Jak działa procesor? Bajtek tłumaczy i wyjaśnia

Cześć, jestem Bajtek i lubię sprawdzać, jak działają różne rzeczy, wiedzieć z czego są zbudowane. Przyjrzałem się więc procesorowi, który zarządza dziś komputerami, smartfonami, nawet telewizorami. Chcesz wiedzieć skąd bierze się jego moc i możliwości? Chodź, opowiem Ci, jak działa procesor.

Czym jest procesor? Definicja CPU

Procesor, nazywany także układem scalonym, jest sekwencyjnym urządzeniem cyfrowym, które wykonuje ciągi operacji matematyczno-logicznych ze zbioru operacji podstawowych. W trakcie pracy pobiera on ciągi instrukcji z pamięci operacyjnej RAM, rozumiejąc je jako rozkazy. Wspomniane ciągi instrukcji są programem. Rozkazy są z kolei kodami zapisanymi w jednym lub w kilku bajtach (szkoda, że nie w bajtkach 😉).

Brzmi skomplikowanie, prawda? Na szczęście do korzystania z możliwości procesora nie musimy znać jego definicji. CPU działa sobie dyskretnie w tle, a ja i Ty możemy pisać na klawiaturze komputera, oglądać wideo, grać, rozmawiać na odległość – słowem robić to wszystko, co akurat przyszło nam robić przy komputerze. Albo na co mamy akurat ochotę.

Pozostając przy wiedzy encyklopedycznej, rozwinąłem skrót CPU (bo tak też nazywa się procesor). Oznacza on Central Processing Unit i w mojej skromnej opinii bezbłędnie opisuje cel istnienia procesora, będącego centralnym punktem każdego komputera, serwera, smartfona, inteligentnego zegarka, telewizora i wielu innych urządzeń smart.

Podsumowując nazewnictwo – nasza jednostka centralna może występować pod imieniem: procesor, CPU, bądź układ scalony.

Za jakie działania odpowiada procesor?

Krótko mówiąc – za wszystkie. Nie ma operacji, która odbywałaby się bez udziału procesora. On odpowiada za uruchomienie systemu operacyjnego, on steruje jego działaniem, on umożliwia pracę wszystkim funkcjom, modułom, programom i aplikacjom, on jest też punktem wyjścia dla gier. Bo nie wiem, czy wiesz, ale wiele elementów map obsługiwanych jest właśnie przez procesor, a nie przez kartę graficzną. Tak się dzieje np. w przypadku trybun oglądanych w FIFIE albo w teksturach miast odwiedzanych przez Geralta w Wiedźminie lub skrytobójców z gry Assassin’s Creed.

Każde wciśnięcie klawisza na klawiaturze i każdy ruch myszy przechodzi przez procesor. Tam jest identyfikowany, analizowany, przypisywany do konkretnej czynności – w danym programie, w danym procesie itd. Impulsy elektryczne mkną przez kolejne obwody, docierając do płyty głównej, docierają do pamięci operacyjnej, stamtąd do procesora i z powrotem do miejsc wyjściowych.

Podobnie rzecz się ma w ludzkim organizmie, prawda? Nie ma czynności, która odbyła by się bez wiedzy i bez udziału mózgu, choć my tego nie czujemy. Nie da się poruszyć ręką, nogą okiem, ani językiem bez korzystania z mózgu.

Nie sposób policzyć, ile takich operacji spływa do procesora w każdej sekundzie. Na finalny wynik ma przecież wpływ aktualne obciążenie CPU, czyli suma tego, co robią właśnie wszystkie programy oraz wszystkie podłączone urządzenia razem wzięte. Faktem jest, że współczesny procesor komputerowy może przyjąć miliardy operacji w sekundzie. Teraz pomnóż te sekundy przez czas spędzony przy komputerze i osiągamy liczby, jakich ja nie potrafię nawet nazwać.

