Параметры процессора CPU

Компьютерные технологии развиваются стремительными темпами, и микропроцессор стал основой всех современных микротехнологий. В основе работы любого современного устройства лежит высоко интегрированная интегральная микросхема (ИМС, ИС), объединившая в своем корпусе множество различных полупроводниковых элементов, таких как транзисторы. Основным материалом для производства микроэлементов стали полупроводники, чаще всего кремний. Он применяется в микросхемах в силу того, что его электрическая проводимость больше, чем у изоляторов, но меньше чем у металлов (проводников). Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей p- или n-типа.

Микропроцессор (CPU) - это ИМС, сформированная на маленьком кристалле кремния. Он содержит миллионы транзисторов, соединённых между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. Объединённые в цепи транзисторы и др. элементы, образуют функциональные группы различного назначения (питания, коммутации, логические). Впервые процессор на одиночном кристалле кремния был сконструирован фирмой Intel в 1969 году, который мог работать с 2 чипами для временного хранения информации и считывания стартовой программы, и состоял из 2250 транзисторов. Этот процессор изначально предназначался для программируемых калькуляторов, но т.к. он превзошел все ожидания, то его нарекли 4004, новым устройством в линейках Intel.

Изначально такие ИС производились по планарной технологии, которая представляла собой трехступечатый процесс: окисление, фототравление и диффузия. Сейчас технология состоит из более чем 300 этапов, но общие принципы остались теми же. Главные этапы: выращивание диоксида кремния, создание рисунка и топологии проводящих областей, тестирование и корпусирование. Микропроцессор формируется на поверхностях тонких круговых пластин диаметром 200 или 300 мм. Прежде чем сделать подложку такой пластины кремний очищают, плавят и выращивают из него цилиндрические кристаллы, которые потом нарезаются на тонкие пластины. Такие пластины полируют до зеркально гладкого состояния. После этого применяется фотолитография - процесс, в ходе которого на кристалле формируется рисунок-схема соединений. Пластины, покрытые фотослоем, облучают ультрафиолетом через фотомаску с рисунком соединений, растворяя облученные участки. Далее в ходе травления эти участки очищают от диоксида кремния, а затем от фотослоя, эта операция повторяется несколько раз. Во время легирования образуются области с различной проводимостью. Вытравленные "окна" заполняют металлическими межсоединениями. В самом современном 0,13-мкм техпроцессе Intel применила медные проводники. До этого в 0,18-мкм процессе использовался алюминий. Далее пластины разрезаются на процессоры, которых получается несколько сотен с пластины, и корпусируются. Типы корпусов будут рассмотрены далее.

Прежде чем рассматривать параметры CPU необходимо представить себе, как работает процессор, т.е. чем он думает. Для начала необходимо усвоить, что CPU не умеет думать сам. Он состоит из транзисторов, которые соединены в цепи, задача которых на наличие или отсутствие какого-либо входного сигнала выдавать сигнал соответствующего уровня. Уровнем в схемотехнике принимается за высокий, если он около 2В, низкий - 0В. Таким образом, вся информация в компьютере передается в бинарной форме: в виде логической 1, соответствующей наличию напряжения, или 0, соответствующего его отсутствию. В ИМС используются логические вентили на ТТЛ (TTL) и КМОП (CMOS) структурах. Логические микросхемы питаются от +5В, приложенных относительно общего провода (GND). Эти элементы могут быть чисто комбинационными вентилями (gate), а могут быть элементами с памятью. К последним из которых в основном состоит процессор, относятся триггеры (flip-flops), регистры (registers), счетчики (counters) и т.п. Первый используется в элементах памяти, а остальные в CPU. Защелки используются для фиксации адреса на шине CPU. В итоге, CPU состоит из Блока управления с цепями тактовки и декодирования, ALU с цепями сложения, регистров и трех шин (адрес, данные, управления). Так вот регистры играют очень важную роль в CPU. Разрядность, измеряемая в битах, определяет, грубо говоря, количество проводников по которым одновременно передаётся информация. И разрядность процессора определяется не по разрядности шин, а по разрядности регистров. Все процессоры, начиная с i386, - 32-разрядные и с 64-разрядным расширением MMX и 64-разрядными шинами. Это значит, что процессор может общаться с 4 ГБайтами оперативной памяти. Все данные и команды он может считывать или из регистров, или из RAM. Каждая программа при своей загрузке формирует как минимум 3 сегмента: сегменты кодов, данных и стека. Каждому из них соответствует свой регистр сегментов (CS, DS, SS). Помимо того, в CPU существуют также регистры общего назначения (для математических операции и ввода/вывода) и регистры указателей и индексов (для счетчика команд и состояния стека), а также регистры флагов. Таким образом, вся работа CPU состоит в том, чтобы считывать и выполнять команды из кодового сегмента, при этом загружая результаты вычислений в регистры общего назначения, и изменяя другие регистры по необходимости, загружать что-либо в стек или считывать оттуда, считывать адрес следующей команды и т.д. При загрузке программы в счетчик загружается адрес первой инструкции, которую необходимо выполнить, который в ходе каждой операции изменяется. Передача адресов и кодов по шинам в каналах регистры-ОЗУ, регистры-регистры и т.п. осуществляется по единому стробовому синхронизующему сигналу (clock).

