Как выглядит процессор внутри компьютера
Look inside — как выглядят процессоры внутри
Процессоры окружают нас повсюду: от смартфонов и умных часов до самолетов и автомобилей. Мы уже привыкли жить в окружении «кремния», но задайте себе вопрос — а вы задумывались, как они выглядят внутри? Конечно, технически все более-менее понятно: ядра, несколько уровней кэша, графика, различные контроллеры — но как это выглядит в реальности? И в этой статье я предлагаю ознакомиться с фотографиями кристаллов различных процессоров, дабы ответить на этот вопрос.
Core i9-9900K — мощный красавец
Да, именно так и выглядит процессор внутри. Четко видны все 8 ядер в центре и кэш L3 между ними, область справа — интегрированная графика: да, вряд ли кто-то будет ее использовать с таким процессором, а занимает она добрую четверть кристалла и серьезно увеличивает его стоимость.
И, наверное, у многих возник вопрос — почему кремниевый процессор светится всеми цветами радуги? Причины тут три. Во-первых, после снятия верхнего слоя кремния металлизированные участки начинают быстро окисляться на воздухе, приобретая различные цвета. Во-вторых, для освещения используется поляризованный свет (грубо говоря, электромагнитная волна колеблется в одном направлении), из-за которого происходит фазовый контраст, то есть участки из разного вещества окрашиваются по-разному. В-третьих, сверху кристалл покрывают слоем иммерсионного масла, которое позволяет захватить больше света и сделать изображение более ярким и четким.
Pentium II с дизайном Flip Chip и Wire Boarding
В P2 с виду ничего необычного не было, просто шаг вперед в сравнении с P1 — техпроцесс колебался от 350 до 180 нм, частота выросла до 450 МГц. Однако внутри было достаточно важное изменение, из-за которого площадь кристалла выросла почти 10%, с 118 до 130 мм2:
Как хорошо видно на снимках — внутренняя структура процессоров не изменилась, техпроцесс тоже одинаков, 250 нм. Но в чем же была разница? А она была снизу: изначально процессоры соединялись с подложкой при помощи проводов — Wire Boarding, но во времени Pentium II стало понятно, что это путь тупиковый, и было решено перейти на Flip Chip, то есть кристаллы теперь имели контактную основой снизу, с помощью которой они теперь крепятся к подложке. Это позволило использовать больше контактов — а, значит, продолжить увеличивать производительность.
Wire Boarding — хорошо видны проводки.
Pentium III — многослойность
Достаточно быстро чипмейкеры поняли, что использовать только один металлизированный рабочий слой в толще кремния — невыгодно, и уже Intel 386 был двухслойным, а Intel Pentium 3 — трехслойным. И дальше дело не пошло, ибо площадь кристалла остается той же, а удвоение слоев удваивает количество создаваемого тепла, которое становилось все сложнее отводить.
Вот так выглядит сбоку трехслойный Pentium III:
Да, как видите, реально меньше 1% от всего кристалла используется на деле, все остальная толща кремния работает как защита и теплоотвод.
AMD R9 Nano — большая разница между CPU и GPU
Все процессоры имеют несколько крупных ядер, которые хорошо видны, к примеру, на первом снимке с Core i9-9900K. Видеокарты же устроены иначе — внутри них множество мелких вычислительных блоков: так, в современных видеокартах от Nvidia может быть тысячи CUDA-ядер.
На фото кристалл видеокарты AMD Radeon R9 Nano:
Сам кристалл имеет 176 текстурных блоков и 64 ROP. Так же хорошо видны четыре золотистых области, в которых чип контактирует с кристаллами HBM-памяти.
Байкал T1 — русский процессор
Процессор интересен не только тем, что он русский, но и еще тем, что он работает на MIPS-архитектуре. Характеристиками он при этом не блещет — 2 ядра с частотой в 1.2 ГГц, 1 МБ кэша L2. Но с учетом тепловыделения всего в 5 Вт его можно использовать в различной мелкой электронике типа роутеров.
Внутри он выглядит немного необычно:
AMD Ryzen Threadripper 1950X — максимум ядер
В своих высокопроизводительных процессорах AMD использует интересную компоновку: это 4 восьмиядерных кристалла на одной подложке, что дает до 32 ядер:
Структура каждого кристалла тоже хорошо просматривается: это 4+4 ядра, ближе всего к ядрам черное вкрапление кэша L1 и L2, и по центру между ними — L3:
Отсюда же и очевидна проблема — время обращения к кэшу L3 другой четверки ядер даже на одном кристалле будет серьезно больше, чем к «своему», а уж на другом кристалле и говорить не приходится.
