Co je CPU? CPU nebo Centrální procesorová jednotkaje mozek počítače, který se šíří čísly. Všechno, co počítač dělá, od hraní videohry po pomoc při psaní eseje, je rozděleno do sady matematických pokynů. CPU tyto pokyny vezme a provede je.
Podrobnosti o tom, jak se to dělá, jsou samozřejmě mnohem komplikovanější než jednoduché vysvětlení. Nejdůležitější věc, kterou potřebujete vědět, je to, že CPU je hlavní matematický motor počítače.
(Extrémně) krátká historie procesorů
Historie práce na počítači je dlouhá a složitá. Vrací se také zpět do historie než digitální technologie, elektronika nebo dokonce elektřina. Počitadlo je druh procesoru. Stejně tak mechanické kalkulačky. Velký rozdíl je v tom, že tyto stroje dokážou provádět pouze jeden nebo několik matematických úkolů. Nejedná se o univerzálníprocesory, kterých je moderní procesor příkladem.
To, co dělá z CPU univerzální výpočetní zařízení, je použití logiky. V roce 1903 Nikola Tesla patentoval elektrické obvody známé jako brány a vypínače. Pomocí těchto obvodů byste mohli vytvořit zařízení, která provádějí logické operace, kde byste mohli nechat stroj za určitých podmínek jednat.
V polovině 40. až 40. let 20. století William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain vynalezli a patentovali zařízení nazývané tranzistor, zatímco pracovali v Bell Laboratories. Tranzistor je základní stavební blok CPU. Tranzistory jsou relativně malé počítačové komponenty. Tranzistor je tak důležitým vynálezem, že za něj tři vynálezci získali Nobelovu cenu.
Na konci 50. let šli Robert Noyce a Jack Kilby o jeden velký krok dále a vytvořili první funkční integrovaný obvod. Integrovaný obvod je sada elektronických obvodů integrovaných do jednoho kusu polovodičového materiálu. Ve většině případů je tímto materiálem křemík. To lidé myslí, když říkají „mikročip“.
In_content_1 vše: [300x250] / dfp: [640x360]->CPU se skládá z jednoho nebo více mikročipů. Toto je důležitý vynález, protože miliardy tranzistorů mohou být zabaleny do jediného CPU. To vytváří neuvěřitelně výkonné matematické motory.
Díky vynálezům logických bran, tranzistorů a integrovaných obvodů se celý svět změnil. Mikročipy jsou dnes ve všem, nejen ve vašem počítači. A CPU jsou nejpokročilejší univerzální mikročipy, které dokážeme vyrobit.
Jak fungují CPU?
Celý princip CPU je založen na binárním kódu. Lidské bytosti mají tendenci reprezentovat čísla pomocí systému zvaného base 10nebo desetinného systému. Hodnoty míst každé číslice v čísle vzrůstají desetkrát. Takže „111“ obsahuje sto, deset a jeden.
Počítače a jejich procesory vůbec nerozumí základní 10. Tranzistory pracují na principu zapnutí nebo vypnutí. Což znamená, že logické brány, které z nich stavíte, mohou také fungovat pouze s těmito dvěma stavy. To je důvod, proč jsou CPU v zásadě provozovány na binárním kódu. Tento systém čísel má různé hodnoty míst. Místo toho, pokud 1, 10, 100, 1000 atd., Jsou hodnoty místa 1,2,4,8,16,32,64,128 a tak dále.
Takže v binárním čísle „111“ bude 7 v desetinných číslech, protože přidáte 1,2 a 4 dohromady. Pokud je některá z čísel nula, jednoduše ji přeskočíte a přidáte hodnotu místa dalšího 1. Tímto způsobem můžete vyjádřit libovolnou desetinnou hodnotu. Jen si uvědomte, že binární čísla se často čtou zprava doleva, takže hodnota místa „1“ bude zcela vpravo.
Vidíte, proč se přidává k číslu 7 v desítkové soustavě? Udělejme číslo 23:
Takže 111 je „7“, ale „11101“ je 23, protože páté místo v binárním formátu je 16. Docela v pohodě, že? Můžete vyjádřit jakékoli možné číslo, které lze tímto způsobem napsat v desetinné podobě. Což znamená, že počítače postavené z tranzistorů mohou pracovat také s libovolnými čísly.
Jak se vyrábějí procesory?
Proces výroby moderních procesorů je také, jak byste očekávali, docela složitý . Základní proces zahrnuje pěstování velkých válců z křemíkového krystalu. Díky svým polovodičovým vlastnostem je ideální pro stavbu binárního integrovaného obvodu.
Tyto velké krystaly jsou nakrájeny na tenké oplatky. Oplatky jsou pak „dopovány“ jinou chemikálií, aby se doladily její vlastnosti. Obvody v nanoúrovni se pak leptají na povrch oplatky pomocí světla pomocí procesu známého jako fotolitografie.
Návrh a výkon CPU
CPU nejsou všechny se vyrovnal. První správný předek moderního procesoru, Intel 8086, měl ve svém integrovaném obvodu asi 29 000 tranzistorů. Dnes má procesor jako Intel i99900K něco přes 1,7 miliardytranzistorů. Čím hustší jsou logické obvody CPU, tím složitější a vyšší počet instrukcí může provádět za cyklus hodin.
Počkejte, „hodinový cyklus“? Ano, to je další hlavní součást výkonu procesoru. CPU běží na konkrétní frekvenci, s každým impulzem CPU hodin se provádí cyklus výpočtů. Pokud vezmete stejný procesor a zdvojnásobíte rychlost hodin, pak by teoreticky mělo fungovat dvakrát rychleji.
Když byl Intel 8086 v roce 1978 spuštěn, při spuštění byl spuštěn na 5 MHz. To je pět milionů hodinových cyklů za sekundu. Intel i9-9900K? začínána 3,6 Ghz. To je 3600 Mhz, s možností rampovat věci až do 5 000 Mhz, pokud je to možné.
Chcete-li přidat další výkon do výkonu procesoru, moderní CPU ve skutečnosti obsahují více „jader“. Každé jádro je vlastně nezávislý procesor samotný. V těchto dnech je obvyklé mít alespoň čtyři taková jádra, ale v poslední době je běžnou normou, že běžné počítače mají šest nebo osm jader. Špičkové profesionální počítače mohou mít v oblasti 100 procesorových jader.
Mít více jader znamená, že CPU může provádět více sad instrukcí paralelně. Což znamená, že naše počítače dokáží bez problémů dělat mnoho věcí najednou. Některé procesory mají „multithreaded“ jádra. Tato jádra mohou sama zvládnout dva samostatné úkoly. V procesorech Intel se to označuje jako „hyperthreading “.
Takže celkový výkon procesoru klesá na kombinaci:
Samozřejmě je zde více než tyto čtyři hlavní body. Jsou to však čtyři hlavní důvody pro to, aby procesor fungoval dobře.
Role CPU ve vašem počítači
Poslední věc, kterou musíme pokrýt, je to, úloha, kterou CPU hraje ve vašem počítači. Nakonec to není jediný mikročip s integrovaným obvodem ve vašem počítači. Například GPU (jednotky pro zpracování grafiky) jsou často ještě hustší než tranzistor.
Potřebují vlastní chlazení a napájení, stejně jako paměť. Je to jako malý počítač navíc! Totéž lze říci o čipech, které řídí váš zvuk, přenos USB a pevný disk. Tak proč je CPU speciální? To jsou hlavní důvody:
Stručně řečeno, CPU je nejdůležitější univerzální účel součást výkonu v počítači. Nepovažujte to za samozřejmost!