M-PC.net

AMD и Intel: архитектуры и семейства процессоров

 

Сравнение линеек настольных процессоров AMD и Intel: ядра, потоки, официальная цена

Core i9-9900K (8 ядер / 16 потоков) 488 $  
Core i7-9700K (8 ядер / 8 потоков) 374 $  
  329 $ Ryzen 7 2700X (8 ядер / 16 потоков)
Core i7-8700 (6 ядер / 12 потоков) 303 $  
  299 $ Ryzen 7 2700 (8 ядер /16 потоков)
Core i5-9600K (6 ядер / 6 потоков) 262 $  
  229 $ Ryzen 5 2600X (6 ядер / 12 потоков)
Core i7-8600 (6 ядер / 6 потоков) 213 $  
  199 $ Ryzen 5 2600 (6 ядер / 12 потоков)
Core i5-8500 (6 ядер / 6 потоков) 192 $  
Core i5-8400 (6 ядер / 6 потоков) 182 $  
  174 $ Ryzen 5 1500X (4 ядра / 8 потоков)
  169 $ Ryzen 5 2400G (4 ядра / 8 потоков)
Core i3-8350K (4 ядра / 4 потока) 168 $  
Core i5-8300 (4 ядра / 4 потока) 138 $  
  129 $ Ryzen 3 1300X (4 ядра / 4 потока)
Core i3-8100 (4 ядра / 4 потока) 117 $  
  99 $ Ryzen 3 2200G (4 ядра / 4 потока)
Pentium Gold G5600 (2 ядра / 4 потока) 86 $  
Pentium Gold G5500 (2 ядра / 4 потока) 75 $  
Pentium Gold G5400 (2 ядра / 4 потока) 64 $  
  55 $ Athlon 200GE (2 ядра / 4 потока)
Celeron G4920 (2 ядра / 2 потока) 52 $  
Celeron G4900 (2 ядра / 2 потока) 42 $  

AMD

В марте 2017 г. появились процессоры Ryzen (14 нм техпроцесс): 4-, 6- и 8-ядерные модели. Прибавка скорости выполнения инструкций за такт — на уровне 50% по сравнению с FX (Bulldozer). AMD предлагает больше ядер и потоков, чем Intel (при одинаковой цене процессора). Потребительская платформа: Summit Ridge. Новый гетерогенный APU: Raven Ridge (графическое ядро плюс до 4 ядер Zen). Сокет унифицированный: AM4.

Полная информация об AMD Ryzen (модели, характеристики, цены)

Intel

Семейства процессоров Intel

Процессорный ряд делится на два семейства: Core и Atom. Это торговые марки. Внутри семейств Core и Atom есть процессоры нескольких микроархитектур.

Core — полноценные, «большие» ЦП. Это условно десктопные процессоры: для ПК, серверов, ноутбуков. Производятся в корпусах BGA и LGA.

Atom — условно мобильные процессоры: для мини- и микро-ПК, ультрабуков, планшетов. Бывают только в корпусе BGA. Чипы семейства Atom урезаны для низкого энергопотребления, и поэтому самый производительный чип Atom слабее самого младшего ЦП Core.

Марки процессоров Intel семейства Core

Торговые марки процессоров Intel Core: i3, i5, i7, i9, Celeron, Pentium, Core M.

Настольные процессоры сегментированы по количеству вычислительных блоков (физических и виртуальных): Core i7 — 6 ядер и Hyper-Threading, Core i5 — 6 ядер без Hyper-Threading, Core i3 — 4 ядра без Hyper-Threading, Pentium Gold — 2 ядра и Hyper-Threading, Celeron — 2 ядра без Hyper-Threading. В мобильном сегменте распределение ядер и потоков другое, имеются мобильные процессоры марки i7 со всего двумя ядрами.

Марка настольных ЦП Ядер Потоков Описание
i9 10–18 20–36 Хай-энд сегмент, для энтузиастов
i7 6 12 Верхний сегмент
i5 6 6 Средний сегмент
i3 4 4 Нижний сегмент
Pentium Gold 2 4 Верхний бюджетный сегмент
Celeron 2 2 Нижний бюджетный сегмент
Core M (m3) 2 4 Особый сегмент: сверхэкономичные чипы с ограниченной производительностью

Марки процессоров Intel семейства Atom

Под брендами Celeron и Pentium Silver продаются процессоры семейств и Core, и Atom.

Марки Описание, назначение
Pentium Silver, Celeron Для мини-ПК, ноутбуков
X7, X5, X3 Для планшетов, ультрабуков и смартфонов. Не используются с 2016 г.

Серии и линейки процессоров Intel семейства Core

Серия показывает принципиальное место чипа в иерархии процессоров, его основное назначение (мобильный, настольный, для энтузиастов и др.). Серия процессора не указывается в его наименовании.

Товарная линейка отражает главную физическую характеристику ЦП (четырехъядерный, без встроенного графического ядра и др.) и указывается в названии модели процессора с помощью буквенного обозначения.

Например, процессоры с обозначением K в названии модели, могут входить и в серию S, и в серию E.