В итоге, как можно видеть, хотя техпроцесс современных процессоров составляет десятки нанометров, некоторые их структуры все же видны даже невооруженным глазом, также хорошо видна разница между CPU и GPU. К сожалению, далеко не со всеми процессорами проводились такие эксперименты — интересно было бы взглянуть на то, как выглядит внутри, например, 18-ядерный Intel Core i9, но и имеющиеся фотографии отлично показывают всю красоту кремниевых кристаллов.
Как выглядят процессоры внутри — часть №2
Продолжаем смотреть, как выглядят внутри различные процессоры и не только они. Ознакомиться с первой частью можно здесь.
Intel 4004 — первый процессор от Intel
1971 год — именно тогда Intel выпустил свой первый микропроцессор по заказу японской компании Nippon Calculating Machine, занимающейся производством калькуляторов. Особыми характеристиками он не блистал: частота всего до 740 кГц, количество транзисторов было 2300 штук, а ширина шины — всего 4 бита. Сам процессор выглядит внутри достаточно необычно — если вы помните первую часть, то там кристаллы переливались всеми цветами радуги, а тут вполне привычные «металлические» цвета — серый, медный, черный:
Микросхема 3320А — рассматриваем транзисторы
Конечно, этой микросхеме далеко до полноценного процессора — она представляет собой два логических элемента 4И-НЕ. Дабы не вдаваться глубоко в теорию — такие микросхемы в зависимости от наличия или отсутствия напряжения на определенных ножках (то есть 0 или 1) имеют или не имеют напряжение на других ножках (тоже 0 или 1), и с помощью этого можно выполнять простейшие действия. К примеру, таблица истинности для элемента 2И-НЕ выглядит так: 
4И-НЕ означает, что входов 4, а наша микросхема имеет два таких элемента. И, что самое главное, ее техпроцесс — доли миллиметра, то есть можно взглянуть, как выглядят транзисторы, просто задействовав обычную лупу:
Intel Core i9-7980XE — максимум ядер на одном кристалле
Это — топовый процессор для высокопроизводительной платформы от Intel, и он имеет аж 18 полноценных ядер на одном кристалле, размер которого превышает 300 квадратных миллиметров. Для примера — топовый 8-ядерный Core i9-9900K имеет площадь чуть меньше 200 кв мм, и это при том, что у него еще есть интегрированная графика, которой лишен 18-ядерный CPU.
И, в общем-то, фото под микроскопом подтверждают, что ядра занимают всю площадь кристалла:
Cell Broadband Engine — сердце PlayStation 3
Этот процессор имел один блок POWER Processing Element и 8 блоков Synergistic Processing Element, на частоте в 3.2 ГГц конкурировал по производительности с Intel Core 2 Quad, а максимальная рабочая частота могла быть до 5.6 ГГц — современные Intel Core достигают таких частот в лучшем случае под отличной системой водяного охлаждения, в худшем — под жидким азотом.
Увы, лучшая его фотография — только такая:
Но в интернете доступна его схема:
ST Microelectronics OS MLT 04 — сенсор оптической мыши
Да-да, это не совсем процессор и даже не микросхема, это по сути. объединение камеры с процессором:
Снаружи выглядит необычно, не правда ли? Внутри тоже:
Слева в центре, очевидно, сам фотосенсор — в данном случае он имеет разрешение 22 на 22 пикселя: да, этого более чем хватает, ибо такой «камере» нужно всего лишь улавливать движение, и делать это максимально быстро, поэтому число пикселей минимально, а сам процессор интегрирован на схеме справа.
Apple A7 — не верьте маркетинговым техпроцессам
Возьмем, к примеру, процессор Apple A7 — он создавался на заводах Samsung по 28 нм техпроцессу. Теперь посмотрим на его поперечное фото:
10 транзисторов имеют длину в 1138 нм, то есть размеры каждого транзистора. 114 нм?! Да, все именно так — сейчас производители под техпроцессом подразумевают все что угодно, только не длину затвора транзистора: к примеру, с учетом того, что транзисторы в процессорах расположены в 3D, берут площадь кристалла (то есть по сути 2D) и делят на количество транзисторов, получая при этом цифры, в разы меньше реальных размеров транзисторов. Так что когда вам со сцены говорят, что новый процессор выполнен по 7 нм техпроцессу и чуть ли не вдвое «круче» 10 нм — верить этому не стоит.
