размера уменьшается выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.

4. Сокет (разъем).

Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.

5. PGA (Pin Grid Array) – корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты.

6. BGA (Ball Grid Array) – шарики припоя.

7. LGA (Land Grid Array) – контактные площадки.

8. Кэш-память процессора.

Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой оперативной памяти. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Этот вид памяти делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 - самый маленький и быстрый, L3 - самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.

Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.

9. Количество ядер (потоков).

Многоядерность - одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Не так давно процессоры были одноядерными, их производительность на то время была достаточно хорошей, и не требовала увеличения мощности. На замену одноядерным пришли процессоры с 2, 4, 6, 8 и больше ядрами.

Если 2 и 4-ядерные вошли в обиход очень быстро, процессоры с 8 и 10 ядрами пока не так востребованы. Для использования офисных приложений и серфинга в интернете достаточно 2 ядер, 4 ядра требуются для САПР и графических приложений, которым просто необходимо работать в несколько потоков.

В большинстве процессоров количество физических ядер соответствует количеству потоков: 8 ядер – 8 потоков. Но есть процессоры, где благодаря Hyper-Threading, к примеру, 4-ядерный процессор может обрабатывать 8 потоков одновременно.

«Современный процессор для персонального компьютера - это сложнейшее устройство с множеством технических характеристик. И однозначного ответа на вопрос, какой процессор лучше, просто не существует в силу того, что невозможно все характеристики процессора свести к единому интегральному критерию, который мог бы служить показателем его качества» [8, с. 92].

Если попытаться классифицировать все характеристики современных процессоров с точки зрения пользователя, то можно выделить четыре основные группы:

- производительность;

- энергоэффективность;

- функциональные возможности;

- стоимость.

«Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им той или иной задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на ее реализацию, тем выше его производительность» [11, с. 142]. Казалось бы, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако это не так.

Рассмотрим пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в одном приложении, а второй - в другом. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Реальное положение дел таково, что какие-то процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а какие-то - на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой безусловной истине), а о производительности на наборе приложений.

На производительность процессора оказывают непосредственное влияние его микроархитектура, размер кэша, тактовая частота и количество ядер процессора.

Количество ядер решает, как много задач процессор сможет обрабатывать одновременно. Когда-то все процессоры были одноядерными и не поддерживали многозадачность. Они умели только быстро переключаться между приоритетными задачами. С выходом процессоров Athlon и Pentium, на потребительский рынок поступили первые многоядерные процессоры. Произошла так называемая «ядерная революция», их количество росло очень быстро. На текущий момент среди пользовательского сегмента есть 4, 8, 16 и даже 32-х ядерные модели.

Переход от одноядерных процессоров к многоядерным - это современная тенденция развития процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне очевидна. Дело в том, что на протяжении всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности было наращивание тактовой частоты. В то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Энергопотребление процессоров сегодня достигло уже той критической отметки, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты в принципе невозможно, поскольку подобные процессоры просто нечем охлаждать. А это означает, что возникла необходимость в поиске кардинально иных способов увеличения производительности процессоров, одним из них является переход от одноядерных процессоров к двухъядерным и многоядерным. Причем это действительно революционный шаг в их развитии, поскольку при этом не просто меняется архитектура процессоров, но и требуется изменение всей инфраструктуры, включая программное обеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать выигрыш по производительности, только если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код подразумевает лишь последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности эффекта не будет.

Рассмотрим такую характеристику, как энергоэффективность.

Еще несколько лет назад выбор процессора для персонального клмпьютера ограничивался рассмотрением двух составляющих: производительности процессора и его стоимости, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота.

Кроме абсолютной производительности, процессоры принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой им электроэнергии. Ранее, когда потребляемая процессором мощность составляла всего несколько десятков ватт, на такую характеристику, как энергоэффективность, не обращали внимание. Однако при достижении потребляемой процессором мощности рубежа в 100 Вт, а тем более его превышении, энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик процессора.

Дело даже не только (и не столько) в том, что чем выше потребляемая процессором мощность, тем больше приходится платить за электроэнергию, а в том, что процессоры с высоким энергопотреблением трудно охлаждать. Приходится использовать массивные и шумные кулеры, что исключает возможность создания малошумных персональных компьютеров. Естественно, оптимальным решением будет производительный процессор с низким энергопотреблением, что, собственно, и отражено в понятии энергоэффективности.

«Энергоэффективность процессора, как и его производительность, не имеет численного выражения и в этом смысле не является технической характеристикой процессора. В то же время энергоэффективность зависит от таких характеристик, как микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая мощность и поддержка процессором функций энергосбережения» [3, с. 82].

