Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

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

Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).

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

В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.

Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.

В нашей курсовой работе мы ставим целью рассмотреть назначение, основные функции процессора, его основные особенности, а также описать структуру и функционирование микропроцессоров.

Целью данной работы является изучение процессора персонального компьютера, его назначения, функций и классификацию, для достижения поставленной цели, были выделены следующие задачи:

- рассмотреть назначение, функции и классификация процессоров;

- проанализировать практические аспекты применения процессоров.

Объект исследования - процессоры.

Предмет исследования - процессоры персонального компьютера, его назначения, функций и классификацию.

Структура работы состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.

Теоретической и методологической базой данной работы послужили труды российских и зарубежных авторов в области информатики, материалы периодических изданий и сети Интернет.

ГЛАВА 1 НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ

1.1. Назначение и основные функции процессора

Центральный процессор (ЦП; англ. centralprocessingunit, CPU, дословно - центральное вычислительное устройство) - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

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.

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 миникомпьютеров, 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.

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, в общем, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году [6, c. 115]. Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода - тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Рассмотрим конвейерную архитектуру процессора. Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

· получение и декодирование инструкции (Fetch)

· адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)

· выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)

· сохранение результата операции (Store)

После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится

единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1) простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);

2) ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);

3) очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

Рассмотрим технологию изготовления процессоров.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали еще, по крайней мере, 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом [1, c. 88].

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 740 кГц и стоил 300 долл.

За годы существования технологии 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).

Большинство процессоров используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium («пень», «пенёк», «второй пень», «третий пень» и т. д. Наблюдается также возврат названий: Pentium III называют «тройкой», Pentium 4 - «четвёркой»), Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.).

1.2. Типы процессоров

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

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.

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь разделено на два логических ядра, что существенно влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (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).

27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году.

26 октября 2009 года Tilera анонсировалаhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80 - cite_note-3#cite_note-3 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx. Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством технологии Mesh Network. Процессоры производятся по 40-нм нормам техпроцесса и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

На данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. 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.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название 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 DDR-3) 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 (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший 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. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно, чем у предшественника.

1.3 Выбор современного процессора

Сердцем компьютера называют процессор (processor), являющийся его основным обрабатывающим данные устройством. Деталь имеет вид набора микросхем и отвечает за вычислительные процессы. Как выбрать процессор для компьютера – важнейший вопрос при покупке техники. От производительности данной детали во многом зависит общая скорость работы системы.

Чтобы не сожалеть о своем приобретении, выбирайте комплектующие с учетом их характеристик. Основные характеристики процессора Производитель. Выделяют двух основных конкурентов, выпускающих процессоры для компьютеров – это AMD и Intel. Вторая фирма считается лидером, разрабатывающим сверхсовременные технологии. Главное преимущество компании АМД перед Интел – относительно низкие цены.

Причем продукция первой уступает второй в производительности незначительно (в среднем, на 10%), но стоимость имеет ниже в 1,5-2 раза. Что такое тактовая частота процессора? Этот параметр определяет, сколько операций способно выполнить устройство за секунду. На что влияет частота процессора: высокий показатель данной характеристики обещает быструю обработку данных компьютером. Параметр считается одним из важнейших при выборе устройства. Как узнать частоту в ОС Windows: необходимо вызвать правой клавишей мыши меню свойств на значке «Мой компьютер». Количество ядер.

Этот показатель влияет на число программ, которые возможно запустить на ПК без потери его производительности. Устаревшие модели компьютеров оснащены четырехъядерными или двухъядерными процессорами. Новые устройства, выпущенные в течение последних лет, имеют 6- и 8-ядерные детали. Однако если программное обеспечение оптимизировано под двухъядерный ПК, большее число ядер не ускорит его работу. На коробке детали можно увидеть буквенно-числовую маркировку, расшифровка которой предоставит данные о количестве ядер. Частота системной шины. Характеристика говорит о скорости потоков входящей или исходящей информации. Чем выше показатель, тем быстрее осуществляется обмен информацией.

Кэш-память. Большую роль в работе ПК играет кэш процессора, который имеет вид высокоскоростного блока памяти. Деталь располагается непосредственно на ядре и необходима для повышения производительности. Благодаря ей обработка данных происходит быстрее, чем в случае с оперативной памятью. Есть 3 уровня кэш-памяти – от L1 до L3. Первые два имеют небольшие объемы, но уверенно выигрывают третьи, предусматривающие большую вместительность – за счет скорости работы.