Teraz pokażę Ci ciąg operacji wykonywanych przez procesor:

  • Pobranie rozkazu z pamięci programu
  • Dekodowanie rozkazu, odczyt rejestrów
  • Wykonanie rozkazu
  • Pobranie argumentów z pamięci danych
  • Zapisanie wyniku operacji w pamięci

Co ważne, od chwili przyjęcia informacji, przez jej zrozumienie, aż po reakcję widzianą i odczuwaną przez użytkownika mijają tysięczne części sekundy – a może i mniej. Naturalnie ta szybkość zależy od mocy obliczeniowej CPU, a ta wynika z:

  • Architektury procesora
  • Liczby rdzeni
  • Częstotliwości taktowania
  • Ilości pamięci podręcznej

Gdyby podstawowe taktowanie rdzeni (do tego tematu jeszcze wrócę) okazało się niewystarczające, procesor może przejść w tryb turbo (zwany fachowo Boost). Dotyczy to szczególnie procesorów komputerowych. Tylko skąd procesor wie, że potrzebna jest mu większa moc?

Za monitorowanie obciążenia odpowiadają specjalne programy nazywane algorytmami. Porównują stronę A do strony B – moc do zapotrzebowania. Kiedy strona B bierze górę, algorytm samoczynnie zwiększa częstotliwość taktowania zegarów na rdzeniu do określonego wyniku wyrażonego w GHz (gigaherce). Gdy okazuje się, że zegary mogą już zwolnić, algorytmy przywracają niższe taktowanie.

Konkretna wartość GHz (bazowa i Boost) przypisana jest do poszczególnych serii i generacji procesorów. Inne taktowania ma jednostka i5, inne i3, jeszcze inne Ryzen 3 albo Ryzen 7. Szczegółowe informacje znajdują się zawsze w opisie produktu i tam też je znajdowałem. Technologia Boost jest z resztą wykorzystywana w procesorach smartfonowych, szczególnie tych montowanych we flagowcach.

Dowiedz się też:

Jak zbudowany jest procesor?

O, to jest bardzo ciekawe! Okazuje się bowiem, że podstawą i zarazem sercem CPU jest monokryształ krzemu. Dlaczego akurat monokryształ? Ponieważ każdy procesor składa się z jednego, w dodatku jednolitego fragmentu wafla krzemowego. Dość zabawne nazewnictwo, ale dla ułatwienia możesz użyć też terminu płatek lub podobnego, który przywodzi na myśl coś niezwykle cienkiego. Co ważne, wycięty z wafla krzemowego procesor ma zaledwie 1 mm grubości i powierzchnię 1 cm2! Z powodzeniem zmieści się na paznokciu osoby dorosłej.

Do krzemu dodawane są następnie domieszki tworzące warstwę półprzewodnikową. Na nią nanoszona później jest sieć tranzystorów techniką litografii. Im numeracja litografii, tym wyższa wydajność oraz sprawność energetyczna CPU (zużywa mniej energii). Procesory montowane w smartfonach wykonywane są dziś w litografii 7 nm. Między tranzystorami przebiegają połączenia z miedzi lub aluminium.

Tranzystory okazały się być podstawowymi elementami budowy procesora. Ponieważ są przełącznikami elektronicznymi, mogą blokować lub zezwalać na przepływ prądu. Mylisz się, jeśli myślisz sobie teraz, że tranzystory są jednolite. Nic z tych rzeczy, dowiedziałem się, że składają się z 2 rodzajów półprzewodników: negatywnych i pozytywnych. Poza tym wyróżnia się 2 rodzaje tranzystorów: bipolarne oraz unipolarne. Jak udało mi się ustalić nie jest to koniec wiadomości o tranzystorach, po więcej odsyłam do literatury fachowej, np. do książki Urządzenia techniki komputerowej autorstwa Krzysztofa Wojtuszkiewicza.

