XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эволюция процессоров
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Цель нашей работы будет заключаться в том, чтобы узнать, как эволюционировали центральные процессоры, которые есть в каждом персональном компьютере дома, на работе, почти у каждой вычислительной техники есть свой подобный “мозг”.
Процессор - “мозг” компьютера, отвечающий за обработку всех данных, проходящих в компьютере.
УСТРОЙСТВО ПРОЦЕССОРА
Давайте сначала разберемся, а как вообще устроен процессор в теории, и для чего используются его ресурсы. Мы знаем, что в цифровом коде всё строится на двоичном коде, состоящем из положительного значения 1, и отрицательного значения 0. У процессора присутствуют транзисторы, грубо говоря это мелкие медные “иголки”, которые выполняют задачу обозначения заряда. Если по транзистору проходит ток, он становится заряженным и соответственно имеет положительное значение, без заряда транзистор всегда имеет нулевое значение. Также стоит разъяснить три характеристики процессора для дальнейшего понимания. Разрядность процессора обозначает количество битов, который процессор может обработать за раз. Тех. процесс обозначает размер транзисторов в процессоре, и со временем их размер уменьшался, что позволяло помещаться большему количеству транзисторов, и соответственно повышалась производительность.
Ну а частота обозначает частоту операций процессора за определённое время. Это можно считать основа основ работы процессора, теперь можно переходить к тому, как используется процессор.
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ПРОЦЕССОРА
Любая операция на компьютере начинается с обращения к процессору, чтобы тот как своеобразный “координатор” распределял данные. Открытие программы начинается с отправления запроса к процессору, тот в свою очередь обрабатывает запрос, выполняет указанные запросом действия, и затем сохраняет нужные данные в оперативной памяти, для сохранения открытого процесса программы, и совершения дальнейший действий в программе. Или вот еще пример, вы запустили игру на компьютере с трёхмерной графикой, сам процессор не предназначен для отрисовки какой либо графики, а тем более трехмерных текстур с большим количеством полигонов. Но даже здесь используется процессор, который получает запросы от игрового движка на отрисовку текстур, и затем процессор обращается к видеокарте с измененным запросом на языке самой видеокарты, чтобы та в свою очередь обработала и выдала нужную картинку. Думаю теперь мы смогли понять основы работы процессора, теперь мы можем переходить к изучению эволюции центральных процессоров. Как думаете, каким мог быть первый процессор? Сейчас мы узнаем.
ЭВОЛЮЦИЯ И ИСТОРИЯ ПЕРВЫХ ПРОЦЕССОРОВ
Самым первым и массовым микропроцессором с транзисторами признано считать Intel 4004, сделанный по заказу Японской компании связанной с производством калькуляторов, специально для их калькулятора Nippon Calculating Machine. Его возможности и характеристики являлись крайне простыми, но для того времени это уже был технический прогресс и дебют компании Intel в отрасли процессоров. Данный процессор имел 4-битную архитектуру, 10 микрометровый тех. процесс и 2300 транзисторов способных выдавать частоту от 500 до 740 кГц.
Через некоторое время компания Intel выпустила модификацию первого процессора с улучшенными характеристиками - Intel 4040.
Функционал процессора остался почти таким же, и также дальше калькуляторов мало куда уходил, но зато в таком небольшом круге задач процессор стал более производителен. Изменения произошли только в количестве транзисторов, компании удалось уже вместить 3000 транзисторов вместо 2300 как в прошлом процессоре, такое изменение как раз и повлияло на повышение производительности.
Следующий процессор Intel стал очередным прогрессом в сфере процессоров. Новый процессор Intel 8008 стал первым, который получил 8-битную архитектуру, также увеличилось количество транзисторов до 3500 штук на одном процессоре, диапазон частот стал больше как и частота в пике улучшилась, теперь процессор работал на частотах от 200 до 800 кГц. Такое расширение диапазона повлияло на то, что в мало требовательных задачах процессор смог потреблять меньше энергоресурсов чтобы в свою очередь электро затрат было меньше. (Хотя для того времени они всё равно были малы, чтобы использовать подобного рода процессоры =) )
Некоторое время спустя, Intel также сделали усовершенствованную версию прошлого процессора - Intel 8080, в этот раз они впервые уменьшили тех. процесс с 10 мкм до 6 мкм, и соответственно увеличилось количество транзисторов до 6000 штук. Процессор получил более обширный функционал нежели чем просто считать цифры в калькуляторе, как пример на нём уже был компьютер Altair 8800, который как раз имел в качестве основы процессор Intel 8080.
В то время на рынке стали появляться первые конкурентоспособные для Intel процессоры. Одним из таких стал Zilog Z80, разработанный физиком Федерико Фаджин, который прежде работал над созданием Intel 4004. Федерико смог опередить последний на то время процессор Intel во всех характеристиках, тех. процесс уменьшился до 3 мкм, количество транзисторов увеличилось до 8500, а пиковая частота повысилась до 2 мГц, перебив отметку в 1000 кГц и начав исчисляться в мГц. Функционал данного процессора позволял ему находиться в большом количестве техники, начиная от компьютеров, принтеров, и заканчивая игровыми приставками.
В ответ на появление такого конкурента, Intel вновь пробила отметку разрядности процессоров, сделав 16-ти битный процессор Intel 8086. Разница с Zilog Z80 была колоссальной: количество транзисторов увеличилось до 29 тыс. а частота увеличилась в 4 раза до 8 мГц. Также данный процессор использовался в первом компьютере компании IBM - IBM 5150.