Тип разъема (сокет). Данная характеристика не считается первостепенной, однако имеет определенную актуальность при выборе устройства. Сокет – это «гнездо» в материнской плате, в которое помещается процессор, поэтому оно должно быть совместимо с выбранной деталью. К примеру, если сокет имеет маркировку АМЗ, необходим соответствующий разъем на материнской плате. Последние модели оснащены современными типами «гнезд» и зачастую имеют улучшенные характеристики (частота шин и другие).

Энергопотребление и охлаждение. Мощные современные устройства оказывают негативное влияние на энергопотребление компьютера. Чтобы избежать перегрева деталей и их поломки, используют специальные вентиляторы (кулеры). Для определения уровня тепловыделения используют показатель TDP, указывающий на количество тепла, необходимого в отводе. На основе этой величины подбирается определенная модель системы охлаждения. Чем отличаются AMD от Intel Часто задаваемым вопросом среди желающих приобрести процессор является: «Что лучше АМД или Интел?».

Главным отличием является технология гиперпрочности и увеличенный вычислительный конвейер, которыми обладают модели Intel. Благодаря этому устройства быстрее выполняют ряд задач: архивируют файлы, проводят кодировку видео, выполняют прочие задачи. Детали от AMD не хуже справляются с перечисленными заданиями, но тратят на это больше времени. Каждый определяет сам: какой процессор лучше Интел или АМД. Чтобы упростить выбор, ознакомьтесь с достоинствами продукции обоих производителей.

Таблица 1 - Сравнение процессоров AMD и Intel:

Какой процессор выбрать для компьютера Ответ на поставленный вопрос зависит от тех задач, которые должен будет выполнять ПК. Так, при выборе игрового компьютера внимание стоит уделить модели видеокарты, поскольку графический адаптер несет ответственность за поддержку определенных технологий и уровня производительности в играх. Однако без правильно подобранного центрального процессора видеокарта не раскроет своего потенциала.

Для работы с другими программами или использования ПК в офисе подходят менее требовательные детали. Для игр Как выбрать процессор для игрового компьютера? К «геймерскому» ПК предъявляется ряд требований. Устройство должно уметь обрабатывать как минимум четыре потока данных. Результаты тестов доказали, что технология Intel Hyper-Treading увеличивает число кадров в секунду.

Специалисты считают оптимальными для игрового ПК модели Интел Core i5. Детали от АМД показывают меньшую производительность. Если в линейке от Интел со своими задачами справляются 4-ядерные устройства, то их конкуренты показывают такой же результат с 8-ядерными аналогами. Какой процессор выбрать для игр? Топ устройств для игр: Intel Core-i5 Ivy Bridge (четырехъядерный); Intel Core i5-4440 Haswell (четырехъядерный); AMD FX-8350 Vishera (восьмиядерный). Для использования дома или в офисе Браузеры и другие необходимые для офисной работы программы нуждаются во внушительном объеме оперативной памяти, но практически не нагружают жесткий диск и процессор. Поэтому выбирать лучше компьютер с большим объемом памяти. Однако производительностью процессора тоже пренебрегать не стоит.

Согласно результатам тестирования, удачным решением станут модели из линеек Intel Core i3 или i5. Список бюджетных устройств для офиса: Intel Celeron G1820; AMD ATHLON II X2 255; AMD ATHLON II X4 750K; AMD A8-6600K. Для работы с требовательными программами К данной категории относятся детали, функция которых – обеспечивать быструю работу требовательных программ, к примеру, видео-, графических редакторов и др. Устройства такого типа относятся к дорогим комплектующим и отличаются максимальным быстродействием.

Эта категория процессоров часто интересует геймеров, которые хотят добиться лучшего качества изображения во время игры. Обзор лучших устройств для требовательных программ: AMD FX-8350 (8-ядерный). Идеально подходит для игр и других программ, рассчитанных на высокую производительность ПК. Отличается быстродействием и оправданной ценой. Интел i7-4770 (4-ядерный). Запускает игры на максимально высоких настройках, работает быстро, идеально оптимизирован для видеокарт от Интел.

Рейтинг лучших процессоров для ПК 2017 года Intel Core i7-990x. Идеален для игрового ПК последнего поколения. Устройство предназначено для разъема 1366, оснащено 6 ядрами, имеет частоту в 3,46 гГц и 12 мегабайтами кэш-памяти. Примерная стоимость: 38 000 р. Intel Core i7-3970X Extreme Edition. Одна из самых популярных моделей. Оснащена 6 ядрами, имеет 15 Мб кэш-памяти и 3,5 гГц тактовой частоты. Отлично работает с любыми новыми требовательными играми и программами. Примерная стоимость: 46 000 р. Intel Core i5-4690K. Недорогая модель покажет прекрасные результаты в плане быстродействия. Если сравнить i5-4690K с другими устройствами, оно выгодно выделяется благодаря соотношению цены/качества.