Кроме производительности и энергоэффективности современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. Нужно отметить, что, несмотря на разные названия и реализацию, набор поддерживаемых технологий в современных процессорах Intel и AMD практически одинаков.

Так, нынешние процессоры Intel поддерживают следующие технологии: виртуализации Intel Virtualization Technology (Intel VT), защиты от вирусов Execute Disable Bit, 64-разрядных вычислений Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T), защиты от перегрева Intel Thermal Monitor 2, энергосбережения Enhanced Intel SpeedStep и Enhanced Halt State (C1E).

Современные процессоры AMD поддерживают такие технологии, как технология виртуализации AMD Virtualization, технология антивирусной защиты NX Bit, технология 64-разрядных вычислений AMD64 и технология энергосбережения AMD Cool ‘n’ Quiet.

С точки зрения домашнего пользователя, далеко не все функциональные возможности процессоров реально востребованы. К примеру, не так много найдется домашних пользователей, которые действительно пользуются технологией виртуализации, а кроме того, как показывают тесты, ее аппаратная поддержка на уровне процессора сегодня малоэффективна по сравнению с программной реализацией виртуализации.

Еще одна сомнительная в плане востребованности технология - это процессорная технология защиты от вирусов. Сегодня она реализована во всех новых процессорах Intel и AMD, так что задумываться о наличии данной технологии в процессоре не приходится. Другое дело, что, несмотря на поддержку этой технологии, подавляющее большинство домашних пользователей ее просто не используют и не активируют в операционной системе ее поддержку.

Технология поддержки 64-разрядных вычислений также применяется во всех современных многоядерных процессорах. Однако не стоит забывать, что для ее реализации нужна 64-разрядная операционная система, реальную выгоду от которой можно получить при объеме оперативной памяти более 4 Гбайт.

А вот технологии AMD Cool ‘n’ Quiet для процессоров AMD, а также Enhanced Intel SpeedStep, Enhanced Halt State (C1E) и Intel Thermal Monitor 2 для процессоров Intel являются реально востребованными и позволяют не только снизить энергопотребление процессоров, но и, что более важно, создавать малошумные компьютеры.

Главными критериями при выборе процессора являются сферы его применения и доступный бюджет.

1.2 Основные функции и состав процессора

На процессор возлагается выполнение операций, предусмотренных его системой команд.

При выполнении программы центральный процессор обеспечивает выполнение всех функций, предусмотренных программой. К ним относится:

- формирование адреса команд или данных, хранящихся оперативной памяти;

- выборка команд из памяти и их дешифрация;

- прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними арифметических, логических и других операций, определяемых кодом команды, и передача обработанных данных во внешние устройства или память;

- формирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;

- временное хранение результатов выполненных операций, адресов, формируемых сигналов состояния и других данных;

- прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.

Для выполнения перечисленных функций процессор должен располагать необходимым набором аппаратных средств. Основными функциональными блоками процессора являются:

- блок арифметическо–логических операций, выполняющий обработку поступающих данных. Перечень выполняемых операций зависит от типа микропроцессора. «В большинстве процессоров выполняются следующие операции: арифметическое сложение и вычитание; логические операции ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ; операции инкремента и декремента; логические и арифметические сдвиги вправо и влево» [6, с. 67]. Что касается операций умножения и деления, то в 8–разрядных процессорах они выполняются программным способом, в 16–разрядных процессорах для их реализации предусмотрены специальные команды. Блок арифметическо–логических операций строится на основе двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для временного хранения операндов и регистров-сдвигателей, комбинационных схем для выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других функциональных узлов;

- блок обработки команд, предназначенный для приема и декодирования команд, а также для формирования сигналов управления узлами обработки денных;

- блок формирования адресов, обеспечивающий адресацию к внешней памяти и внешним устройствам. Его основными узлами являются программный счетчик, указатель стека, инкрементор-декрементор, адресный регистр;

- блок регистров, выполняющих функции сверхоперативной внутренней памяти, функции временного хранения операндов и др.;

- блок синхронизации и управления, координирующий работу всех узлов процессора;

- внутренняя шина, которая используется для связи между отдельными блоками и узлами процессора. В общем случае она включает в себя шины для передачи данных, адреса и управляющих сигналов.

В качестве примеров рассмотрим структурно–функциональную организацию 8– и 16–разрядных процессоров.

Для описания основных узлов 8–разрядного процессора воспользуемся рисунком 1, на котором изображена структурная схема процессора 8080 (КР580ВМ80А).

Рисунок 1 – Структурная схема 8-разрядного процессора

Арифметическо–логическое устройство (АЛУ) позволяет выполнить следующие операции над 8–разрядными операндами:

- арифметическое сложение двух операндов с передачей переноса в старший разряд (и без него) и вычитание с передачей заема в младший разряд (и без него);

- логическое сложение, умножение, исключающее ИЛИ и сравнение;

- четыре вида циклических сдвигов;

- арифметические операции над десятичными числами.