Теперь представляя, чем думает процессор, можно определить параметры, которые вытекают из его архитектуры. Реально сравнивая CPU, необходимо рассмотреть гораздо более широкий диапазон параметров, чем тот, который предлагается при покупке в фирме:

• Разрядность регистров и архитектура ядра
• Технология изготовления
• Рабочая температура
• Частота ядра
• Частота и объем кэшей
• Частота и разрядность шины
• Тип разъема
• напряжение питания ядра и цепей ввода-вывода
• тип корпуса
• кодовое наименование

Далее необходимо рассмотреть каждую из этих характеристик подробнее.

На данный момент все процессоры являются 32-разрядными, но уже объявлены первые 64-разрядные CPU Hammer и Itanium2. Первым 32-bit (-разрядным) процессором стал i386SX. Характерной чертой этого типа CPU стала поддержка 4Гбайт RAM. Под архитектурой ядра подразумевается основные принципы команд и работы, на которые ориентировался разработчик при проектировке. Итак, все 32-разрядные CPU работают в 3 режимах: реальной адресации, защищенный и режим эмуляции V86 и умеют работать с 8-, 16- и 32-разрядными операндами. Нормой ядростроения стало использование суперскалярного выполнения, поддержка динамического выполнения и архитектура двойной независимой шины (DIB). По порядку:

1) начиная с CPU Pentium, в ядре были использованы параллельные конвейеры, которых там было два. Это позволило сократить время выполнения одной операции до одного такта. Так как два 32-разрядных конвейера обрабатывали команды одновременно, а шина была 64-разрядная, то команды выполнялись в два раза быстрее, чем при исполнении их по порядку. В Pentium II конвейеров шесть, в Athlon - 9. Но каждый условный конвейер имеет несколько некоторое количество ступеней. Так вот, с ростом количества ступеней частота CPU растет, но операции обрабатываются дольше. В Pentium 4 ступеней стало уже 20. Таким образом, Willamette "поглупел", т.е. операции стали проходить по большему числу ступеней, и время обработки одной инструкции увеличилось;

2) Начиная с CPU шестого поколения (Pentium Pro) применяется динамическое выполнение, которое позволяет предсказывать переходы, выполняет потоковый анализ и спекулятивно (выборочно) выполнять команды, в результате чего команды могут выполняться в более оптимальном, а не заданном порядке, что ускоряет процесс обработки. Здесь возникает большая зависимость от ПО, т.к. оно оптимизируется под какой-то определенный набор команд. Самыми продвинутыми сейчас являются Enhanced 3Dnow! и SSE2 в AthlonXP и Pentium4 соответственно. Каждая оптимизирована под свой тип команд, поэтому процессоры побеждают друг друга в разных тестах;

3) В архитектуре DIB, впервые реализованной в CPU 6-го поколения, предусмотрены две шины: шина кэша второго уровня и шина между CPU и RAM, т.е. системная шина. Чтобы реализовать DIB, необходимо переместить кэш L2 в один корпус с процессором.