Процессор оснащен кэш-памятью третьего уровня, имеет 3,5 гГц тактовой частоты и 4 ядра. Примерная стоимость: 22 000 р. AMD FX-9370. Самый мощный процессор AMD имеет новый сокет АМ3+ и 8 ядер, развивающих максимальную частоту до 4,4 гГц. Модель оборудована 8 Мб кэш-памяти, что позволяет улучшить работу ПК и использовать любые программы, игры. Примерная стоимость: 20-22 000 р. Intel Xeon E3-1230 v3.

Таблица 2 - Сводная таблица производительности процессоров:

Четырехъядерное устройство относится к четвертому поколению процессоров от Интел. Оно оснащено сокетом типа 1150, который считается лучшим среди существующих. Тактовая частота Xeon E3-1230 v3 – 3,3гГц, объем памяти кэш равен 8 Мб. Примерная стоимость: 22 000 р. Таблица тестов процессоров 2015 года Чтобы понять, как выбрать процессор для компьютера, следует ознакомиться с результатами их тестирования.

Устройства проходят испытания на базе ОС Windows 7 (64-bit). Для этого подбираются определенные программы, чтобы раскрыть потенциал многопоточности, определить, есть ли поддержка технологий AMD Turbo CORE (динамического разгона) и Intel Turbo Boost Technology, возможно ли использовать новые SIMD. Результаты испытания выражаются в процентах от производительности самого быстрого среди существующих устройств, имеющего 100% результат.

ГЛАВА 2 Практические аспекты применения процессоров

2.1 Использование многоядерных процессоров современных персональных компьютеров для распараллеливания задач дискретной оптимизации

В настоящее время используемые на предприятиях персональные компьютеры [1] включают в себя процессоры с двумя и более ядрами, а также оперативную память емкостью от 2 Гбайт и выше, подключенную к процессору по двум независимым каналам.

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема современного компьютера на базе многоядерного процессора Intel Core-ix 2-го поколения с двумя каналами для подключения модулей оперативной памяти, и отдельным интерфейсом для подключения графического адаптера.

Процессор по системной шине также подключается к контроллеру системной платы, к которому подключаются все периферийные устройства: адаптеры, шины ввода-вывода, дисковые контроллеры.

Процессор содержит в себе несколько ядер, каждое из которых содержит независимые регистры общего назначения, декодеры и конвейеры команд, блоки управления, арифметикологические устройства, регистры и блоки для операций с плавающей запятой. Также процессор содержит регистры и блоки для выполнения векторных операций (набор команд SSE - Streaming SIMD Extensions, SIMD - Single Instruction Multiple Data) [2].

Рис. 1. Структурная схема современного персонального компьютера

Кроме того, каждое ядро имеет кэш-память первого уровня (L1) для команд и данных, а также кэш-память второго уровня (L2) для данных. Также имеется кэш-память 3-го уровня общая для всех ядер. Наконец, процессор также имеет двухканальный контроллер для оперативной памяти, контроллер системной шины и интерфейс для графического адаптера.

На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема современного процессора Intel Core-ix 2-го поколения. В то же время мониторинг загрузки процессоров пользовательских компьютеров предприятий показывает, что вычислительные ресурсы часто используются неэффективно и попросту большую часть времени простаивают.

Рис. 2. Структурная схема процессора Intel Core-ix 2-го поколения.

С другой стороны на предприятии всегда имеется множество проблем логистики, сводящихся к задачам принятия решений [3], которые зачастую носят дискретный характер и для их решения применяются различные методы комбинаторного перебора вариантов решений [4].

Нетрудно заметить, что на многоядерном процессоре можно организовать одновременный комбинаторный поиск в различных областях большого многомерного поискового пространства.

Рис. 3. Пример разбиения поискового процесса на 4-ядерном процессоре

На рис. 3 приведен пример организации поискового процесса на 4-ядерном процессоре с разбиением некоторого поискового пространства для некоторой задачи оптимизации на 8 областей различного размера.

Рис. 4. Временные диаграммы работы отдельных ядер процессора

На рис. 4 приводятся временные диаграммы выполнения различных блоков поискового процесса на различных ядрах процессора.