Серии процессоров Intel Core

Серия Описание
Y Сверхнизкое энергопотребление, корпус BGA, предназначены для гибридных ноутбуков, планшетов и микро-ПК
U Низкое энергопотребление, корпус BGA, предназначены для ноутбуков и мини-ПК
H Уменьшенное энергопотребление, корпус BGA, предназначены для интегрированных систем и производительных ноутбуков
S Стандартное энергопотребление, корпус LGA, десктопные, массовые
X (E) Увеличенное энергопотребление, корпус LGA, высокопроизводительные, для энтузиастов
Серии процессоров Intel Core
Серии процессоров Intel Core 6-го поколения

Линейки процессоров Intel Core

Обозначение линейки Описание линейки процессоров
Настольные
K Разблокированные, возможность разгона, повышенное энергопотребление
X «Экстремальные» производительность и энергопотребление, наибольшее количество ядер и потоков
T Уменьшенное энергопотребление
C Разблокированные, корпус LGA, высокопроизводительное графическое ядро
R Корпус BGA, высокопроизводительное графическое ядро
P Отсутствует или упрощенное графическое ядро
Мобильные
H Высокопроизводительное графическое ядро
HK Высокопроизводительное графическое ядро, разблокированные
HQ Высокопроизводительное графическое ядро, четырехъядерные
D Двухъядерные
U Низкое энергопотребление
Y Ультранизкое энергопотребление, невысокая производительность
— Линейки U и Y (список в Википедии) образуют группу так называемых CULV-процессоров (Consumer Ultra-Low Voltage) с низким напряжением (список в Википедии).
— Расшифровка обозначений линеек на сайте Intel.

Что означает маркировка процессоров Intel Core

Пример расшифровки наименования процессоров Intel семейства Core: семейство, марка, номер модели, идентификатор линейки
Пример расшифровки наименования процессоров Intel семейства Core

Intel: планы и справочная информация

Поколения процессоров Intel семейства Core

Числовая маркировка Кодовое имя / архитектура Техпроцесс, нм Формальный анонс Выпуск первых моделей
xxx Westmere / усовершенствованная Nehalem 32 Февраль 2009 г. Январь 2010 г.
2xxx Sandy Bridge 32 Сентябрь 2010 г. Январь 2011 г.
3xxx Ivy Bridge / усовершенствованная Sandy Bridge 22 Май 2011 г. Апрель 2012 г.
4xxx Haswell 22 Сентябрь 2011 г. Июнь 2013 г.
5xxx Broadwell / усовершенствованная Haswell 14 Сентябрь 2013 г. Сентябрь 2014 г.
6xxx Skylake 14 Сентябрь 2014 г. Август 2015 г.
7xxx Kaby Lake / усовершенствованная Skylake 14+ Июль 2015 г. Сентябрь 2016 г.
8xxx Kaby Lake Refresh-U / усовершенствованная Kaby Lake 14+ Август 2017 г. Август 2017 г.
Coffee Lake / усовершенствованная Kaby Lake 14++ Сентябрь 2017 г. Октябрь 2017 г.
Amber Lake-Y / усовершенствованная Kaby Lake 14+ Август 2018 г. Сентябрь 2018 г.
Whiskey Lake-U / усовершенствованная Kaby Lake 14++ Август 2018 г. Сентябрь 2018 г.
Cannon Lake 10 Январь 2018 г. Январь 2018 г.
9xxx Coffee Lake Refresh / усовершенствованная Coffee Lake 14++ Октябрь 2018 г. Октябрь 2018 г.
Неизвестно Ice Lake 10 Не анонсировано Ожидается в 2019 г.
Неизвестно Tiger Lake 10+ Не анонсировано Ожидается в 2020 г.
Неизвестно Sapphire Rapid 7 Не анонсировано Ожидается в 2021 г.

Справочная информация о процессорах архитектуры Core

Статус Поколение и сведения о процессорах
устарела

Haswell

устарела

Broadwell. Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии.

устарела

Skylake. Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии.

устарела

Kaby Lake. Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии. 200-я серия чипсетов. Поддерживает только Windows 10. Производительность (инструкций на такт) равна Skylake. Новые аппаратные медиакодеки.

  • Kaby Lake-Y (Core m3, i5 и i7) — сентябрь 2016 г.
  • Kaby Lake-U — сентябрь 2016 г.
  • Kaby Lake-S — январь 2017 г.
  • Kaby Lake-X — июнь 2017 г.

актуальная

Coffee Lake. Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии. Сокет LGA1151-v2. Серии S, R, H. Чипсеты чипсет Z390, Z370, H370, B360 и H310. Coffee Lake Refresh вышли в октябре 2018 г.

актуальная

Cannon Lake. В номенклатуре планируются только двухъядерные ЦП серий Y и U. Процессоры S-серии не выпускаются. Новый сокет. Поддержка AVX-512. Первые процессоры отгружены в январе 2018 г., первые устройства на их основе вышли в марте 2018 г.

Сейчас выпускается только одна модель: i3-8121U.

план

Ice Lake. 2019 г. Новая архитектура на 10 нм. Будут выпущены ЦП всех серий.

  • Ice Lake-Y: TDP 5,2 Вт, 4 ядра, LPDDR4-3733.
  • Ice Lake-U: TDP 15 Вт, DDR4-3200.

