Procesory

Funkce

• procesor je výpočetní srdce počítače
• v počítači je však procesorů běžně více (disky, GPU, řadiče)
  • podřazeny hlavnímu CPU (central processing unit)

Princip

• všechny procesory dnes vycházejí z teoretického modelu Alana Turinga - Turingův stroj
  • nekonečná páska, vstupně-výstupní hlava, tabulka akcí
  • přečte se hodnota, vyhledá se v tabulce akcí, vykoná se, opakuje se
• dnešní procesory
  • většinou vychází z Von Neumannovy architektury - paměť je dohromady pro programy i pro data
  • instrukce
    • zadrátovaná posloupnost operací, kterou procesor vykonává
    • v dnešní době velké procesory své instrukce obvykle interně rozdělují do více jednodušších instrukcí
  • vnitřní paměť procesoru - registry
    • stejně rychlé jako procesor, je jich hodně málo
    • registr instruction pointer - ukazuje někam do paměti, odtamtud se čtou instrukce a vykonávají se
      • IP se po skončení instrukce změní (zvětší se o jedna nebo skočí úplně někam jinam)
  • processing pipeline
    • vykonání instukce je složeno z
      1. načtení instrukce
      2. zpracování
      3. výstupní část
    • není proto často nutné čekat na skončení instrukce, než se začne načítat další v pořadí
    • když je ale proveden jednou instrukcí skok, tak se musí přednačtené instrukce zahodit a načíst nové
      • optimalizace pomocí branch prediction
  • části
    • nezbytné části - ALU, řadič, registry
    • další možné - cache, matematická výpočetní jednotka pro grafiku, řídící procesor procesoru

Parametry

• instrukční sada
  • CISC vs RISC
• šířka slova
  • jak velkou paměť je procesor schopen adresovat a s jak velkými čísly dokáže atomicky pracovat
• rychlost
• TDP (thermal design power) = spotřeba (a tepelný výkon v jednom)
• rozšířené parametry
  • integrovaná grafická jednotka
  • velikost cache a jejich počet
  • socket

Typy procesorů

• děleno dle různých parametrů (např. SoC, desktopový procesor, mikroprocesor)
• dle výrobců
• dle určení
  • MCU (microcontroller unit) - napr. ESP8266, Arduino, apod.
  • CPU (central processing unit) - plnohodnotne stroje (servery, desktopy)
  • GPU (graphical processing unit) - vysoce optimalizovana prace s vektory, obrovsky paralelismus
  • NPU (network processing unit) - optimalizováno na obhospodařovávání síťe (síťové karty)
  • DSP (digital signal processor) - optimalizováno na zpracování digitálních signálů, které procesorem velmi rychle "protékají"
  • SoC (system-on-chip) - chip se vším, co je potřeba (obsahuje CPU, GPU, RAM, NPU a další)

Výroba procesorů

Popsaná výroba procesorů
Animace od Intelu

• monokrystal křemíku -> nasekání na destičky -> pomocí fotocitlivého materiálu vytvořena na povrchu krystalu forma -> odstranění přebytečného materiálu vytvoří cestičky -> obohacení křemíku o stopové prvky aby byly vytvořeny cílené elektrické vlastnosti -> vznik tranzistorů a spojů -> přidělání na destičku, napojení na socket -> kryt -> obchod

Označení procesorů

• Intel
• AMD

Trend vývoje

• Moorův zákon
  • každé dva roky zvýšení počtu tranzistorů 2x
  • spíš už neplatí
    • Intel dříve pracovat v režimu tick tock jednou za rok a půl, teď více optimalizací, méně zmenšování
      • tick zmenšit
      • tock optimalizovat
    • jsme na hraně možností křemíku, menší už to moc nejde
• hledání nového materiálu pro tranzistory
  • např experimentální 1nm tranzistor z uhlíku