Ako sú komponenty CPU umiestnené a spolupracujú na čipe?

Komponenty CPU sú neuveriteľne husto zabalené na jeden čip s použitím komplexného procesu zahŕňajúceho viac vrstiev a sofistikovaných výrobných techník. Nesedia iba vedľa seba; Sú zložito prepojené prostredníctvom siete mikroskopických vodičov a dráh. Tu je zrútenie toho, ako sú usporiadané a spolupracujú:

Kľúčové komponenty a ich prepojenie:

1. jadrá: Toto sú mozgy operácie, ktoré vykonávajú pokyny. Moderné CPU majú zvyčajne viac jadier, pracujú nezávisle alebo spolupracujú na rôznych úlohách. Fyzicky sú blízko seba pri matrici (kremíková oblátka), spojená vysokorýchlostnými prepojeniami.

2. vyrovnávacia pamäť (L1, L2, L3): Rôzne úrovne vyrovnávacej pamäte sú strategicky umiestnené v blízkosti jadier, aby poskytovali extrémne rýchly prístup k často používaným údajom. Vyrovnávacia pamäť L1 je najmenšia a najrýchlejšia, zvyčajne vložená priamo do každého jadra. Vyrovnávacia pamäť L2 je väčšia a zdieľaná jadrami v jednom klastri (často skupina jadier na jednej matrici). Vyrovnávacia pamäť L3 je najväčšia a najpomalšia, často zdieľaná všetkými jadrami na čipe. Hierarchia je navrhnutá tak, aby CPU najskôr skontrolovala L1, potom L2 a nakoniec L3 pred prístupom do hlavnej pamäte (RAM), ktorá je výrazne pomalšia. Fyzická blízkosť jadier je rozhodujúca pre rýchlosť.

3. Inštrukčná jednotka (IFU): Táto jednotka načíta pokyny z pamäte (alebo vyrovnávacej pamäte) a pripravuje ich na vykonanie. Úzko spolupracuje s jadrami a vyrovnávacou pamäťou.

4. Vykonávacie jednotky (aritmetické logické jednotky - alus, jednotky s pohyblivou rádovou čiarkou - FPU): Tieto jednotky vykonávajú skutočné výpočty a logické operácie. Sú integrované priamo do jadier. Viaceré vykonávacie jednotky v jadre umožňujú paralelné spracovanie pokynov (potrubie, superscalar vykonávanie).

5. Riadiaca jednotka: Táto jednotka riadi tok pokynov cez CPU, koordinuje činnosti iných komponentov.

6. registruje: Jedná sa o malé, vysokorýchlostné miesta ukladania v jadre, ktoré uchovávajú údaje, ktoré sa v súčasnosti spracúvajú. Sú mimoriadne rýchle a sú rozhodujúce pre efektívne vykonávanie výučby.

7. Memory Controller: To riadi komunikáciu s RAM (hlavná pamäť). Jeho umiestnenie na CPU (On-Die alebo Off-Die) má vplyv na výkon. Ovládač zapnutia umožňuje rýchlejší prístup k pamäti.

8. prepojenia (autobusy): Toto sú mikroskopické dráhy, ktoré spájajú všetky komponenty na čipe. Sú starostlivo navrhnuté tak, aby zabezpečili efektívny prenos údajov medzi rôznymi jednotkami. Existujú rôzne typy autobusov, ako napríklad tie, ktoré prenáša pokyny, údaje a adresy.

9. Integrovaná grafická spracovateľská jednotka (GPU) (niekedy): Mnoho moderných CPU integruje GPU priamo do čipu, zdieľajú zdroje a zlepšujú výkonnosť grafického spracovania.

Ako to funguje spolu:

Tento proces sa vo všeobecnosti riadi týmito krokmi:

1. Inštrukcia načítať: IFU načíta pokyny z pamäte.

2. Inštrukcia dekóduje: Inštrukcia je dekódovaná na určenie, ktorá operácia je potrebné vykonať.

3. Operand načítať: Požadované údaje (operandy) sa načítajú z registrov alebo vyrovnávacej pamäte.

4. vykonávanie: ALU alebo FPU vykonáva operáciu.

5. Výsledok Storage: Výsledok je uložený v registri.

6. Opakujte: Tento cyklus sa opakuje pre každú inštrukciu.

Výroba:

Proces spojovania týchto komponentov zahŕňa neuveriteľne presnú fotolitografiu, leptanie a depozičné techniky. Na kremíkovej doštičke sa vybuduje viac vrstiev tranzistorov a prepojení, čím sa vytvára trojrozmerná štruktúra. Celý proces je vysoko automatizovaný a vyžaduje mimoriadne čisté prostredie.

Stručne povedané, CPU nie je len zbierka častí, ale vysoko integrovaný systém, v ktorom sú umiestnenie a prepojenie komponentov optimalizované pre rýchlosť a účinnosť. Blízkosť vyrovnávacej pamäte k jadrám, sofistikovanou sieťou prepojenia a schopnosti paralelného spracovania prispievajú k pozoruhodnému výkonu moderných CPU.

• Predchádzajúca strana: Prečo sú CPU a čipset nevyhnutné na prevádzku CMPUTER? 
• Ďalšia strana: Ako sa meria rýchlosť procesora?