Что такое ЦПУ?
Центральный процессор (ЦПУ) – это аппаратный компонент, который является основным вычислительным блоком сервера. Серверы и другие интеллектуальные устройства преобразуют данные в цифровые сигналы и выполняют над ними математические операции. Центральный процессор является основным компонентом, который обрабатывает сигналы и делает возможными вычисления. Он действует как мозг любого вычислительного устройства. Он извлекает инструкции из памяти, выполняет необходимые задачи и отправляет выходные данные обратно в память. Он выполняет все вычислительные задачи, необходимые для работы операционной системы и приложений.
Как развивалась технология ЦПУ с течением времени?
В самых ранних компьютерах для обработки использовались вакуумные трубки. Такие машины, как ENIAC и UNIVAC, были большими и громоздкими, потребляли много энергии и выделяли значительное количество тепла. Изобретение транзисторов в конце 1940-х годов произвело революцию в технологии ЦПУ. Транзисторы заменили вакуумные трубки, сделав компьютеры компактнее, надежнее и энергоэффективнее. В середине 1960-х годов были разработаны интегральные схемы, которые объединили несколько транзисторов и других компонентов на одном компьютерном чипе. ЦПУ стали еще меньше и быстрее, что привело к появлению микропроцессоров.
Подробнее о компьютерных чипах »
Микропроцессоры
Микропроцессоры объединили весь ЦПУ на одном микрочипе, что сделало компьютеры более доступными и привело к разработке персональных компьютеров. Первоначально ЦПУ могли обрабатывать от 16 до 32 бит данных одновременно. В начале 2000-х годов появились 64-разрядные ЦПУ, которые обеспечивали большую адресацию памяти и поддерживали более интенсивную обработку данных.
По мере увеличения плотности транзисторов повышение производительности одноядерных ЦПУ усложнилось. Вместо этого производители ЦПУ начали использовать архитектуры многоядерных процессоров для интеграции нескольких ядер в один чип.
Современные процессоры
С появлением мобильных устройств энергоэффективность стала играть решающую роль. Теперь производители ЦПУ разрабатывают маломощные и энергоэффективные ЦПУ для современных портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты.
По мере увеличения количества задач, связанных с искусственным интеллектом и графической обработкой, для выполнения рабочих нагрузок стали использоваться специализированные ЦПУ, такие как графические процессоры и ускорители искусственного интеллекта.
Непрерывные исследования и разработки в области нанотехнологий и материаловедения проложили путь к созданию микроскопических транзисторов и более мощных ЦПУ. Квантовые вычисления и другие новые технологии могут способствовать дальнейшему развитию компьютерных процессорных технологий.
Из каких компонентов состоит ЦПУ?
ЦПУ – это сложная электронная схема, состоящая из нескольких ключевых компонентов, обрабатывающих данные и исполняющих инструкции. Ниже описаны основные компоненты ЦПУ.
Блок управления
Блок управления контролирует обработку инструкций и координирует поток данных внутри процессора и между другими компьютерными компонентами. Он содержит декодировщик команд, который интерпретирует инструкции, извлеченные из памяти, и преобразует их в микрооперации, которые может выполнить процессор. Блок управления направляет другие компоненты процессора на выполнение необходимых операций.
Регистры
Регистры – это небольшие высокоскоростные места хранения внутри процессора. Они содержат данные, с которыми работает процессор в данный момент, и обеспечивают к ним быстрый доступ. Процессоры имеют несколько типов регистров, в частности такие:
- регистры общего назначения, содержащие оперативные данные;
- регистры инструкций, содержащие текущую обрабатываемую инструкцию;
- счетчик команд, содержащий адрес памяти следующей инструкции, которую нужно извлечь.
Регистры обеспечивают более быстрый доступ к данным по сравнению с другими уровнями памяти, такими как ОЗУ или кэш-память.
ALU
Арифметико-логическое устройство (ALU) выполняет над данными основные арифметические (сложение, вычитание, умножение и деление) и логические операции (AND, OR и NOT). Оно получает данные из регистров процессора, обрабатывает их на основе инструкций блока управления и выдает результат.
Блок управления памятью
Процессор может быть оснащен отдельным интерфейсным блоком или блоком управления памятью в зависимости от его архитектуры. Эти компоненты выполняют задачи, связанные с памятью, такие как управление взаимодействием процессора и оперативной памяти. Этот компонент также управляет кэш-памятью, небольшим блоком быстрой памяти, расположенным внутри процессора, и виртуальной памятью, используемой процессором для обработки данных.
Генератор синхроимпульсов
Процессор использует тактовый сигнал для синхронизации внутренних операций. Генератор синхроимпульсов вырабатывает устойчивые импульсы с определенной частотой, и эти тактовые циклы координируют операции процессора. Тактовая частота измеряется в герцах (Гц) и определяет количество команд, которое процессор может выполнять в секунду. Современные процессоры имеют переменную тактовую частоту, которая регулируется в зависимости от рабочей нагрузки, для сбалансирования производительности и энергопотребления.
Каков принцип работы ЦПУ?