При выполнении операций один из операндов поступает в АЛУ через аккумулятор А и дополнительный регистр 1, другой операнд - через дополнительный регистр 2. Циклические сдвиги выполняются только над содержимым аккумулятора А. В аккумулятор также помещаются результаты выполненных в АЛУ операций.

При суммировании десятичных чисел может потребоваться коррекция результата, для выполнения которой в микропроцессоре предусмотрен блок десятичной коррекции. При сложении каждый разряд десятичного числа (цифра) представляется четырехразрядным двоичным кодом (полубайтом, тетрадой), например, кодом 8421. Сложение полубайтов происходит по правилам двоичной арифметики. Если сумма больше 9, то возникает необходимость в проведении коррекции. Коррекция осуществляется дополнительным прибавлением двоичного числа 0110 (6) к полученному результату. Это обусловлено тем, что вес пятого разряда двоичного числа составляет 16 десятичных единиц, а вес старшего разряда десятичного числа — 10, т.е. разность равна 6.

АЛУ непосредственно связано с 5–разрядным регистром признаков (флагов), в котором фиксируется результат выполнения некоторых арифметических и логических операций. Регистр содержит пять триггеров:

- триггер переноса, вырабатывающий сигнал С = 1, если при выполнении операций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда;

- триггер дополнительного переноса, вырабатывающий сигнал V = 1, если при выполнении операции с двоично-десятичными кодами появляется единица из третьего разряда (старшего разряда младшего полубайта);

- триггер нуля, вырабатывающий сигнал Z = 1, если результат операции равен нулю;

- триггер знака, вырабатывающий сигнал S = 1, если значение старшего разряда операнда (в дополнительном коде) равно единице, т. е. результат операции - отрицательное число;

- триггер четности, вырабатывающий сигнал Р = 1, если результат операции содержит четное число единиц.

Указанные триггеры обеспечивают выполнение в программе условных переходов. Например, если результат выполнения предыдущей операции равен нулю, то триггер нуля устанавливается в единичное состояние (Z = 1), и условие перехода в другую часть программы окажется выполненным.

«Обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами осуществляется через двунаправленный буферный регистр, а адресация к памяти и внешним устройствам - через 16–разрядный регистр адреса» [1, с. 158]. Особенность буферного и адресного регистров состоит в том, что кроме состояния логического нуля и единицы в них предусмотрено третье состояние, в котором выходное сопротивление регистров бесконечно велико. В этом состоянии микропроцессора внешними устройствами осуществляется прямой доступ к памяти.

Указатель команд, или программный счетчик (Program Counter — PC) указывает адрес, где находится в памяти очередной байт команды (для команд используются 3–байтовые форматы). Байты команд обычно выбираются в порядке нарастания их адресов. Поэтому после выборки каждого очередного байта схема инкремента–декремента увеличивает содержимое программного счетчика на единицу. Перед началом выборки какой-нибудь команды в счетчик заносится адрес ее первого байта. В процессе выбора 3–байтной команды содержимое счетчика увеличивается трижды. Обычный порядок следования адресов может быть изменен. Для этого в счетчике предусмотрена возможность записи начального адреса той части программы, именуемой подпрограммой, которая должна выполниться.

«Указатель стека (StackPointer - SP) представляет собой 16–разрядный регистр, предназначенный для быстрой адресации особого вида памяти, и именуемой стеком. Стековая память используется при обслуживании прерываний и характеризуется тем, что из нее первыми выбираются данные, которые поступили последними» [5, с. 97].

В стек заносится адрес возврата к прерванной программе на время обработки микропроцессором подпрограммы, содержимое аккумулятора, регистра признаков.

1.3 Классификация процессоров

Каждый компьютер, независимо от того, как именно он используется, состоит из идентичных базовых компонентов. Главным элементом в любом персональном компьютере является процессор, который выполняет все вычислительные операции, и от производительности этой небольшой детали зависит работоспособность системы в целом. За лидерство на рынке процессоров борются всего две компании - AMD или Intel.

Обе компании начали свой путь в эпоху, когда вычислительные машины занимали целые комнаты, а понятие персональный компьютер только начало входить в моду. Первым на этом поприще стала компания Intel, созданная в 1968 году и ставшая практически единственным разработчиком и производителем процессов. Первоначальной продукцией бренда были интегральные микросхемы, но довольно скоро производитель сосредоточился только на процессорах. Компания AMD появилась в 1969 году и изначально была нацелена на рынок процессов.