AMD Fusion — полноценный APU
В свои процессоры Intel уже второй десяток лет встраивает интегрированную графику, и она по сути играет роль эдакой графической «затычки»: интерфейс системы отрисовывает хорошо, даже видео высокой четкости декодирует, но стоит открыть игры или заняться более-менее серьезной обработкой, как сразу становится понятно, что производительность такой графики очень низкая.
AMD же пошли другим путем: ее топовые процессоры в принципе лишены интегрированной графики, зато есть процессоры слабее, которые имеют очень мощную встроенную графику, которая в разы быстрее Intel HD Graphics, и вот на такие процессоры взглянуть уже интересно.
Вот так выглядят внутри AMD Fusion:
Слева видны четыре процессорных ядра, а справа — десяток вычислительных модулей интегрированного видео. При этом, если вы вспомните фото Core i9-9900K из первой части материала, то там интегрированная графика занимала в лучшем случае четверть кристалла, а тут — добрую половину.
Процессор ARM1 — четкая логика
Архитектура ARM быстро, буквально за десяток лет, стала самой популярной в мире, оттеснив x86 на второй план. И это не удивительно — именно на ней работают все портативные устройства и различная электроника. Почему? Потому что изначально это была очень простая архитектура — так, ПО для процессора ARM1, выпущенного в 1985 году, имело всего 808 строк кода, а сам процессор выглядел очень и очень необычно:
Сравните с Intel 4004 — у него внутри, казалось бы, полная неразбериха, а у ARM1 — четко размещенные структуры и минимум пустого кремния. И именно эта простота и экономичность в итоге позволили ARM очень серьезно развиться, в конечном итоге уже посягая на области, где исконно применяются x86 процессоры.
Вот такие получились подборки фотографий — конечно, я показал лишь самые интересные на мой взгляд кремниевые чипы изнутри, и если вы нашли еще красивые или интересные фото внутренностей кристаллов CPU или GPU — делитесь ими в комментариях.
Устройство современного процессора компьютера
Современные процессоры имеют форму небольшого прямоугольника, который представлен в виде пластины из кремния. Сама пластина защищена специальным корпусом из пластмассы или керамики. Под защитой находятся все основные схемы, благодаря им и осуществляется полноценная работа ЦП. Если с внешним видом все предельно просто, то, что касается самой схемы и того, как устроен процессор? Давайте разберем это подробнее.
Как устроен процессор компьютера
В состав ЦП входит небольшое количество различных элементов. Каждый из них выполняет свое действие, происходит передача данных и управления. Обычные пользователи привыкли отличать процессоры по их тактовой частоте, количеству кэш-памяти и ядрам. Но это далеко не все, что обеспечивает надежную и быструю работу. Стоит уделить отдельное внимание каждому компоненту.
Архитектура
Внутренняя конструкция ЦП часто отличается друг от друга, каждому семейству присущ свой набор свойств и функций – это и называется его архитектурой. Пример конструкции процессора вы можете наблюдать на изображении ниже.
Но многие под архитектурой процессора привыкли подразумевать немного другое значение. Если рассматривать ее с точки зрения программирования, то она определяется по его возможности выполнять определенный набор кодов. Если вы покупаете современный CPU, то скорее всего он относится к архитектуре x86.
Основная часть CPU называется ядром, в нем содержатся все необходимые блоки, а также происходит выполнение логических и арифметических задач. Если вы посмотрите на рисунок ниже, то сможете разобрать как выглядит каждый функциональный блок ядра:
Системная шина
По системной шине CPU соединяются устройства входящие в состав ПК. К ней напрямую подключен только он, остальные элементы подсоединяются через разнообразные контроллеры. В самой шине присутствует множество сигнальных линий, через которые происходит передача информации. Каждая линия имеет свой собственный протокол, обеспечивающий связь по контроллерам с остальными подключенными компонентами компьютера. Шина имеет свою частоту, соответственно, чем она выше, тем быстрее совершается обмен информацией между связующими элементами системы.