Компьютерные процессоры работают на базе других аппаратных компонентов и программного обеспечения для обработки данных и управления потоком информации в электронных устройствах. Обычно они работают циклически, при этом каждый цикл команд представляет собой три основных этапа.
Цикл базового процессора
Ниже приведены основные этапы цикла команд.
Выборка команд
ЦПУ получает команды из памяти. Команды – это двоичные коды, представляющие конкретные задачи или операции ЦПУ. Блок управления интерпретирует команду и определяет операцию, которую необходимо выполнить. При этом также определяются конкретные компоненты ЦПУ, необходимые для выполнения задачи.
Обработка команд
ЦПУ выполняет указанную операцию с полученными данными. Он выполняет математические вычисления, логические сравнения, манипуляции с данными или передачу данных между регистрами или ячейками памяти.
Хранение результатов
После выполнения команд ЦПУ может потребоваться сохранить результаты в памяти или обновить определенные регистры новыми данными. Счетчик команд обновляется и указывает адрес следующей команды, которую нужно получить. ЦПУ повторяет цикл и последовательно загружает, декодирует и выполняет команды.
Дополнительные функции процессора
ЦПУ также может обрабатывать команды потока управления, такие как переходы и ответвления, а также прерывания, сигналы, генерируемые внешними устройствами, или события, требующие немедленного внимания. При прерывании ЦПУ временно приостанавливает выполнение текущей задачи, сохраняет ее состояние и переходит к процедуре обслуживания прерываний. После обработки прерывания ЦПУ возобновляет выполнение предыдущей задачи.
Современные ЦПУ часто используют такие методы, как параллелизм и конвейерная обработка команд, для повышения производительности. Несколько команд могут одновременно находиться на разных стадиях цикла, что позволяет более эффективно использовать ресурсы ЦПУ.
Каковы расширенные функции ЦПУ?
Лучший ЦПУ отличается производительностью, эффективностью и гибкостью, что позволяет эффективно выполнять широкий спектр вычислительных задач. Далее мы опишем несколько дополнительных функций.
Ядра
Ранее одноядерный процессор был стандартным решением, однако сегодня все ЦПУ имеют несколько физических ядер. Ядро – это отдельный процессор в ЦПУ. Большее количество ядер позволяет ЦПУ обрабатывать несколько потоков (последовательностей команд) параллельно, что значительно повышает общую производительность. Приложения могут использовать преимущества многоядерной архитектуры, разделяя задачи на более мелкие подзадачи, которые можно выполнять одновременно.
Гиперпоточность
Гиперпоточность – это одновременная многопоточная реализация, разработанная Intel, которая позволяет каждому ядру ЦПУ запускать несколько потоков одновременно. Таким образом, каждое физическое ядро в операционной системе имеет вид двух виртуальных ядер. Программное обеспечение более эффективно использует доступные аппаратные ресурсы.
Расширенные наборы команд
Современные ЦПУ также оснащены расширенными наборами команд и технологиями, предназначенными для ускорения выполнения определенных задач. Эти наборы команд выходят за рамки фундаментальных арифметических и логических операций и предоставляют дополнительные возможности для более эффективной обработки сложных вычислений.
Например, ЦПУ могут включать наборы команд, специально предназначенных для описанных ниже задач.
- Мультимедийные задачи, такие как декодирование видео, кодирование звука и обработка изображений.
- Алгоритмы шифрования и дешифрования, такие как AES и SHA.
- Задачи типа SIMD, требующие одновременного выполнения ЦПУ одной и той же операции с большими наборами данных. Это такие задачи, как графический рендеринг, научное моделирование и цифровая обработка сигналов.
- Виртуализация, позволяющая виртуальным машинам (VM) работать более эффективно.
- Рабочие нагрузки ИИ, такие как операции с нейронными сетями.
Как AWS обеспечивает соответствие вашим требованиям к процессорам?
У Amazon Web Services (AWS) предлагает решения для реализации ваших требований к процессорам.
Эластичное вычислительное облако Amazon (Amazon EC2) предлагает самую масштабную и разноплановую вычислительную платформу. Она насчитывает более 600 инстансов и позволяет выбрать новейший процессор, систему хранения данных, сетевую систему, операционную систему и модель покупки, которые помогут вам наилучшим образом удовлетворить потребности вашей рабочей нагрузки. Мы первый крупный облачный провайдер, который поддерживает работу процессоров Intel, AMD и Arm, а также единственное облако с инстансами EC2 Mac по требованию.
При использовании Amazon EC2 вы мгновенно получаете следующие преимущества:
- лучшее соотношение цены и производительности машинного обучения, а также самая низкая стоимость инстансов логических выводов в облаке;
- возможность выбора оптимального сочетания ЦПУ, памяти, хранилища и сетевых ресурсов для ваших приложений;
- возможность выбора предварительно настроенного шаблона образа машины Amazon (AMI) для мгновенного начала работы.
Начните работу с пользовательскими инстансами и процессорами на AWS, создав аккаунт уже сегодня.
AWS: дальнейшие шаги
Получите мгновенный доступ к уровню бесплатного пользования AWS.