На тот момент процессоры AMD стали продуктом, который появился при активном взаимодействии двух производителей. Технический отдел Intel всячески поддерживал юного конкурента и делился технологиями, а также патентами. После того как компания твердо встала на ноги, пути производителей разошлись в разные стороны, и сегодня два мировых производителя сталкиваются лбами в каждом поколении процессоров.

На рынке представлено множество решений как от одного производителя, так и от другого. Принять сторону одной компании и кардинально отказаться от второй не так-то просто, ведь при выборе процессора нужно учитывать множество факторов. Для начала, стоит отметить, что обе компании производят процессоры для всех областей использования и для любого бюджета:

- офисные. Такие процессоры обладают минимальными техническими показателями и невысокой стоимостью, предназначены для запуска офисных приложений и не рассчитаны на программы с высокими вычислительными потребностями;

- домашние. Это тип процессов обычно мощнее офисного варианта, т.к предполагает запас производительности для казуального гейминга, но и стоимость такого элемента значительно выше;

- игровые или профессиональные. Компьютерные игры выдвигают определенные требования к мощности центрального процессора, и такой процессор достаточно дорогой.

В 2019 году обе компании представят новое поколение процессоров, которые будут обладать более совершенными характеристиками. На данный момент, лучшим выбором для домашнего компьютера по соотношению цена/качество являются два процессора - Intel Core i5 и AMD Ryzen 5 1600.

Оба процессора имеют примерно одинаковые параметры, но есть и несколько вполне очевидных различий:

- оба процессора имеют одинаковое количество ядер, но в случае AMD имеется пресловутая возможность достаточно простого разгона. Поэтому на перспективу он подойдет лучше, а Intel будет стабильнее работать;

- конкретный формат оперативной памяти. Процессор от AMD в полной мере раскрывает свой потенциал при наличии определенной частоты оперативной памяти, что может создать некоторые трудности. Процессор Intel в этом плане намного интереснее, потому что не создает таких строгих ограничений;

- процессор от Intel греется намного меньше, то есть вам придется тратить дополнительные средства на организацию системы охлаждения. AMD греется довольно сильно и для него придется приобретать мощный кулер.

В любом случае предложения от всех производителей обладают своими собственными преимуществами и заточены под выполнение определение задач.

Вопрос, какой процессор лучше - AMD или Intel, не имеет однозначного ответа, так как каждый компонент обладает рядом специфических параметров и выбор того или иного варианта должен строиться на назначении самого персонального компьютера. Эффективная платформа будет демонстрировать высокую производительность только при правильном подборе всех компонентов, которые будут усиливать работоспособность друг друга.

Заканчивая первую главу, можно сделать следующие выводы.

Процессор - центральное устройство компьютера.

Назначение процессора:

- управлять работой ЭВМ по заданной программе;

- выполнять операции обработки информации.

В состав процессора входят следующие устройства: устройство управления, арифметико-логическое устройство, регистры процессорной памяти.

2. Обзор современных процессоров персонального компьютера

2.1 Иерархия процессоров Intel и AMD

В настоящее время существует два главных производителя процессоров для персональных компьютеров - AMD и Intel, которые между собой соревнуются.

Весной 2019 года Компании AMD и Intel одновременно представили свои новейшие процессоры, продемонстрировав совершенно разный подход к их разработке. Intel продолжает делать ставку на гигагерцы, тогда как AMD отдает предпочтение актуальным техпроцессам и современным архитектурам.

Компания Intel официально анонсировала новейший процессор для настольных компьютеров – Core i9-9900KS с восемью вычислительными ядрами. По состоянию на май 2019 года это самый мощный чип линейки Core, но ему по-прежнему недоступен 10-нанометровый техпроцесс. У Intel также есть линейка процессоров Xeon, позиционируемых в качестве серверных. Серия включает ряд моделей для настольных персональных компьютеров, но основная линейка Intel - это именно Core.

Core i9-9900KS – это улучшенная версия процессора Core i9-9900K, представленного в IV квартале 2018 года и ставшего на тот момент самым мощным в серии Core. От него новый чип отличается повышенными частотами работы – он может в течение длительного времени удерживать частоту 5 ГГц на всех восьми ядрах при пиковых нагрузках. Базовая частота в данном случае составляет 4 ГГц против 3,6 ГГц у Core i9-9900K (максимальная частота у этого процессора – 4,7 ГГц), что ставит его на первое место в рейтинге самых мощных чипов Intel для настольных ПК.

Core i9-9900KS – это процессор со встроенным видеоядром, таким же, как и в младшей модели Core i9-9900K, в которой используется графика Intel UHD 630. Технология HyperThreading тоже присутствует – при наличии собственных восьми ядер процессор способен обрабатывать до 16 одновременных потоков данных, по два потока на ядро. Официальная рекомендуемая цена Core i9-9900K в партии от 1 тысячи штук составляет $488, а его TDP находится на уровне 95 Вт. В России данный процессор стоит 40 тысяч рублей. Цена и уровень тепловыделения могут возрасти в случае более мощного Core i9-9900KS.