Планы: техпроцессы, архитектуры, расстановка моделей внутри линеек

Intel объединила в 8-м поколении процессоры архитектур Kaby Lake Refresh и Whiskey Lake (некоторые модели U-серии), Coffee Lake (серии H и S), Amber Lake и Cannon Lake (серия Y).

Архитектура Coffee Lake стала улучшением Kaby Lake на техпроцессе 14++ нм. На Coffee Lake вышли настольные и производительные мобильные ЦП. Впервые выпущены процессоры Intel с 6 ядрами массового настольного сегмента. Первоначально Intel намеревалась продавать Coffee Lake с начала 2018 г., но поспешила официально анонсировать 8-е поколение чипов в ответ на возросшие продажи AMD. Это привело к ограниченности процессоров Coffee Lake в продаже и завышению цен на них.

Cannon Lake — первая 10-нм архитектура Intel, перенос Skylake / Kaby Lake на технологические нормы 10 нм. Линейка ограничена мобильными процессорами серий Y и U (c TDP 4,5–15 Вт) из-за сложности перехода на 10-нм техпроцесс.

Следующее обновление архитектуры процессоров реализуют в семействе Ice Lake (10 нм). На этой архитектуре выпустят чипы всех серий. Ожидаемый прирост выполнения команд на такт (IPC) +5–10% по сравнению с Coffee Lake.

Tiger Lake будет усовершенствованием Ice Lake на техпроцессе 10+ нм. Только в этом поколении удельная производительность процессоров обгонит производительность чипов Coffee Lake.

Современные сокеты Intel

Обозначение: тип корпуса + число, например LGA 1151. Сокеты Intel меняются примерно каждые два поколения.

Для высокопроизводительных ПК и серверов (High End Desktop, HEDT):

  • LGA 2011-0 — Sandy Bridge-E/Ivy Bridge-E.
  • LGA 2011-1 — Ivy Bridge-E.
  • LGA 2011-v3 — Haswell-E/Broadwell-E.
  • LGA 2066 (R4) — Skylake-X/Kaby Lake-X.
Для массовых десктопов:
  • LGA 1155 (H2) — Sandy Bridge и Ivy Bridge.
  • LGA 1150 (H3) — Haswell и Broadwell.
  • LGA 1151 (H4) — Skylake, Kaby Lake.
  • LGA 1151-v2 — Coffee Lake.

Процессоры и чипсеты Intel 1–8-го поколений: справочное видео

Справочная информация о процессорах архитектуры Atom

Airmont, Goldmont, Goldmont Plus — архитектуры; Cherry Trail, Apollo Lake, Gemini Lake — кодовые названия платформ/чипсетов/SoC.
Модели с буквой N предназначены для ноутбуков, с буквой J — для ПК.
Статус Поколение и сведения о процессорах
Первое поколение Atom
устарела

Silvermont. Платформа Bay Trail, 22 нм, 2014 г.

устарела

Airmont. Silvermont на техпроцессе 14 нм, 2015 г. Список процессоров в Википедии.

Платформа Braswell (Cherry Trail-D), список на сайте Intel — условно десктопные Celeron и Pentium на Airmont для ноутбуков, встраиваемых платформ, мини-ПК.
Платформа Cherry Trail (Cherry Trail-T), список на сайте Intel, список в Википедии — условно мобильные Airmont для планшетов и смартфонов.

Второе поколение Atom
устарела

Goldmont, 14 нм, сентябрь 2016 г., платформа Apollo Lake (BGA1296). Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии.

Двух- и четырехъядерные чипы с TDP 6 и 10 Вт. «Мобильных» (для смартфонов) чипов нет. Модели: Celeron J3355, J3455, N3350, N3450 (HD Graphics 500); Pentium J4205, N4200 (HD Graphics 505).

актуальная

Goldmont Plus, 14++ нм, декабрь 2017 г., платформа Gemini Lake. Список процессоров: на сайте Intel, в Википедии. Графика Gen9LP с 18 исполнительными блоками, поддержка видеоформатов HEVC и VP9, двухканальный DDR4 и LPDDR3/4 контроллер памяти с поддержкой 2400-МГц модулей, HDMI 2.0, 4 Мбайт кеш 2-го уровня.

Модели: Pentium Silver J5005, Celeron J4105 и Celeron J4005 (10 Вт); Pentium Silver N5000, Celeron N4100 и Celeron N4000 (6 Вт).

Встроенная графика Intel

Графическое ядро Intel строится на базе одного или нескольких модулей, в каждом из которых размещается несколько блоков выполнения команд (исполнительных блоков). Intel встраивает в процессоры графическую подсистему двух разновидностей: UHD Graphics (UHDG) / HD Graphics (HDG) и Iris (Pro) Graphics. Они относятся соответственно к средне-бюджетному и высокому сегменту. Встроенные графические ядра разделяются на классы графики (graphics tier, GT).