Технология изготовления определяет размеры CPU и надежность работы. Поясню: чем меньше техпроцесс, и, соответственно, размеры, тем меньше тепловыделение, а значит повышается надежность работы. Под Socket 7, а также под Socket 8 и Slot-1 CPU использовалась 0,35 и 0,25-мкм технология; ядра Coppermine, Tualatin, Spitfire, Thunderbird, Palomino и Willamette производились по 0,18-мкм технологии. Сейчас AMD и Intel перешли на 0,13-микронную технологию. Наименьший кристалл имеет AthlonXP Thoroughbred - 80 мм².

Рабочая температура - параметр, вытекающий из предыдущего пункта и определяющий стабильность работы. Для CPU AMD K6-2, Intel Celeron температура должна быть в пределах 15-30°, для Duron - 35-50°, для Athlon - 45-60°, PentiumIII - 35-55°, AthlonXP - 50-65° (+3°). Легкие отклонения допустимы. В случае значительных отклонений следует задуматься о том, что CPU бракованный. Опыт показывает, что CPU AMD начинают сбоить при температуре 75°.

Частота ядра - параметр, не являющийся самым важным, не рассмотренный первым. Эта величина является произведением частоты системной шины, подаваемой от кварцевого резонаторатора на внутренний коэффициент умножения. Этот коэффициент определяется подачей напряжения на определенные контакты CPU. На процессорах AMD и Intel он заблокирован, но в AMD может быть разблокирован путем соединения необходимых контактов мостиков L1, L3, L4 и L10 на поверхности корпуса. Таким образом, процессоры AMD имеют возможность к разгону по коэффициенту, который является более предпочтительным. Все комбинации мостиков приведены в таблице 3.

Кэш - память SRAM быстрого доступа на триггерах и защелках, в которой временно хранится часто используемая информация. Эта память значительно повышает производительность вычислений. Кэш характеризуется объемом и частотой работы. Особенно важен кэш второго уровня L2: он был интегрирован в корпус процессора впервые в Pentium Pro. На Pentium II и долгое время на Athlon Classic до частоты 950 МГц включительно использовался неполноскоростной кэш, что вело к большим потерям в производительности. Сейчас все процессоры имеют интегрированный кэш L2 работающий на частоте процессора. Долгое время Athlon, AthlonXP (Thunderbird и Palomino) и Pentium III (Coppermine, Tualatin) имели по 256КБ L2. Сейчас наибольший объем имеет P4 Northwood с 512КБ. Скоро AMD выпустит Barton с 512К L2. Кэш, начиная с Pentium, используется двунаправленный (Write-Back).

Частота системной шины (частота шины данных, FSB) определяет производительность ядра CPU, о чем говорилось выше. Например, искусственно очень сильно заниженная частота FSB у Celeron до 66 или 100 МГц на треть снижает производительность, за счет чего Duron c шиной 200 МГц и выигрывает. AthlonXP имеет частоту шины 266 МГц. Также эта частота должна быть близка к частоте ОЗУ для лучшей совместимости. Например, хотя P4 Northwood имеет FSB=533 MHz, но память общается к CPU на своей скорости, которая меньше (400 МГц для RDRAM, 266/333 для DDR и 133 для SDRAM). Помимо того, разрядность шины определяет также разрядность банков памяти. Шина данных теперь используется 64-разрядная. Так как память SDRAM и DDR также 64-разрядная, но банк памяти можно организовать 1 модулем памяти. Именно поэтому в системах Pentium 32-разрядные SIMM-модули работали парно. Хочу также обратить внимание на часто встречающееся заблуждение касательно частот шин последних CPU: CPU Athlon, AthlonXP и Pentium 4 Northwood имеют шину с частотой 133 МГц, а 266/333 и 533 МГц - это эффективная (возможная) величина шин. То же самое касается Celeron, Duron и P4 Willamette, где шина 100 МГц.