Mamy zatem gotową płytkę procesora. Ona ląduje w obudowie, która chroni wrażliwy podzespół przed czynnikami zewnętrznymi, zanieczyszczeniami oraz uszkodzeniem. Z niej wystaje coś w rodzaju nóżek (złotych, bądź platynowych) – są to drogi komunikacji z płytą główną każdego urządzenia. Przez te nóżki płynie prąd, będący nośnikiem informacji.

Jak schłodzić procesor komputera

Sam procesor dzieli się natomiast na jednostkę sterującą oraz wykonawczą. Jak nietrudno się domyślić, pełnią własne, wyspecjalizowane role i tak jednostka wykonawcza przetwarza informacje – czyli wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne. Rodzaj wykonywanych operacji zależy z kolei od sygnałów wysyłanych przed jednostkę sterującą.

Na tym poprzestanę. Oczywiście to, co do tej pory napisałem o procesorze, nie wyczerpuje tematu jego budowy. Jest ona dużo bardziej złożona i każdą z jednostek da się rozłożyć na części pierwsze, czyli:

  • Układ sterowania i synchronizacji
  • Arytrometr
  • Rejestry
  • Pamięć podręczną cache
  • Koprocesor matematyczny
  • Wewnętrzne szyny

Kolejne poszukiwania doprowadziły mnie do informacji na temat wspomnianych wyżej nóżek. Ku memu zaskoczeniu nie jednakowe. Istnieją na przykład nóżki PGA, dzielące się na kilka podtypów:

  • PPGA – z osłoną plastikową
  • CPGA – z ceramiczną osłoną
  • FC-PGA – z rdzeniem przeniesionym w górną część obudowy
  • FC-PGA2 – z rdzeniem osłoniętym dodatkowo metalową blaszką

Oprócz nich funkcjonują podstawki LGA – tu nóżki zastąpiono pozłacanymi polami stykowymi.

Jakby tego było mało rodzaj obudowy wpływa na obsługę konkretnych modeli pamięci RAM albo możliwość korzystania z wybranych złączy PCIe. Zależności jest zatem wiele, a powinni się na nich znać ci wszyscy, którzy samodzielnie składają komputery. W przeciwnym razie komponenty nie będą ze sobą współpracować lub nie pokażą na co naprawdę je stać. To trochę tak, jakby założyć zbyt małe koła do samochodu. Niby pojedzie, ale czy to będzie satysfakcjonująca jazda? Wątpię.

Po co są rdzenie i czym są wątki?

Kiedyś jeden procesor posiadał jeden rdzeń i to go niestety ograniczało. CPU mógł osiągnąć określoną wydajność, a potem, cóż, potrzebowałby tak dużo energii, że przy komputerze musiałaby stać miniaturowa elektrownia. W środku instalowano by także zbiorniki z ciekłym azotem, żeby nasz układ scalony nie przegrzał się i nie dokonał żywota.

Próbowano wprawdzie łączyć komputery między sobą po kilka sztuk za pomocą szybkich sieci wymiany danych, ale to generowało koszty. Rdzeń jest bardzo ważny, to w nim zachodzą wszystkie obliczenia, on stanowi centrum dowodzenia CPU. Wydajność jednordzeniowych procesorów zwiększano poprzez podnoszenie częstotliwości taktowania podawanej w hercach.

Patentem na zwiększenie mocy CPU bez radykalnego zwiększania zużycia energii i bez przegrzewania jednostki okazało się zwiększenie liczebności rdzeni zapoczątkowane przez firmę Intel. Wprowadzenie technologii Hyper-Threading (wielowątkowości) umożliwiło jednoczesne prowadzenie obliczeń przez każdy z rdzeni. W toku technologicznej ewolucji zaczęły się pojawiać procesory dwu-, trzy-, cztero-, sześcio-, ośmio-, dwunasto-, szesnastordzeniowe, a nawet i takie, które mogą się poszczycić jeszcze wyższymi liczbami. I nie wiem czy wiesz, ale układ scalony Intel Polaris ma aż 80 rdzeni?

Innymi słowy – im więcej rdzeni ma procesor, tym więcej pracy wykona w tym samym czasie.