Графическое ядро Серия процессоров Класс графики Исполнит. блоков eDRAM-буфер, Мбайт Макс. частота, МГц Произв-сть, Гфлопс
Девятое поколение (Gen9)
HDG 500 N, J (Apollo Lake Celeron) GT1 12 750 144,4
HDG 505 N, J (Apollo Lake Pentium) GT1 18 800 230,4
HDG 510 U, S (Skylake) GT1 12 950 182,4
HDG 515 Y (Skylake) GT2 24 1000 384
HDG 520 U (Skylake) GT2 24 1050 403,2
HDG 530 H, S (Skylake) GT2 24 1150 441,6
Iris Graphics 540/550 U (Skylake) GT3e 48 64 1050/1100 806,4/844,8
Iris Pro Graphics 580 H (Skylake) GT4e 72 128 1000 1152
Девятое с половиной поколение, с низким энергопотреблением (Gen9.5 Low Power)
UHDG 600 N, J (Gemini Lake Celeron) GT1 12 750 144
UHDG 605 N, J (Gemini Lake Pentium Silver) GT1.5 18 800 230,4
HDG 610 S, U (Kaby Lake) GT1 12 1050 201,6
HDG 615 Y (Kaby Lake) GT2 24 1050 403,2
HDG 620 U (Kaby Lake) GT2 24 1150 441,6
UHDG 620 U (Kaby Lake Refresh) GT2 24 1150 441,6
HDG 630 S, H (Kaby Lake) GT2 24 1150 441,6
UHDG 630 S, H (Coffee Lake) GT2 23/24 1200 460,8
HD Graphics P630 H (Kaby Lake) GT2 24 1150 441,6
Iris Plus Graphics 640/650 U (Kaby Lake) GT3e 48 64 1050/1150 806,4/883,2

Экономичные чипы Intel (для ноутбуков, мини-ПК, медиацентров)

Обзор экономичных платформ Intel

Цены на процессоры в корпусе BGA условны: производители получают скидки от Intel, стоимость ЦП в больших партиях намного ниже заявленной.

Atom «мобильный» (Cherry Trail-T)

Модель чипа Цена, $ TDP (SDP), Вт Характеристики
x5-Z8500 27 2 (SDP) 4 ядра, 1,44->2,24 ГГц, LPDDR3 1600
x7-Z8700 37 2 (SDP) 4 ядра, 1,6->2,4 ГГц, LPDDR3 1600

Оптимальное устройство: планшет. Цель: потребление контента (браузер, видео). Применяются также в микро-ПК (компьютер размера флешки), редко в ноутбуках/гибридах и мини-ПК. Самые дешевые. Продукт 2015 года. Нового поколения нет — Intel решила не выпускать.

Atom «настольный» (Gemini Lake, 2017)

Модель чипа Цена, $ TDP (SDP), Вт Характеристики
Celeron N4100 107 6 (4,8) 4 ядра, 1,1->2,4 ГГц, DDR4/LPDDR4-2400, графика UHD 600 (до 700 МГц)
Celeron J4105 107 10 4 ядра, 1,5->2,5 ГГц, DDR4/LPDDR4-2400, графика UHD 600 (до 750 МГц)
Pentium Silver N5000 161 6 (4,8) 4 ядра, 1,1->2,7 ГГц, DDR4/LPDDR4-2400, графика UHD 605 (до 750 МГц)
Pentium Silver J5005 161 10 4 ядра, 1,5->2,8 ГГц, DDR4/LPDDR4-2400, графика UHD 605 (до 800 МГц)

Достоинство: недорогие. Цель: потребление контента и легкие задачи. Ограниченная производительность: процессоры на Atom слабее младших CULV Core. Устройства: мини-ПК, гибриды, бюджетные ноутбуки, материнские платы с интегрированным ЦП. Хорошая платформа для спецустройств (HTPC, файловый сервер, видеонаблюдение, роутер).

Core, серия Y (Kaby Lake, 2017)

Модель чипа Цена, $ TDP (SDP), Вт Характеристики
Celeron 3965Y 107 6 (4,5) 2 ядра / 2 потока, 1,5 ГГц, LPDDR3-1866, DDR3L-1600, графика HD 615
Pentium 4410Y 161 6 (4,5) 2 ядра / 4 потока, 1,5 ГГц, LPDDR3-1866, DDR3L-1600, графика HD 615
Core m3-7Y30 / m3-7Y32 281 4,5 (3,75–7) 2 ядра / 4 потока, 1,0->2,6 ГГц (1,1->3,0 ГГц в m3-7Y32), LPDDR3-1866, DDR3L-1600, графика HD 615

Дорогие, крайне энергоэффективные, по производительности догоняют младшие ЦП U-серии. Оптимальное устройство: ультраноутбук, микро-ПК. Использование: офисные/легкие задачи в долгих поездках, сверхмобильные устройства.

Core, серия U (Kaby Lake, 2017)

Модель чипа Цена, $ TDP (SDP), Вт Характеристики
Celeron 3965U 107 15 (10) 2 ядра / 2 потока, 2,2 ГГц, DDR4-2133/LPDDR3-1866/DDR3L-1600, графика HD 610
Pentium 4415U 161 15 (10) 2 ядра / 4 потока, 2,2 ГГц, DDR4-2133/LPDDR3-1866/DDR3L-1600, графика HD 610
i3 7007U / 7100U 281 15 (7,5) 2 ядра / 4 потока, 2,1 ГГц (2,4 ГГц в 7100U), DDR4-2133/LPDDR3-1866/DDR3L-1600, режим 800 МГц / 7,5 Вт, графика HD 620

Достаточная производительность для широких неспецифических задач. Оптимальное устройство: ноутбук. Другие устройства: мини-ПК.