Кэш-память
Быстродействие ЦП зависит от его возможности максимально быстро выбирать команды и данные из памяти. За счет кэш-памяти сокращается время выполнения операций благодаря тому, что она играет роль временного буфера, обеспечивающего мгновенную передачу данных CPU к ОЗУ или наоборот.
Основной характеристикой кэш-памяти является ее различие по уровням. Если он высокий, значит память более медленная и объемная. Самой скоростной и маленькой считается память первого уровня. Принцип функционирования данного элемента очень прост – CPU считывает из ОЗУ данные и заносит их в кэш любого уровня, удаляя при этом ту информацию, к которой обращались давно. Если процессору нужна будет эта информация еще раз, то он получит ее быстрее благодаря временному буферу.
Сокет (разъем)
Благодаря тому, что процессор имеет собственный разъем (гнездовой или щелевой), вы можете легко заменить его при поломке или модернизировать компьютер. Без наличия сокета ЦП просто бы впаивался в материнскую плату, усложняя последующий ремонт или замену. Стоит обратить внимание – каждый разъем предназначен исключительно для установки определенных процессоров.
Часто пользователи по невнимательности покупают несовместимые процессор и материнскую плату, из-за чего появляются дополнительные проблемы.
Видеоядро
Благодаря внедрению в процессор видеоядра он выполняет роль видеокарты. Конечно, по мощности он с ней не сравнится, но если вы покупаете CPU для несложных задач, то вполне можно обойтись и без графической карточки. Лучше всего встроенное видеоядро показывает себя в недорогих ноутбуках и дешевых настольных компьютерах.
В этой статье мы подробно разобрали из чего состоит процессор, рассказали о роли каждого элемента, его важности и зависимости от других элементов. Надеемся, что эта информация была полезна, и вы узнали новое и интересное для себя из мира CPU.
Помимо этой статьи, на сайте еще 12544 инструкций.
Добавьте сайт Lumpics.ru в закладки (CTRL+D) и мы точно еще пригодимся вам.
Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.
Внутреннее строение процессора
Здравствуйте, уважаемые читатели! Буквально каждый уверенный пользователь ПК или обладатель ноутбука не раз задавался вопросом, как устроен процессор внутри? Наверное, многие удивятся, узнав, что в основе строения любого «камня» персонального компьютера или же ноутбука преобладают настоящие камни и горные породы.
Сегодня мы попробуем разобраться, как выглядит строение современного процессора и благодаря чему работает главный элемент любого компьютера.
Из чего состоит современный микропроцессор?
Структура процессора сегодня представлена следующими основными элементами:
Путем буквального разбора компьютерного процессора мы сможем увидеть следующие элементы строения, представленные на схеме:
Как это все работает?
Логика работы любого процессора строится на том, что все данные компьютера хранятся в битах, специальных ячейках информации, представленных 0 или 1. Попробуем разобраться, что происходит, как из этих нулей и единиц на экран перед нами предстают красочные фильмы и захватывающие компьютерные игры?
Прежде всего, необходимо уяснить, что имея дело с электроникой, мы получаем любую информацию в виде напряжения. Выше определенного значения мы получаем единицу, ниже – ноль. К примеру, включенный в комнате свет — это единица, выключенный – ноль. Дальнейшая иерархия, благодаря которой получаются более сложные элементы – это байт, состоящий из восьми битов. Благодаря этим самым байтам речь может идти не только о включенном или выключенном свете в помещении, но и о его яркости, оттенке цвета и так далее.
Напряжение проходит через память и передает данные процессору, который использует, в первую очередь, собственную кэш-память как наиболее оперативную, однако, небольшую ячейку. Через специальный блок управления данные обрабатываются и распределяются по дальнейшему пути.
Процессор использует байты и целые последовательности из них, что, в свою очередь, называется программой. Именно программы, обрабатываемые процессором, заставляют компьютер выполнить то или иное действие: воспроизвести видео, запустить игру, включить музыку и так далее.
Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров
Речь, конечно же, пойдет о Intel и AMD. Основным отличием в принципах работы данных компаний является подход к производству новых компьютерных микропроцессоров.
В то время, как Intel попеременно внедряет новые технологии наряду с небольшими изменениями, AMD делает крупные шаги в производстве с определенной периодичностью. Выше на фото представлены модели упомянутых компаний с отличительным внешним видом.
Лидерские позиции, в подавляющем большинстве случаев, удерживает все-таки Intel. «Камни» от AMD, хотя и уступают процессорам от Intel по производительности, нередко выигрывают у них в плане ценовой доступности. О том, какую компанию лучше выбрать можете почитать в этой статье.