В догонку за таким улучшенным процессором Intel спустя несколько лет выпускает очередной процессор с улучшенной разрядностью - Intel i386, первый 32-битный процессор. Количество транзисторов вновь получило весомое увеличение до 275 тыс. за счет уменьшения тех. процесса до 1 мкм, частота таким образом также выросла до диапазона 16-20 мГц.
В то время на рынке стали появляться первые процессоры компании Advanced Micro Devices (сокращённо - AMD), которые по сути являлись улучшенными клонами процессоров Intel.
Одним из таких стал AMD AM386, являвшимся клоном Intel i386. В плане характеристик он ничем не отличался от процессора Intel (за что кстати компания Intel также пыталась судиться с AMD, но суд они проиграли), но отличие заключалось в немного иной архитектуре работы процессора, делающая его работу более производительной чем оригинальный Intel i386.
В то же время, на фоне увеличения разнообразия компаний на рынке процессоров, IBM сделали свой первый процессор, но предназначавшийся только для работы на серверах.
Начало 90-х ознаменовалось для Intel выходом легендарной линейки процессоров, продолжающейся по сей день - Intel Pentium. Тех. процесс процессора стал меньше микрометра, получив размер 800 нм (кстати на данное время, техпроцесс современных процессоров продолжает измеряться в нм), транзисторы продолжали колоссально расти в количестве, на этот раз в процессоре было 3.1 млн транзисторов, а частота была равна диапазону 60-66 мГц.
Судебные дела между AMD и Intel, дали AMD лишь больше поводов начать создание процессоров на своих собственных архитектурах. Первым из таких стал AMD K5, который был получше нынешнего “флагмана” Intel Pentium. При цене меньше чем у Pentium, AMD K5 имел характеристики лучше чем сам Pentium. В будущем это станет фишкий AMD - иметь конкурентов равных или сильнее по мощности, имея при этом более выгодную цену на рынке.
Основной прогресс процессорных мощностей можно сказать закончился в начале 21-го века с выходом первого процессора, имеющего частоту 1 гГц - AMD Athlon Thunderbird. Также нужно упомянуть созданную тогда Intel технологию многопоточности, позволяющую делить ядро процессора на два потока, для разделения нагрузки и повышения многозадачности.
Впервые Intel использовала данную технологию в своём процессоре Pentium 4, но затем ещё и вышел процессор, который вместо два виртуальных потока имел два реальных физических ядра - Pentium D.
В свою очередь AMD выпустила свой первый процессор на 64-битной архитектуре - Athlon 64, к сожалению на то время AMD ещё не реализовала тех же технологий многопоточности и многоядерности как у Intel.
Вот так процессоры дошли до того, какими мы видим их сейчас, с того времени прогресс стал упираться в совершенствование архитектур, поскольку постоянно повышать частоты не является эффективной идеей, да и при таком малом профите, энергопотребление колоссально возрастает, из за чего идея с постоянным повышением частот не является верной.
АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
С того момента Intel стала выпускать линейку процессоров Intel Core, которая стала их основной, и все какие либо прогрессы мощностей, происходят по сей день именно в этой линейке первым делом. Тут уже можно перейти к разбору пары интересных архитектур процессоров.
К примеру в одном из последних поколении - Intel Alder Lake, процессоры получили новую технологию двух видов ядер. Процессор поделен на энергоэффективные и производительные ядра, сделано это для того, чтобы мало требовательные задачи не заставляли процессор брать много ресурсов для обработки. Запуская условный браузер, процессор будет использовать только энергоэффективные ядра, энергии потребляется мало, а программе много ресурсов процессора и не надо. В случае же с требовательными программами, процессор понимает что ресурсов требуется гораздо больше, потому обращается уже к производительным ядрам, чтобы те в свою очередь обрабатывали запрос.
Также из интересных архитектур, сделанных за последнее время, можно вспомнить архитектуру Bulldozer от AMD, которая используется в процессорах линейки FX. На время выхода она удивила всех своей возможностью, для помещения большого количества ядер в одном процессоре. Один из процессоров линейки имел колоссальные для того времени 8 ядер, хотя ядра эти можно назвать условными. А всё потому, что целых ядер в процессоре всего 4, просто каждое из них поделено на две части, делая из этого группы. И минусом этой архитектуры была нестабильная производительность, в задачах где было достаточно одного-двух потоков из ресурсов процессора могла быть использована всего одна группа половинок ядра, и в таком случае производительность как раз таки была высокой. Но стоило использовать гораздо больше, группам половинок приходилось общаться между собой, передавая данные через внутреннюю шину памяти, которая была крайне слабая, соответственно все операции проходящие через неё падали в производительности. Хотя даже так, люди не знающие про такие подробности, покупали эти процессоры для своего компьютера из за факта многоядерности. После выпуска линейки FX, AMD на некоторое время утихла на рынке процессоров, вернувшись в 2017 со своей новой архитектурой Zen. Эта архитектура была по сути модификацией Bulldozer, но с одним нюансом. Как таковой своей шины памяти у процессора уже не было, обработка данных проходящие через шину памяти перенаправлялись в оперативную память, откуда уже отправлялись обратно в процессор. Из за чего можно сделать вывод, что данная архитектура крайне требовательна к производительности оперативной памяти, поскольку она гораздо сильнее влияет на производительность процессора, чем те же процессоры Intel.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На данном этапе я бы хотел закончить работу. Мы узнали основы работы процессора, увидели как прогрессировали эти процессоры, и какие для них делали архитектуры с целью как либо повысить производительность. На этом у меня всё. Спасибо за внимание!
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Информатика. Босова Л.Л.Босова А.Ю. Босова.-М.: Бином. Лаборатория знаний, 2021-184с.:ил.
Электроника и микропроцессорная техника, ГусевВ.Г., Гусев Ю.М.