Таблица 1

Характеристики процессоров Core компании Intel

Модель	Кол-во ядер/потоков	Частота, ГГц	GPU	Частота GPU, МГц	Поддержка памяти DDR4, МГц	TDP, Вт	Цена, $
Core i9-9900KF	8/16	3,6–5,0	–	–		95	–
Core i7-9700KF	8/8	3,6–4,9	–	–	2666	95	–
Core i5-9600KF	6/6	3,7–4,6	–	–	2666	95	–
Core i5-9400	6/6	2,9–4,1	UHD 630	1050	2666	65	–
Core i5-9400F	6/6	2,9–4,1	–	–	2666	65	182
Core i3-9350KF	4/4	4,0–4,6	–	–	2400	91	–

Модели в таблице 1 с индексами F и KF оснащены встроенной графикой, однако она отключена, что позволяет разогнать ядра x86 чуть больше обычного. Также это означает, что компания не избавляется от процессоров с дефектами графики, а продаёт их под другим именем.

Одновременно с предварительным анонсом Intel Core i9-9900KS состоялась полноценная премьера процессоров AMD Ryzen 3000 второго поколения, впервые о которых стало известно еще в начале января 2019 года. Конкурент Intel представил пять моделей чипов в разной ценовой категории и с разной целевой аудиторией. Анонсированные процессоры получил названия Ryzen 5 3600, Ryzen 5 3600Х, Ryzen 7 3700Х, Ryzen 7 3800Х, и в продажу они поступят в июле 2019 года.

В таблице приведены суммарные значения кэш-памяти – AMD не стала уточнять объемы первого, второго и третьего уровней. Перечисленные процессоры полностью совместимы с системными платами с сокетами AM4, а также с платами на новом чипсете X570.

Таблица 2

Характеристики и цены процессоров AMD Ryzen 3000

Модель	Кол-во ядер, потоков	Частота, ГГц	TDP	Объем кэш-памяти, МБ	Цена, $
Ryzen 5 3600	6, 12	3,6-4,2	65	35	200
Ryzen 5 3600X	6, 12	3,8-4,2	95	35	250
Ryzen 7 3700X	8, 16	3,6-4,4	65	36	330
Ryzen 7 3800X	8, 16	3,9-4,5	105	36	400
Ryzen 9 3900X	12, 24	3,8-4,6	105	70	500

Для более наглядной демонстрации превосходства третьего поколения Ryzen над вторым AMD провела наглядное их сравнение. Для примера, AMD Ryzen 3800X обходит по производительности Ryzen 2700X на 14-34% в зависимости от поставленных задач.

Не обошлось и без сравнения с процессорами Intel: так, по словам представителей AMD, новый флагманский Ryzen 9 3900X стоимостью $500 (32,2 тыс. руб.), как утверждается, окажется быстрее Core i9-9920X с ценой в $1200 (77,3 тыс. руб.) на 6% в многопоточном режиме и на 14% в однопоточном. Замеры проводились в Cinebench R20.

Все новые процессоры AMD построены на архитектуре Zen 2 и произведены по нормам 7-нанометрового техпроцесса. Intel же по-прежнему эксплуатирует 14-нанометовые нормы.

В Intel Core десятого поколения или Core Ice Lake применен новый GPU Gen 11: представленные чипы основаны на архитектуре Sunny Cove и смогут работать в TurboBoost до 4.1 ГГц. Основной прирост производительности будет заметен в задачах искусственного интеллекта - в 2,5 раза быстрее процессоров восьмого поколения.

Также заметные улучшения в компании отметили по части графики: интегрированная GPU Intel Iris Plusполучит 64 исполнительных блока (против 24 в 8-м поколении) и будет работать с частотой до 1.1 ГГц. Также будут модели с UHD - у них только 32 исполнительных блока и сильно меньшая производительность. Ноутбуки с Core Ice Lake и новой графикой Iris Plus смогут воспроизводить видео 4K HDR в 60 кадр/с и 8K в 30 кадр/с, а некоторые современные игры будут работать в 1080p на средних настройках на «достойных показателях FPS».

В линейку Intel Core 10-го поколения вошли модели Ice Lake U с энергопотреблением 15-25 Вт и Ice Lake Y с TDP 9-12 Вт. Максимальное количество вычислительных ядер - 4, потоков - 8. Есть поддержка Wi-Fi 6 (Gig+), Intel Optane Memory PCIe 3.0, Thunderbolt 3, а также технологий Hyper-Threading и Turbo Boost 2.0. Кроме того, в новых процессорах есть поддержка памяти LPDDR4X-3733 и DDR4-3200 с пропускной способностью до 60 Гбайт/с.