Что выбирать каждый решает сам. Сегодня мы попытались разобраться во внутреннем устройстве любого современного микропроцессора и основных принципах его работы. Не забывайте подписываться на обновления блога и делиться интересными статьями со своими друзьями в социальных сетях! Всего доброго, друзья!
Как на самом деле производят процессоры
Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.
Песок. В наших компьютерах в буквальном смысле песок, вернее — составляющий его кремний. Это основной элемент, благодаря которому в компьютерах всё работает. А вот как из песка получаются компьютеры.
Что такое процессор
Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.
Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.
Кремний
Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.
Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.
Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.
Кристалл и подложка
Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.
Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.
Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.
Готовый кристалл кремния.
После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.
Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.
Готовые отполированные пластины кремния.
Печатаем транзисторы
Когда диски отполированы, на них можно формировать процессоры. Процесс очень похож на то, как раньше печатали чёрно-белые фотографии: брали плёнку, светили сверху лампой, а снизу клали фотобумагу. Там, куда попадал свет, бумага становилось тёмной, а те места, которые закрыло чёрное изображение на плёнке, оставались белыми.
С транзисторами всё то же самое: на диск наносят специальный слой, который при попадании света реагирует с молекулами диска и изменяет его свойства. После такого облучения в этих местах диск начинает проводить ток чуть иначе — сильнее или слабее.
Чтобы так поменять только нужные участки, на пути света помещают фильтр — прямо как плёнку в фотопечати, — который закрывает те места, где менять ничего не надо.
Потом получившийся слой покрывают тонким слоем диэлектрика — это вещество, которое не проводит ток, типа изоленты. Это нужно, чтобы слои процессора не взаимодействовали друг с другом. Процесс повторяется несколько десятков раз. В результате получаются миллионы мельчайших транзисторов, которые теперь нужно соединить между собой.
Соединяем всё вместе
То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.
Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.
Токопроводящие дорожки крупным планом. На фото они уже в несколько слоёв и не мешают друг другу.
В чём сложность
Современные процессоры производятся на нанометровом уровне, то есть размеры элементов измеряются нанометрами, это очень мало.
Если, например, во время печати очень толстый мальчик упадёт на пол в соседнем цехе, еле заметная ударная волна прокатится по перекрытиям завода и печатная форма немного сдвинется, а напечатанные таким образом транзисторы окажутся бракованными. Пылинка, попавшая на пластину во время печати — это, считай, загубленное ядро процессора.
Поэтому на заводах, где делают процессоры, соблюдаются жёсткие стандарты чистоты, все ходят в масках и костюмах, на всех воздуховодах стоят фильтры, а сами заводы находятся на сейсмических подушках, чтобы толчки земной коры не мешали производить процессоры.
Крышка и упаковка
Когда дорожки готовы, диск отправляют на тесты. Там смотрят на то, как работает каждый процессор, как он греется и сколько ему нужно энергии, заодно проверяют на брак.
В зависимости от результатов процессоры с одной пластины могут получить разную маркировку и продаваться по разной стоимости. Те процессоры, которые получились более удачными, становятся дорогими серверными продуктами. Те, где кто-то рядом чихнул или вздохнул, имеют некоторые несовершенства и дефекты, их могут отправить на потребительскую линию.
После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.
Пластина со множеством одинаковых процессорных ядер. 
Робот вырезает ядра из готовой пластины.
После этого к ядру процессора добавляют контакты, чтобы можно было вставить его в материнскую плату, и накрывают крышкой. Чёрный или металлический прямоугольник, из которого торчат ножки, — это как раз крышка.
Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.
Система на чипе
Чипы процессоров уже настолько маленькие, что под одной крышкой можно поместить какое-нибудь ещё устройство. Например, видеосистему — то, что обсчитывает картинку перед выводом на экран. Или устройство радиосвязи с антенной.
В какой-то момент на маленьком чипе площадью около 1 см 2 уже можно было поместить процессор, видео, модем и блютус, сделать всё нужное для поддержки памяти и периферии — в общем, система на чипе. Подключаете к этому хозяйству экран, нужное количество антенн, портов и кнопок, а главное — здоровенную батарею, и у вас готовый смартфон. По сути, все «мозги» вашего смартфона находятся на одном маленьком чипе, а 80% пространства за экраном занимает батарея.