Core, серия S

Модель чипа Цена, $ TDP (SDP), Вт Характеристики
Celeron G4900 42 54 2 ядра / 2 потока, 3,1 ГГц, DDR42400, графика UHD 610
Pentium Gold G5400 64 58 2 ядра / 4 потока, 3,7 ГГц, DDR4-2400, графика UHD 610

Недорогой экономичный процессор с высокой производительностью. Удобно собрать в корпусе mini-/micro-tower (в Nix.ru есть корпусы с БП на 60-200 Вт).

Какие устройства на экономичных процессорах Intel выбрать в зависимости от назначения и бюджета

В зависимости от целей использования и бюджета на покупку:

  • Есть монитор или телевизор. Цель: смотреть видео/телевидение и просматривать сайты. Выбор: микро-ПК. Потребуются беспроводная клавиатура и мышь (или USB-хаб). Проблемы: возможен температурный тротлинг; заметный шум миниатюрного вентилятора.
  • Цель: базовое потребление контента «на лету» при малом бюджете. Выбор: планшеты и 2-в-1 на Atom.
  • Цель: высокая мобильность, долгое время работы, базовые рабочие задачи (браузер, электронная почта), бюджет на покупку от 600 $. Выбор: ноутбуки и гибриды на Core-Y.
  • Цель: потребление контента плюс базовая работа («печатная машинка», электронная почта) при ограниченном бюджете. Выбор: ноутбуки и мини-ПК на Atom.
  • Цель: мобильное/компактное устройство, экономичное, но достаточно производительное. Выбор: ноутбуки или мини-ПК на Core-U.
  • Цель: полноценная «офисная»/мультимедийная производительность, стационарное использование, ограниченный бюджет. Выбор: Core-S.

Какие устройства доступны на экономичных ЦП Intel

Чипы Ноутбуки, гибриды Мини-ПК (включая платформы для сборки) Сборные компактные ПК (включая матплаты с интегрированным ЦП)
Atom Gemini Lake + + + (редкие)
Core-Y + + (редкие)
Core-U + +
Core-S + (редкие) +

Какие конфигурации устройств на экономичных чипах Intel выбрать в разных диапазонах цен

Устройство Диапазон цены, $ Не покупать Покупать Комментарий
Стационарный ПК до 300 Мини-ПК на Atom Gemini Lake Celeron. ПК на Core-S (Coffee Lake Celeron). Сборка ПК на Core-S производительнее минимум в два раза.
Стационарный ПК 350–400 Мини-ПК на Gemini Lake Pentium. ПК на Core-S: Celeron или Pentium. Мини-ПК иногда шумный, не производительный; проблемный ремонт. ПК на Core серии S производительный, широкий выбор комплектующих, обилие разъемов, можно установить 3,5-дюймовый HDD.
Стационарный ПК 400–500 Мини-ПК на Core-U. ПК на Core-S: полноценный домашний/офисный , вплоть до начального игрового. У мини-ПК скромнее накопитель, меньше ОЗУ, ограниченные возможности улучшения, менее производительный ЦП. Покупать, только если очень хочется получить компьютер-«коробочку».
Мобильный ПК (ноутбук) 250–370 Нет альтернатив Ноутбук на Gemini Lake (с Celeron 250–300 $, с Pentium 300–370 $). Достоинство: цена. Недостатки: низкая производительность, ограниченность конфигураций (мало моделей с SSD). Покупать, если невозможно выделить 400 $, но нужен именно ноутбук.
Мобильный ПК (ноутбук) 380+ Нет альтернатив Ноутбук на Core-U (модели с SSD стоят от ~500 $). Достоинства: нормальная производительность, большой выбор конфигураций. Недостатки: нет.

Если нужна дешевая и компактная платформа для настольной (не мобильной) системы, то выбор разумнее остановить на младших LGA1151-процессорах в комплекте с материнскими платами mini-ITX. В продаже есть компактные корпусы со встроенным БП на 120–160 Вт. Такие конфигурации стоят примерно столько же, сколько платформы на базе старших Gemini Lake и меньше платформ на Core-U, но при нагрузке любого характера работают заметно быстрее и проигрывают лишь в энергопотреблении и тепловыделении (которые у современных чипов серии Core S и так невысокие).

Ноутбук для широкого спектра офисных задач покупать только на Core-U: ноутбуки на Atom слабые, а Core-S для таких устройств нет.

Ликбез: о процессорах

Устройство и микроархитектура процессора

Центральный микропроцессор (ЦП, процессор, англ. CPU) — устройство, выполняющее код компьютерных программ.

Современный ЦП — микросхема, на которой расположены:

  • вычислительные ядра;
  • графическое ядро;
  • кеш-память;
  • контроллеры оперативной памяти и шин обмена данными.

