Устройство процессора: как устроен процессор и как он работает

Процессор — главная микросхема компьютера: она выполняет команды программ. Открыв системный блок, вы увидите под радиатором кулера небольшой квадрат. Внутри него скрыт кристалл кремния размером с ноготь, а на кристалле — миллиарды транзисторов, крошечных переключателей. Каждый из них либо пропускает ток, либо нет. Так рождаются единицы и нули, а из них складываются числа, буквы, картинки и запущенные программы. Ниже — из чего процессор состоит, как выполняется одна команда, что означают частота, ядра, кэш и техпроцесс, чем процессор отличается от видеокарты и что с ним бывает.

Из чего состоит процессор

Снаружи процессор — плоская плата с контактами и металлическая крышка сверху. Крышка называется теплораспределителем: она забирает тепло с маленького кристалла и передаёт кулеру. Под ней лежит кристалл, а на кристалле есть несколько блоков.

Часть	Что делает
Транзисторы	Основа всего: переключатели, из которых собраны все остальные блоки
Ядро	Самостоятельный исполнительный блок: берёт команды, разбирает и выполняет их
Устройство управления	Внутри ядра: выбирает следующую команду и решает, куда что передать
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)	Внутри ядра: складывает, вычитает, сравнивает числа, выполняет логические операции
Регистры	Самые быстрые ячейки прямо в ядре; хранят числа, с которыми ядро работает в эту секунду
Кэш L1, L2, L3	Быстрая память между ядром и оперативной: L1 маленький и самый быстрый, L3 самый большой и общий для ядер
Контроллер памяти	Обменивается данными с оперативной памятью
Встроенная графика	Есть не у всех моделей; выводит изображение без отдельной видеокарты
Контакты	Соединяют процессор с материнской платой через сокет

Ядро можно представить как один работник с рабочим столом. Регистры — то, что лежит у него в руках. Кэш — стол рядом, откуда можно взять инструмент за секунду. Оперативная память — шкаф в соседней комнате: за ним нужно идти. Накопитель — склад в другом здании. Чем ближе данные, тем быстрее работа.

Кэш нужен, потому что процессор считает намного быстрее, чем оперативная память отдаёт данные. Доступ к кэшу первого уровня занимает несколько тактов, а к оперативной памяти — сотни. Без кэша ядро большую часть времени просто ждало бы. Размеры разные: L1 измеряют десятками килобайт на ядро, L2 сотнями килобайт или мегабайтами, L3 — мегабайтами и у мощных моделей десятками мегабайт.

Как процессор вписан в компьютер целиком, показано в статье об устройстве компьютера.

Как процессор выполняет команду

Программа — это длинный список простых команд в машинном коде: «взять число из этой ячейки», «сложить два числа», «сравнить», «перейти в другое место». Ядро выполняет их по цепочке, каждая проходит четыре шага.

1. Выборка. Устройство управления смотрит в счётчик команд — регистр, где записан адрес следующей команды, — и достаёт её из кэша или из оперативной памяти.
2. Расшифровка. Команда — это набор нулей и единиц. Ядро определяет, что она означает: что делать и с какими данными.
3. Выполнение. Нужные числа берут из регистров и передают в АЛУ; оно складывает их, сравнивает или выполняет другую операцию.
4. Запись результата. Итог кладут в регистр или в память, а счётчик команд сдвигается к следующей команде.

Допустим, вы складываете два числа в калькуляторе. Программа читает их, ядро выбирает команду «сложить», АЛУ получает оба числа из регистров, результат записывается обратно и отправляется на экран.

Современное ядро не ждёт, пока команда пройдёт все четыре шага. Оно работает как конвейер на заводе: пока одна команда выполняется, следующая уже расшифровывается, а ещё одна выбирается. Так в каждый момент занято сразу несколько блоков. Кроме того, ядро пытается угадать, куда пойдёт программа на развилке («предсказание переходов»), и заранее выполняет вероятный вариант. При ошибке такую работу приходится выбрасывать, но угадывает ядро правильно очень часто.

Что означают частота, ядра, кэш и техпроцесс

Тактовая частота. Внутри процессора есть генератор, который задаёт ритм: одна операция блока выполняется за один такт или за несколько. Частота показывает число тактов в секунду. 1 ГГц — это миллиард тактов в секунду. Современные процессоры работают на частотах в несколько гигагерц. Но частота — не единственная мера скорости: ядра разной конструкции за один такт делают разное количество работы.