Тип разъема зачастую определяется характеристиками ядра. Сейчас абсолютное большинство CPU перешло на использование разъемов Socket. Slot-1 использовались под Pentium II, Slot-A - под ядра Athlon Classic, K75 и K76. Сейчас Intel ведет политику постоянной смены типов разъемов: Socket 370 (r) Socket 423 (r) Socket 478. Причем очень важной особенностью разъема Socket 370 является то, что он имеет несколько электрически несовместимых разновидностей - их принято различать по типам корпусов, вставляемых в них процессоров: PPGA, FCPGA и FCPGA2. Первый из них не поддерживает ядро Coppermine и Tualatin, второй - только Tualatin. Компания AMD придерживается политики большей заботы о покупателе и использует только один разъем Socket A для всех ядер, начиная с Thunderbird и Spitfire. Для установки нового CPU необходимо лишь обновить версию BIOS для корректного опознания ID. Последним 32-разрядным и SocketA CPU станет Barton. Так что поддержка Socket A обещана до середины 2003 г.

Рабочее напряжение играет одну из важнейших ролей в настройке и оптимизации системы: из-за некорректно выставленного напряжения CPU может не работать или выйти из строя. Напряжения питания i/o цепей сейчас установлено для всех CPU 3,3V. А вот с напряжением питания ядра Vcore (Vcc) гораздо больше проблем: у CPU Intel традиционно Vcc ниже, и значит, тепловыделение и потребляемая мощность ниже, т.е. повышается устойчивость в работе. Но с выпуском Athlon Thoroughbred оно (как и у P4 Northwood) стало 1,5(1.6)V. Хочу заметить, что ядро Coppermine может работать при напряжениях 1.5-1.65V, Tualatin - 1.475-1.5V, Spitfire - 1.4-1.6V, Thunderbird - 1.6-1.75V, Palomino - 1.7-1.85V. Остальные ядра не имеют разброса по напряжениям. Зачастую повышение, реже понижение напряжения необходимо для обеспечения устойчивой работы CPU, особенно при разгоне. Такие операции осуществляются путем изменения положения джамперов или настроек в BIOS с шагом 0.05V. Можно также осуществить подобное с мостиками CPU AMD. Часто CPU Intel выставляют напряжение автоматически через штырьки VID. На этих CPU напряжение можно изменить, только если в опциях материнской платы есть соответствующие настройки. Все рабочие напряжения сведены в таблицу.

В каких только корпусах не выпускались CPU! Эта информация приведена, т.к. обилие названий и аббревиатур в описаниях вас может смутить:

• DIP (Dual In-line Package) - корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов
• PGA (Pin Grid Array) - керамический корпус с матрицей штырьковых выводов
• SPGA (Staggered PGA) - корпус с шахматным расположением выводов
• PPGA (Plastic PGA) - термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA
• FCPGA (Flip-Chip PGA) - PGA с перевернутым кристаллом, термовыделение происходит через заднюю часть корпуса без использования защитной термопластины
• FC-PGA2 - имеет пластину-термораспространитель, покрывающую кристалл
• S.E.C.C. (Single Edge Connection Cartridge) - печатная плата с краевым разъемом для Slot X, на которой смонтированы CPU, кэш, радиатор и вентилятор в пластмассовом кожухе и др.

Наверное, вам не раз приходилось видеть названия одного и того же CPU, написанные в разных объявлениях по-разному, имеющие какие-то незнакомые иностранные слова в названии или вообще выглядящие одинаково, а называемые различно. Дело в том, что эти незнакомые слова, типа Merced или Spitfire, являются кодовыми названиями кристаллов (ядер), на которых сделано CPU, которые придумываются производителем при разработке. В этом и заключается главная путаница, связанная с CPU, которую помогут разрешить наши таблицы.

Далее, во второй части мы рассмотрим реальные модели CPU, по характеристикам, описанным выше.

O = открыт, Cl = закрыт.

Автор: Александр Дудкин
alexishw@xaker.ru