Процессорная микроархитектура — принцип компоновки и соединения элементов процессора. Вычислительные возможности процессора зависят от пропускной способности его соединений (шин). Микроархитектура определяет принцип декодирования/исполнения кода: конвейерную обработку, параллелизм, внеочередное и упреждающее исполнение команд, предсказание переходов и кеширование.

Поколения процессоров известны по кодовым названиям архитектур, на которых они основаны (Kaby Lake, Zen).

Потоки команд и операции: как процессор выполняет программы

Операционная система (ОС) разбивает программы (процессы) на потоки (англ. threads) выполнения команд.

О потоках и многопоточности

С точки зрения ОС, поток — это минимальная последовательность команд (фрагмент программы), которую выполняет ядро процессора. Специальная служебная программа диспетчер ОС (системный планировщик) на основе приоритета и очереди потоков определяет порядок выполнения потоков и распределяет его по времени (это называется мультиплексированием).

Процессы браузера Chrome и потоки одного из его процессов
Процессы браузера Chrome и потоки одного из его процессов

Нарезки времени для выполнения отдельных потоков составляют всего несколько тысячных долей секунды, поэтому пользователь не замечает, что процессор постоянно переключается между потоками разных программ. Такое выполнение потоков, и следовательно программ, кажется одновременным (параллельным), хотя по сути оно последовательное. Эта модель выполнения одним ядром процессора программного кода называется многопоточностью (суперпоточностью).

Команды, которые понимает (интерпретирует) конкретный процессор, образуют систему команд (англ. instruction set) — специальный «машинный» язык (машинный код), на котором программы «общаются» с процессором. Из-за калькированного перевода с английского команды еще называют инструкциями, а систему команд — набором инструкций.

Потоки команд поступают к процессору из оперативной памяти и указывают, какую (микро)операцию ему выполнить и какими данными при этом оперировать. Во время выполнения команд процессор хранит в своей кеш-памяти (сверхоперативной памяти, находящейся прямо в ЦП) промежуточные данные и результаты операций, не помещая их в более медленную оперативную память.

Какие операции выполняет процессор

  • вычислительные (арифметические): сложение/вычитание/умножение/деление с плавающей и фиксированной запятой, сравнение, увеличение на единицу (инкрементирование), уменьшение на единицу (декрементирование) и др.;
  • логические: логическое «И», логическое «ИЛИ», исключающее «ИЛИ», инверсия, очистка, сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг);
  • пересылка данных в регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода;
  • изменение последовательности выполнения команд (операции переходов): циклы, ветвления, пропуски фрагментов программ и др.

Ядро процессора

Ядро процессора — его основная вычислительная единица, способная независимо выполнять машинный код (поток команд).

Основная «мускульная сила» ядра — блоки выполнения команд (исполнительные блоки/устройства, англ. execution units). Каждый такой блок выполняет операции над данными из числа перечисленных выше.

Из каких элементов состоит ядро процессора

В процессорном ядре содержатся следующие функциональные блоки:

  • быстродействующая память, содержащая микрокод — программу для быстрой интерпретации процессором машинных команд;
  • набор регистров — ячейки сверхбыстрой памяти небольшого размера для временного хранения промежуточных результатов выполнения команд. Скорость доступа к регистрам процессора в несколько раз превосходит скорость обмена данными с кеш-памятью процессора;
  • счетчик команд — регистр, в котором содержится адрес команды, выполняемой в текущее время или планируемой к выполнению следующей;
  • блок выборки команд из кеш-памяти;
  • блоки декодирования команд;
  • блоки выборки данных — они выбирают из кеш-памяти или оперативной памяти данные, необходимые для выполнения текущих команд;
  • управляющий блок — ключевой элемент ядра, распределяющий нагрузку между блоками выполнения команд;
  • блоки выполнения команд (арифметико-логическое устройство для целочисленных операций, англ. ALU; модуль операций с плавающей запятой, англ. FPU; блоки обработки расширения наборов команд) — выполняют микрооперации над данными;
  • блоки записи результатов выполнения команд в оперативную память;
  • блок работы с прерываниями (контроллер прерываний).

В каждом ядре есть отдельные блоки выполнения команд, набор регистров, вычислительный конвейер и кеш-память. Но некоторые ресурсы в многоядерных ЦП общие для всех ядер: например, кеш-память третьего уровня или контроллер памяти.

Раньше процессоры состояли из одного ядра, поэтому «процессор» и «ядро» были синонимами. Сейчас процессоры многоядерные: в одном корпусе / на одном кристалле процессора содержится несколько вычислительных ядер.

Суперскалярный конвейер — выполнение команд ядром

Команды потока «передаются» между блоками ядра по конвейерной схеме: предыдущий блок сразу выполняет новую команду, не дожидаясь результатов выполнения команды, которую он уже обработал и передал «по конвейеру» последующему блоку. В современных ЦП конвейер ядра — сложная нелинейная система. Команды в ней выполняются внеочередно и упреждающе, ядро одновременно работает над сотнями команд.

Чтобы еще больше оптимизировать выполнение конвейером ядра независимых команд одного потока, нагруженные функциональные блоки процессорного ядра создаются в нескольких экземплярах. Такая архитектура ядра ЦП называется суперскалярной.