В рамках научных исследований автором были разработаны модели параллельных вычислений на многоядерных процессорах, разработан алгоритм распараллеливания, и проведено экспериментальное исследование по оценке ускорения задач поиска решений на примере решения задач распределения вычислительных ресурсов [5, 6, 7] с разбиением на подзадачи псевдобулевой оптимизации.

Результаты исследований показало ускорение решения задач до 3,5 раз за счет распараллеливания на 4-ядерном процессоре процесса решения задач псевдобулевой оптимизации.

2.2 Процессоры в супер компьютерах

Термин «суперкомпьютер» существует так же долго, как и само представление о компьютере. Но само понятие вошло в использование только в 1975 г., когда Сеймур Крей построил аппарат Cray-1. Современный персональный компьютер раз в 500 превосходит по быстродействию Cray-1. Приставка «супер» за это время устранилась, и сейчас многие избегают понятия «суперкомпьютер». На сегодняшний момент суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, предназначающиеся для высокопроизводительных вычислений.

Фирма CrayResearch в 2000 г. создала супер-ЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1 000000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной техноло-гии на одном микропроцессоре невозможно, т.к. есть ограничение, обусловленное конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

Магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком данных (МКОД или MISD- MultiplelnstructionSingleData);

Векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD-

SingleInstructionMultipleData).

Матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных.

Условные структуры однопроцессорной и многопроцессорных вычислительных систем показаны на рис. 1.

В супер-ЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

Структура MIMD в классическом ее варианте (например, в супер ЭВМ BSPфирмы Burroughs);

Параллельно-конвейерная модификация, иначе говоря, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

Параллельно-векторная модификация, или MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Рис.5 а - SISD (однопроцессорная); б - MISD (конвейерная); в - SIMD (векторная); г - MIMD (матричная)

Самую большую эффективность показала архитектура MSIMD, поэтому в современных суперкомпьютерах используется именно эта архитектура (например, в суперкомпьютерах фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachrn др.)

Характеристики производительности Супер-ЭВМ: за 50 лет производительность компьютеров выросла более, чем в 700 000 000 раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз.[1]

Для каких же целей нужна столь дорогостоящая и сверхмощная техника? Классической областью применения супер-ЭВМ всегда были научные исследования. То есть это те сферы, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка огромного количества данных в реальном времени, или где решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений большого количества исходных параметров.

Сначала супер-ЭВМ применялись только для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Позже, по ходу совершенствования математического аппарата численного моделирования и развития знаний в других сферах науки, супер-ЭВМ стали применяться и в обычных расчётах, основывая и создавая новые научные дисциплины, например, численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и т. п.

Суперкомпьютеры используются учеными при решении задач квантовой физики и механики.

В военной промышленности с помощью суперкомпьютеров разрабатывают новые тактические и стратегические позиции. Супер-ЭВМ помогают осуществлять различные исследования по повышению эффективности готовой боевой техники и по ее модернизации. Также с помощью них разрабатываются новейшие виды оружия и средств защиты.

Исследование ядерных процессов, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва дают ученым богатый материал для исследования этих удивительных, но опасных явлений.

Изучение молекулярной структуры белка помогает сделать немало важных и ценных для человечества открытий, определить причины и механизмы генетически обусловленных заболеваний. Такая работа под силу только суперкомпьютерам.

Виртуальные модели кровеносной системы человека исследуются врачами и биологами для того, чтобы получить эффективные способы борьбы с заболеваниями сердца и сосудов.

Но эти мощные вычислительные машины нужны не только для проведения серьезных научных исследований, результаты которых принесут человечеству плоды только в будущем. Прикладное применение суперкомпьютеров можно обнаружить во многих сферах нашей жизни.

Применение супер-ЭВМ в биологии и медицине.

Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали возможны именно благодаря супер-ЭВМ, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах для того, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями.

В биологии суперкомпьютеры, микрочипы и электронные микроскопы используются для изучения процессов, которые происходят на клеточном уровне. Это дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку.

В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, хотя, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.

Применение суперкомпьютеров в космическом пространстве.

Помощь суперкомпьютеров нужна не только для фиксирования данных на борту космических станций и обеспечения эффективности работы этих грандиозных сооружений.

Эта мощнейшая техника позволяет проектировать новые орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной траектории движения станций, изучать процессы, которые влияют на геомагнитный фон Земли, отслеживать и предугадывать всплески солнечной активности и выявлять их закономерности.

При разработке новых моделей космических станций и искусственных спутников, суперкомпьютеры проводят серьезную работу по моделированию и прогнозированию всех возможных ситуаций, обеспечивая, таким образом, безопасность полета.