Ядра. Каждое ядро выполняет свою цепочку команд независимо. Четыре ядра могут вести четыре программы одновременно или делить между собой одну большую задачу, если она разбивается на части. Многие задачи не делятся: тогда лишние ядра простаивают, и решает скорость одного ядра. Как понять, сколько ядер нужно вам, объясняет статья о том, как выбрать процессор.

Потоки. Некоторые ядра умеют вести сразу два потока команд, и система видит каждое такое ядро как два. Ядро занимает блоки, которые иначе простаивали бы, но скорость от этого не удваивается.

Кэш. Чем его больше и чем лучше он работает, тем реже ядру приходится ждать оперативную память. Особенно это заметно в играх и программах с большим объёмом данных.

Техпроцесс. Его называют в нанометрах: 7 нм, 5 нм и так далее. Раньше число означало размер деталей транзистора, а сегодня это скорее маркетинговое название поколения технологии, а не точный размер. Меньший техпроцесс обычно значит, что на той же площади помещается больше транзисторов и что они тратят меньше энергии. Но сравнивать процессоры разных производителей только по нанометрам нельзя.

Чем процессор отличается от похожего

Процессор и видеокарта. Ядер у процессора немного, но каждое умное и умеет выполнять сложные последовательности команд. У видеокарты вычислительных блоков тысячи, но они простые и работают одновременно над однотипными данными, например над миллионами пикселей. Процессор — универсал, видеокарта — специалист по параллельной работе. Что нужно, чтобы выбрать видеокарту, описано в отдельном материале.

Процессор и оперативная память. Процессор обрабатывает, память хранит то, с чем он работает прямо сейчас. Между ними идёт постоянный обмен, и скорость памяти влияет на скорость всего компьютера. Про оперативную память подробнее в статье как выбрать оперативную память.

x86 и ARM. Это два разных набора команд, то есть два «языка», на которых процессор понимает программы. x86 используют Intel и AMD в компьютерах и ноутбуках, ARM — в большинстве смартфонов и во многих новых ноутбуках. Программа, собранная под один язык, без перевода на другом не запустится.

Процессор и системный блок. Иногда весь корпус называют процессором. Это ошибка: процессор — одна небольшая деталь внутри системного блока.

Интересные факты

• Первый процессор был крошечным. Первым коммерческим микропроцессором считают Intel 4004, выпущенный в 1971 году. В нём было порядка 2300 транзисторов, у современных — многие миллиарды.
• Кристалл меньше крышки. Крышка нужна и для защиты хрупкого кремния, и чтобы распределить тепло с маленькой площади на большую поверхность кулера.
• Почему процессор замедляется сам. При перегреве он сбрасывает частоту, чтобы не повредиться. Это называется троттлингом. Компьютер начинает тормозить, хотя дело только в охлаждении.
• Про ноль и единицу. Транзистор различает всего два состояния, но их достаточно: например, число 5 записывается как 101, а буква и цвет точки — тоже набором нулей и единиц.

Почему процессор выходит из строя и на что смотреть

Сам процессор ломается редко. Чаще виноваты окружающие детали.

• Перегрев. Пыль забила радиатор, кулер остановился, засохла термопаста. Признаки: шум вентиляторов на полную мощность, падение скорости, внезапные выключения компьютера. Чистка от пыли и замена термопасты — самые частые и самые полезные меры.
• Неправильная установка. Погнутые контакты (у одних процессоров они в разъёме материнской платы, у других — ножки на самом процессоре) и плохо прижатый кулер. Ставить процессор нужно без силы, точно по ключу в углу.
• Проблемы питания. Материнская плата и блок питания дают процессору ток; у слабых или изношенных компонентов процессор зависает под нагрузкой.
• Разгон без охлаждения. Повышенная частота и напряжение сильно греют кристалл, а износ ускоряется.
• Компьютер не включается вовсе. Причин много, и процессор среди них далеко не первая. Диагностика лучше обходится без замены деталей наугад.

Если под нагрузкой компьютер тормозит, перезагружается или выключается, начните с проверки температур программой мониторинга. Узнать модель своего процессора можно, следуя статье о том, как узнать характеристики компьютера. Замена процессора и диагностика материнской платы требуют опыта: неверное движение при установке может повредить контакты.