Производительность процессора

Как на скорость работы процессора влияют тактовая частота, количество ядер и параллельная обработка данных.

Тактовая частота

Такт — один этап/цикл выполнения команд/микроопераций; тактовая частота — количество тактов в секунду.

Подробнее о тактовой частоте

Такт — это период времени между импульсами микросхемы. За один такст процессор успевает выполнить часть операции, целую операцию или несколько операций. Тактовая частота — количество тактов за период времени. Измеряется в герцах (Гц). 1 Гц — один такт в секунду; 4 ГГц — четыре миллиарда тактов в секунду. Чем больше тактовая частота вычислительного блока, тем производительнее («быстрее») процессор.

Производительность процессоров разных архитектур нельзя сравнивать по тактовой частоте, потому что за один такт они выполняют разное количество команд/микроопераций.

Многоядерность

Современные программы для ускорения способны использовать несколько ядер одновременно. Диспетчер ОС эффективно распределяет потоки разных процессов между ядрами, поэтому дополнительные физические ядра всегда увеличивают производительность процессора, если сравнивать процессоры одной архитектуры.

Одновременная многопоточность, Hyper-Threading

Стандартный суперскалярный конвейер ядра выполняет команды одного потока за один такт. Технология одновременной многопоточности (англ. simultaneous multithreading) предусматривает одновременное выполнение команд разных потоков за один цикл работы процессора.

Суть одновременной многопоточности заключается в создании в ядре двух каналов декодирования и подготовки данных: на каждый поток выделяются собственные компоненты физического ядра (например, набор регистров). Но исполнительные блоки (ALU, FPU), кеш-память и шина обмена с оперативной памятью остаются общими и обслуживают конкурирующие потоки.

Hyper-Threading (HT) — вариант реализации одновременной многопоточности. Эта фирменная технология Intel предусматривает создание из одного физического ядра два «логических» (виртуальных) ядра, позволяя ядру одновременно выполнять команды двух разных потоков. Hyper-Threading ускоряет выполнение хорошо распараллеленых программ и улучшает использование ресурсов процессора.

Как работает Hyper-Threading; аппаратные потоки

Исполнительные блоки ядра простаивают из-за «ступоров» конвейера в результате ошибочного предсказания перехода, ожидания выполнения цепей взаимосвязанных команд, или если функциональные блоки не успевают получить из памяти и передать исполнительным блокам достаточное количество команд и связанных с ними данных. Intel решает эту проблему, физически продублировав на кристалле некоторые блоки ядра (контроллер прерываний, некоторые буферы, наборы регистров). В итоге два виртуальных ядра сохраняют свое состояние независимо друг от друга и способны поставлять свободным вычислительным блокам больше команд и данных.

Hyper-Threading позволяет двум потокам выполняться на одном ядре одновременно, используя доступные в данный момент части конвейера и группируя команды разных потоков для их выполнения одним исполнительным блоком. Технология создает дополнительный путь для прохода через конвейер альтернативного потока, в том числе когда конвейер простаивает в ожидании данных для выполнения другого потока.

Схема работы ядра процессора с Hyper-Threading
Схема выполнения потоков ядром с технологией Hyper-Threading

Термин «потоки» в применении к гиперпоточности процессорных ядер Intel (Hyper-Threading) вводит в заблуждение, но означает исключительно возможность одновременной обработки двух потоков команд. Никаких аппаратных (физических) раздельных потоков внутри процессорных ядер нет. Хоть двухъядерный процессор с HT воспринимается в операционной системе как четырехъядерный, логические ядра не существуют: есть только одно физическое ядро с избыточным набором некоторых функциональных блоков, способных уменьшить простои других функциональных блоков за счет оптимизированного выполнения команд.

Hyper-Threading ускоряет работу программ, но не с такой же эффективностью, когда для выполнения потоков задействованы реальные физические ядра. Это происходит из-за того, что фактически потоки команд выполняются одним ядром, технология просто обеспечивает выполнение другого потока команд, когда исполнение текущего потока временно приостановлено (самый частый случай: ожидаются данные из памяти). В большом наборе современных программ Hyper-Threading в двухъядерных процессорах дает прирост производительности примерно 15%.

Автоматический разгон, Turbo Boost / Precision Boost

Автоматический разгон процессора означает увеличение частоты одного, нескольких или всех ядер процессора выше базовой частоты. Позволяет увеличить скорость выполнения однопоточных приложений.

Технология Intel Turbo Boost предусматривает динамическое отключение ядер с одновременным увеличением частоты других ядер при условии, что целевые показатели напряжения и температуры не будут превышены. В предельном случае включено только одно ядро и оно достигает максимальной тактовой частоты. Параметры частоты Turbo Boost для настольных i5.

В чипах Atom Intel применяет Turbo Burst — технологию кратковременного увеличения частоты ядер по запросу программ.

Аналог Turbo Boost у процессоров AMD — Precision Boost.

Как оценить производительность процессора

Судить о производительности разных процессоров нужно только путем их тестирования в интересующих пользователя программах. Эффективность ЦП зависит от совокупности характеристик: микроархитектуры, количества ядер/потоков, тактовой частоты ядра, размеров кеш-памяти разных уровней, частоты и пропускной способности системной шины, вида/характеристик оперативной памяти, с которой работает ЦП.