Применение суперкомпьютеров в прогнозировании погоды.

С помощью суперкомпьютеров стало возможно очень точно предсказывать погоду. Цифровая обработка данных, полученных на метеорологических станциях, производится в кратчайшие сроки, что дает шанс заглянуть в будущее и предупредить людей о возможных погодных неприятностях. Эта работа суперкомпьютеров тесно связана с прогнозами стихийных бедствий, которые способны спасти жизнь многих людей.

Супер-ЭВМ в промышленности.

Благодаря суперкомпьютерам наша жизнь становится более комфортабельной и безопасной, так как именно эти машины помогают разрабатывать новые модели автомобилей и самолетов [2]. Исследование аэродинамических свойств, устойчивости, маневренности, способы сочетать эти качества в оптимальной пропорции могут только суперкомпьютеры. Супер-ЭВМ имеют большое влияние на жизнь современного человека, но мало, кто об этом задумывается. Сидя в новом автомобиле и слушая по радио прогнозы погоды, отправляясь в поездку с GPRS навигатором, покупая билет на самолет к теплому морю, просматривая по телевизору 500 цифровых каналов, включая чайник, электроэнергия для которого была получена в недрах атомного реактора, люди почти не замечают, что пользуются результатами работы сложнейших суперкомпьютеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В наше время в суперкомпьютерном мире наблюдается новая волна, которая вызвана как успехами в области микропроцессорных технологий, так и появлением нового круга задач, выходящих за рамки традиционных научно-исследовательских лабораторий. Налицо мгновенное развитие в производительности микропроцессоров RISC-архитектуры, растущее заметно быстрее, чем производительность векторных процессоров.

Бурное развитие супер-ЭВМ стало откликом на потребность человечества в машинах, моделирующих процессы в реальном времени и выполняющих ряд других сложных задач. Суперкомпьютеры всегда являлись воплощением новейших научно-технических достижений и задавали темп и тенденции развития других видов машин. Пока рост производительности суперкомпьютеров отвечает увеличению сложности проблем, предстающих перед человеком. Но можно заметить, что современная концепция развития вычислительных средств направлена на количественное улучшение характеристик. Процесс разработки в некоторой степени можно назвать «выживанием» максимума из уже созданного. Это предполагает то, что современный этап развития вычислительной техники уже вошел в состояние относительной стабильности и каких-либо качественных изменений в пределах современной концепции едва ли придется ожидать. Очевидно, что за этапом стабильности, который может продлиться определенное время, проследует «смутный период», когда уровень возможностей суперкомпьютеров уже не сможет идти в ногу с потребностями человечества. Эта проблема породит необходимость в переходе на качественный новый уровень вычислительной техники.

В современном мире суперкомпьютерные технологии стали стратегической областью. И без нее неосуществимо дальнейшее развитие экономики. Мощность национальных супер-ЭВМ сейчас так же важна, как мощность электростанций или количество боеголовок. Суперкомпьютер стал показателем технического уровня государства. [3]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Э. Таненбаум, Т. Остин. Архитектура компьютера. - 6-е изд. - СПб.: Питер, 2013.
2. Барри Брэй. Микропроцессоры Intel. Архитектура, программирование и интерфейсы. - 6-е изд. - СПб: БХВ-Петербург, 2005.
3. Грешилов А. А. Математические методы принятия решений: учебное пособие - 2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014.
4. Ковалев М.М. Дискретная оптимизация. - М.: УРСС, 2011.
5. Топорков В.В. Модели распределенных вычислений. - М.: Издательство ФИЗМАТЛИТ, 2004.
6. Рахман П.А. Модель задачи распределения вычислительных ресурсов в системах управления предприятием при применении технологии виртуальных машин // Экономика и менеджмент систем управления, 2015. - Т. 18. - № 4.2. - С. 274-293.
7. Рахман П.А. Анализ вычислительной сложности решения задач псевдобулевой оптимизации методом локального поиска в системах управления предприятием // Экономика и менеджмент систем управления, 2015. - Т. 18. - № 4.3. - С. 379-399.
8. Жирков, А. Суперкомпьютеры: развитие, тенденции, применение / А. Жирков // СТА.-2014.-№2.-С.16-20.
9. Суперкомпьютеры и их применение [Электронный ресурс].- URL //www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-108771
10. Самые мощные суперкомпьютеры мира 2014[Электронный ресурс]. - URL //http://economtermin.ru/it-biznes/243-samye-moshhnye-superkompjutery-mira-2014.html