Jak się do tego mają wątki? Czy procesor, który ma 4 rdzenie i 4 wątki jest słabszy od tego, który ma 4 rdzenie i 8 wątków? Nie będzie słabszy, wykona za to mniej pracy. Już tłumaczę dlaczego tak się dzieje.

Wyobraź sobie, że każdy rdzeń procesora jest budynkiem, np. urzędem. Mamy więc 4-częściowy kompleks:

  • Wariant 4-wątkowy – każdy budynek ma 1 wejście (wątek),
  • Wariant 8-wątkowy – każdy budynek ma 2 wejścia.

Wejściami wchodzą ludzie, czyli nasze dane. W wariancie 8-wątkowym budynek (nasz rdzeń) może wybierać, którym wejściem wpuści ludzi w danej chwili i będzie to robił naprzemiennie, żeby przyjąć więcej interesantów. Procesor priorytetyzuje jednocześnie dane i realizuje w danej chwili te, które jego zdaniem są ważniejsze.

Wariant 4-wątkowy nie ma takiej możliwości. Przyjmuje petentów wchodzących jedynym możliwym strumieniem. Dodatkowo, żeby przyjąć drugą turę danych, procesor 4-wątkowy będzie musiał powtórzyć cały cykl z wykorzystaniem swoich jedynych drzwi.

Więcej wiedzy o procesorach, w szczególności o pamięci cache i taktowaniach znajdziesz w poradniku:

Po co odblokowany mnożnik?

Podkręcanie wydajności procesora to zajęcie dla zaawansowanych użytkowników. Kogoś, kto wie o ile można zmienić częstotliwości taktowania zegarów, a także jak bardzo powinno się w ślad zza tym zmieniać napięcie procesora. Przedtem trzeba pamiętać o zamontowaniu odpowiednio wydajnego chłodzenia na procesorze – powietrznego albo wodnego. Podkręcony CPU dużo bardziej się nagrzewa i wydziela więcej ciepła. Ono musi być szybko odprowadzone, w przeciwnym razie procesor przegrzeje się i zakończy swój żywot.

Odblokowany mnożnik jest właśnie po to, aby dało się podkręcać procesory. W takich modelach producenci nie zamykają górnej granicy wydajności CPU, lecz umożliwiają osiąganie wyższych częstotliwości. Przypomina to nieco tuningowanie samochodów, które przy zachowaniu tej samej pojemności silnika mają więcej mocy do jazdy. Overclocking – bo tak nazywa się podkręcanie CPU – jest zatem formą tuningu PC.

Jak rozpoznać, że dany procesor nadaje się do podkręcania? Koniecznie zajrzyj do specyfikacji technicznej. Tam, w polu: odblokowany mnożnik znajduje się informacja tak lub nie.

Czy procesor zawsze ma zintegrowany układ graficzny?

Niestety nie każdy procesor ma zintegrowany układ graficzny. Informacji na ten temat należy szukać na karcie produktu w polu Zintegrowany układ graficzny. A co to oznacza dla mnie, jako właściciela komputera? Przede wszystkim konieczność zakupu dedykowanej karty graficznej. Bez niej komputer zwyczajnie się nie uruchomi, bo nie będzie komponentu odpowiedzialnego za przetwarzanie obrazu.

Natomiast CPU ze zintegrowanym układem graficznym ma dodatkowy moduł sterujący obrazem. Dzięki niemu na ekranie komputera widzę interfejsy aplikacji, zawartość przeglądarki, jak również animacje trybun w FIFIE, o czym pisałem powyżej.

W procesorach firmy Intel występują obecnie układy Intel UHD Graphics 630, natomiast AMD stosuje Radeon RX Vega 11. Ich wydajność pozwala zagrać w wiele gier, może nie na najwyższych ustawieniach, ale zawsze. Do gamingu z wysokim współczynnikiem fps potrzeba jednak czegoś mocniejszego – osobnej karty graficznej.