Если же рассматривать процессоры одной архитектуры, то основным мерилом уровня производительности остается тактовая частота одного ядра. Второй по значению фактор: количество физических ядер. Третий по значимости фактор: поддержка процессором одного из видов одновременной многопоточности.

Загрузка «ядер» в диспетчере задач Windows не отражает реальной картины

Представим, что одна однопоточная программа сильно нагружает физическое ядро (логическое ядро 0), практически не оставляя ресурсов для выполнения низкоприоритетного потока на «гиперпоточном» логическом ядре 1. Поскольку диспетчер задач показывает нагрузку, поделенную на логические ядра, он отобразит, что процессор загружен на 50%, хотя на самом деле вычислительные ресурсы физического ядра загружены почти на 100%.

Так происходит потому, что стандартные инструменты измерения загрузки не могут оценить эффект совместного использования ресурсов ядра разными потоками, измерить простои ядра и количество доступных вычислительных блоков. Этим занимается сам процессор, в таких вычислениях и распределении нагрузки собственно и заключается суть технологиии HT и принцип работы процессора. Если ваша любимая игра нагружает 8 виртуальных ядер Core i7 на 50%, будьте уверены — все четыре физических ядра работают в полную силу.

Микросхемы (процессор, память) производство и техпроцесс

Интегральная схема, или микросхема (чип), — набор электрически связанных компонентов, изготовленных на общей полупроводниковой основе (подложке). Центральный процессор, графический процессор (ГП), компьютерная память (ОЗУ, видеоОЗУ, флеш-память) — это микросхемы.

Как делают процессорные чипы

Процессор производится по технологии фотолитографии: элементы микросхемы наносятся в несколько слоев на тонкие кремниевые пластины диаметром 300 мм.

Технология производства процессорного кристалла методом литографии на кремниевой подложке
Технология производства процессорного кристалла методом литографии на кремниевой подложке

Затем эти подложки разрезаются на отдельные полупроводниковые кристаллы, чипы процессора. Каждый кристалл заключается в корпус: соединяется с теплораспределительной металлической крышкой и основанием. Получается процессор, готовый к продаже.

Кремниевая пластина с процессорными кристаллами
Кремниевая пластина с процессорными кристаллами

Технологический процесс производства чипов

Базовый электронный компонент микросхемы и основной ее строительный элемент — транзистор. В зависимости от технологических норм производства транзисторов (техпроцесса фотолитографии) меняются их физические размеры.

Технологический процесс выражается в нанометрах (нм). 1 нм — миллиардная часть метра.

Начиная с 2000 г., микросхемы изготавливались по техпроцессам 130, 90, 65, 45/40, 32/28 нм. Современные техпроцессы — 22/20, 16/14 нм. Перспективная технологическая норма на 2016-17 гг. — 10 нм. «Утоньшение» техпроцесса и сокращение размера элементов чипа уменьшает его энергопотребление и выделяемое тепло. После смены техпроцесса производителю легче создать новую архитектуру: расположить на плате новые элементы, улучшить логику их работы.

Технологические процессы производства графических процессоров Radeon (ATI, AMD)
Технологические процессы производства графических процессоров Radeon (ATI, AMD)

Корпус процессора и сокет

Современные процессоры делаются в основном в корпусах BGA, PGA и LGA. BGA припаиваются к печатной плате, поэтому поставляются в составе готовых компьютерных систем (платформы для сборки, мобильные ПК). LGA и PGA — «традиционные» процессоры с контактной площадкой и штырьковыми контактами соответственно, которые пользователь может купить и установить в сокет самостоятельно. Сокет — разъем на материнской плате для установки процессора определенного типа. Процессоры в корпусах LGA и PGA еще называют сокетными.

Энергопотребление/тепловыделение, TDP/SDP, тротлинг

TDP (тепловая мощность, тепловой пакет) — расчетное тепловыделение. Энергия, рассеиваемая при максимальной нагрузке процессора на базовой частоте в тестовых программах на выбор Intel. Обычные значения — от 2 до 100 Вт. Этот параметр не отражает реальное энергопотребление процессора, а лишь определяет требования к системе охлаждения. На практике энергопотребление у всех чипов разное, оно не совпадает с TDP.

SDP — сценарный уровень тепловыделения. Выделение тепла в стандартном режиме использования процессора в типичных задачах.

Тротлинг

Тротлинг — это пропуск тактов или приостановка выполнения команд с целью снизить тепловыделение чипа. Может активироваться как после достижения заданной температуры, так и при достижении определенного уровня энергопотребления.

Tcase Max — максимальная температура корпуса процессора.
Tjunction Max, TJMax — максимальная рабочая температура полупроводникового кристалла, поверхности процессора. При ее достижении процессор автоматически отключается от питания. Тротлинг активизируется приблизительно за 5 градусов до TjMax.




© Издание M-PC.net, 2016–2018. Адрес: 129344, г. Москва, ул. Искры, д. 31, корп. 1. Телефон: +7 (495) 199-18-71. Электронная почта: info@m-pc.net.