Первые модели ноутбуков с Intel Core Ice Lake должны появится уже осенью 2019 года. Среди них будут также устройства, выпущенные в рамках программы Project Athena: через нее Intel помогает партнерам в разработке следующего поколения тонких и легких мобильных компьютеров. Основные параметры при создании таких ноутбуков установлены уже сейчас: Intel Core i5 или i7, минимум 8 ГБ ОЗУ и SSD объемом более 256 ГБ, поддержка технологий ИИ, быстрой зарядки, Wi-Fi 6 или Gigabit LTE, а также наличие USB Type-C с поддержкой Thunderbolt 3. Кроме того, у гаджетов Project Athena должен быть сенсорный дисплей и максимально тонкий корпус.

2.2 Перспективы развития процессора

Процессоры стали неотъемлемой частью нашей жизни, ибо они находятся во всей окружающей электронике - от стиральных машин и умных часов до смартфонов, компьютеров и даже самолетов. И, разумеется, их развитие достаточно серьезно влияет на жизнь человека.

Сделаем прогноз, что будет с процессорами через 5 лет.

Во-первых, рассмотрим такую характеристику, как частота процессора.

Если посмотреть на максимальные частоты процессоров в разгоне без дополнительных ухищрений типа жидкого азота за последние 15 лет, то хорошо видно, что Pentium 4 первыми «пробили» планку в 3 ГГц и остановились где-то на 3,3-3,5 ГГц. Последующие за ними Core Duo и Quad были уже двух- и четырехъядерными, и тут частоты пришлось снизить, чтобы они не перегревались, и вплоть до 2008 года их снова смогли довести до уровня в 3-3,5 ГГц. Вышедшие в 2008-2009 годах Core i7 смогли поднять эту планку почти до 4 ГГц, а Core i7 второго поколения в 2011 году почти «взяли» магические 5 ГГц. И с тех пор особого прогресса нет - при переходе на новый техпроцесс частоты несколько падали, после его доработки - снова росли, и сейчас 8-ое и 9-ое поколение процессоров Intel имеет максимальные частоты на уровне 5-5,2 ГГц только из-за того, что Intel «выжимает все соки» из 14 нм техпроцесса уже на протяжении 4-х поколений. Однако новое поколение процессоров будет на 10 нм техпроцессе, и с учетом того, что у Intel с ним все плохо - скорее всего, частоты снова придется снизить, и в лучшем случае через поколение мы снова увидим 5 ГГц. А дальше - переход на 7 нм и снова снижение частоты, и т.д. Поэтому можно предположить, что скорее всего максимальные частоты останутся в районе 5-5,5 ГГц. Что касается AMD, то они, прибавляя где-то по 200-300 МГц частоты в год, как раз лет через 5 дойдут до этой же планки в 5-5,5 ГГц.

То есть в этом направлении ждать прогресса не приходится.

Во-вторых, рассмотрим количество ядер. В данном направлении увеличение будет, но не скоро.

Обратимся к истории.

2005 год - выходят первые десктопные двухядерные процессоры, Athlon X2 и Pentium D.

2007 год - первый четырехъядерный, Core 2 Quad.

2010 - первый шестиядерный, Phenom II X6.

И лишь в 2017 - первый восьмиядерный, Ryzen 7. Получается, что между 2 и 4-ядерными CPU прошло 2 года, между 4 и 6-ядерными уже 3 года, а между 6 и 8-ядерными - целых 7 лет, то есть явно видно замедление роста числа ядер.

Почему? Во-первых, пользовательский софт зачастую не очень хорошо распараллеливается на большое число ядер, то есть больше важна производительность на ядро. Во-вторых, это все же не сервера и не Hi-End PC, поэтому тепловыделение CPU не должно превышать где-то 100-120 Вт, а с учетом того, что уменьшать техпроцесс становится все труднее, аналогичным образом становится все труднее «впихивать» большее число ядер в тот же теплопакет без особого уменьшения частоты.

Последнее очень хорошо видно и на примере AMD, и на примере Intel: первые с выпуском Ryzen 2700X вынуждены были поднять теплопакет с 95 (у Ryzen 1800X) до 105 Вт, чтобы всего лишь повысить частоту на 300 МГц (менее 10%), и это с учетом перехода на более тонкий техпроцесс в 12 нм (14 у Ryzen первого поколения). Intel же выпустило топовый 8-ядерный Core i9-9900K, который имеет TDP в 95 Вт - как и 6-ядерный Core i7-8700K на той же архитектуре и с меньшей частотой.

Поэтому ждать серьезного увеличения числа ядер даже спустя 5 лет - не стоит. Конечно, AMD может взять свои модули CCX, которые сейчас имеют по 4 ядра (и все Ryzen без дискретной графики имеют по 2 таких модуля), и увеличить число ядер в них, допустим, до 6 - однако, даже банальное увеличение частоты менее чем на 10% уже повлекло за собой увеличение теплопакета больше чем на 10%, а тут его увеличивать придется раза в полтора - ведь частоты AMD снижать не может. C переходом на 7 нм в 2019 году цель AMD - приблизиться к Intel по однопоточной производительности и еще нарастить частоты, так что увеличить число ядер не получится. Поэтому в лучшем случае переход на 5 нм случится через 4-5 лет, и лишь тогда, возможно, получится нарастить число ядер в CCX без существенного уменьшения частоты.

Что касается Intel, то они придерживаются монолитных кристаллов, где все ядра находятся в одном кристалле - это, с одной стороны, серьезно уменьшает задержки между ними, что положительно сказывается на производительности, с другой стороны - цена таких кристаллов оказывается крайне высока: так, новый 8-ядерный Core i9 едва ли не покорил планку в 500 долларов, когда 8-ядерный Ryzen 7 2700X можно найти и за 350. А вот 10-ядерные процессоры Intel для высокопроизводительных устройств (HEDT) стоят уже от 900 долларов, то есть почти вдвое дороже 8-ядерных - разумеется, выпускать процессор с такой ценой в пользовательском сегменте смысла нет, нужно оптимизировать производство, дабы снизить цену вдвое - а это процесс небыстрый.

Поэтому рост числа ядер разумеется будет, и поддержку софта «подтянут», но будет это очень не скоро - скорее всего, лет через 5, и ждать такого рывка, как сделала AMD с Ryzen, нарастив число ядер сразу вдвое, точно не стоит - скорее всего их число увеличится процентов на 20-25%.

В-третьих, рассмотрим кэш. В этом направлении стоит ожидать массового использования L4.

Снова обратимся к истории. Intel 80486, вышедший в 1989 году, имел кэш L1, непосредственно встроенный в процессор, и кэш L2 на материнской плате. В будущем и L2 поместили в процессор, но третий уровень кэша появился только в 2008 году в Phenom II. С L4 особо тянуть не стали - впервые он появился в 2014 году в процессорах Intel Core 5-ого поколения (Broadwell), однако уже в 6-ом его из десктопных CPU убрали, оставив только в мобильных решениях с интегрированной графикой Iris.

Это произошло потому, что по факту в 4-ядерных монолитных решениях несколько мегабайт кэша третьего уровня вполне хватало для вычислений - так, L4 в Broadwell ускорил вычисления лишь в единичных случаях, и в основном он был нужен для мощной интегрированной графики, дабы сгладить последствия использования ею медленной ОЗУ. Однако теперь на рынке есть уже 8-ядерные решения, причем половина из них уже не монолитные, а сама ОЗУ стала иметь задержки выше (16-18 тактов процессора у DDR4 против 9-11 у DDR3), так что сейчас L4 может уже более серьезно увеличить производительность процессора.

В-четвертых, рассмотрим интегрированную графику. В этом направлении предполагается качественный скачок, рост производительности в разы.

Современная Intel HD Graphics является хорошей заменой видеокартам за пару тысяч рублей: она отлично отрисовывает графический интерфейс системы, способна воспроизводить даже 8К видео и помочь скоротать вечера в Dota 2.

У AMD же интегрированная графика отличалась от десктопной лишь количеством вычислительных блоков и частотой, и по сути AMD поставило для нее простую планку - иметь возможность тянуть все современные игры, пусть и с минимальными настройками графики при минимальных разрешениях.

Разумеется, Intel пыталась догнать AMD - так, начиная с 4-ого поколения процессоров Core i (Haswell) она выпускает процессоры с графикой Iris, которая отличается от HD Graphics увеличенным в 2 раза числом вычислительных блоков. Однако достаточно быстро стало ясно, что простым «Ctrl+C — Ctrl+V» производительность сильно не нарастить: так, по тестам Iris оказывалась быстрее HDG от силы на 30-40%, а не вдвое. И это с учетом того, что начиная с 5-ого поколения процессоров решения с Iris имели 64-128 МБ кэша L4.

Конечно, Intel это не устраивает, и они решили к 2020 году выйти на рынок дестопных видеокарт впервые с 90-х - и, разумеется, это же заденет и интегрированные решения: так, мобильные процессоры нового поколения на 10 нм техпроцессе будут иметь HDG (не Iris) с 64 вычислительными блоками, когда сейчас - 24, плюс новую архитектуру, так что можно ждать прироста производительность около 2 раз - а это уже выведет HDG на уровень Vega 3 - младшей интегрированной графики в процессоры Ryzen. Что касается Iris - скорее всего, она тоже нарастит число ядер в разы, что сделает ее конкурентом уже Vega 8 - то есть, Intel должна догнать AMD по интегрированной графике.

В итоге, через 5 лет, топовые десктопные процессоры будут иметь 10-12 ядер с частотой в 5-5,5 ГГц, кэш L4 и мощную интегрированную графику, способную справиться с современными на тот момент играми. А насколько это верно - будущее покажет.

Также следует отметить, что еще в 2016 году исполнительный директор Intel объявил о конце действия закона Мура. Этот закон гласит, что вычислительная мощность процессоров удваивается каждые два года.

Глава крупнейшего производителя процессоров считает, что процессоры будущего будут работать медленнее современных аналогов. Однако при этом они будут более энергоэффективными - затрачивать меньше энергии для произведения того же объема вычислений.

Большие надежды производитель компьютерных комплектующих возлагает на такие футуристичные технологии, как квантовые компьютеры и спинтроника. Ученые собираются обуздать квантовые эффекты частиц, чтобы использовать их в компьютерах будущего. Однако в настоящий момент обе технологии являются далеки от массового распространения. Первые коммерческие версии спинтроники должны появиться не ранее, чем в 2020 году.

Заключение

Процессоры - самая главная часть аппаратного обеспечения вашего компьютера. Этот электронный блок выполняет сложные машинные инструкции, заложенные в основу принципа работы персонального компьютера. Современные техпроцессы позволяют делать мощные процессоры с разным количеством ядер (до 12) для пользовательской техники.

Производительность центрального процессора зависит от показателей разрядности, частоты и особенностей архитектуры процессора. От этой интегральной величины зависит работа ЭВМ в целом, а значит, при выборе придется обратить внимание на все характеристики процессора. Процессор должен обладать достаточной производительностью для решения определенных задач.

На рынке процессоров два крупных, лидирующих производителя: Intel и AMD. Характеристики процессоров у разных производителей различны. Многое зависит от совершенства технологий, использованных материалов, компоновки и других нюансов.

Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах (ГГц) – количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы компьютера, но производительность зависит не только он неё.

Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым единовременно может производиться машинная операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем выше производительность процессора. Сейчас большинство процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ. Это одна из основных характеристик процессора, но далеко не единственная.

Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы процессора определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). Если меньше размер, значит меньше площадь, а значит и выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах, чем меньше этот показатель, тем лучше.

Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа процессора в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.

Чем выше энергопотребление процессора, тем выше его тепловыделение. Нужно позаботиться о достаточном охлаждении.

Процессоры исторически, вплоть до наших дней, представлены двумя фирмами «Intel» и «AMD». Данные процессоры сохраняют свои преимущества на рынке, являются очень востребованными пользователями, имеют свои технические особенности. Оба процессора обеспечивают наилучшую производительность компьютера. Ни одного из этих процессоров нельзя назвать слабее или мощнее, каждый из них увеличивает работоспособность и скорость персонального компьютера по-своему. Процессоры от компании Intel являются более быстро действенными, а процессоры AMD много задачны и могут исполнять одновременно множество требовательных программ, которые серьезно загружают процессор.

Список использованной литературы

Гаврилов М. В. Информатика и информационные технологии. М.: Юрайт, 2019. - 383 с.
Горяев Ю.А. Информатика. М.: МИЭМП, 2015. – 409 с.
Грошев А.С. Информатика. Архангельск: Архангельский гос. техн. Ун-т, 2015. – 379 с.
Девяткин Д. Е., Баландин А. В., Дегтярев Е. А. Современные средства антивирусной защиты // Молодой ученый. - 2018. - №13. - С. 44-45.
Информатика: Учебник / Под ред. Н.В. Макаровой. М.: Финансы и статистика, 2015. – 437 с.
Информатика / Под ред. А.П. Курносова. М: Колос, 2015. - 234 с.
Информатика и математика: учебник и практикум для среднего профессионального образования / Под ред. А. М. Попова. М.: Юрайт, 2019. - 484 с.
Информационные технологии / Под ред. В.В. Трофимова. М.: Юрайт, 2019. - 238 с.
Колесников О.Э. Компьютер для делового человека. M.: МЦФ, Издат. фирма «Яуза», 2016. – 283 с.
Новожилов О. П. Архитектура компьютерных систем. М.: Юрайт, 2019. - 276 с.
Островский В.А. Информатика. М.: Высшая школа, 2014. -511 с.
Симонович С.В.Информатика: Базовый курс. СПб.: Питер, 2017. – 349 с.
Советов Б. Я. Информационные технологии. М.: Юрайт, 2018. - 327 с.
Таненбаум Э., Бос Х. Современные операционные системы. СПб.: Питер, 2015. – 413 с.