Bankovní institut vysoká škola Praha Informační technologie a elektronické obchodování
Procesory osobních počítačů Bakalářská práce
Autor:
Patrik Matouš Informační technologie
Vedoucí práce:
Praha
Ing. Robert Basl
Leden, 2010
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a s použitím uvedené literatury.
V Praze dne 10. 4. 2010
Patrik Matouš
Poděkování Chtěl bych tímto poděkovat Ing. Robertu Baslovi za trpělivost, vstřícnost, ochotu a cenné odborné připomínky při metodickém vedení mé bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat své matce Ing. Evě Janíkové za poskytnuté rady, své přítelkyni Monice za trpělivost a podporu během studia a také své tetě Ireně. Velký dík patří strýci panu Aleši Bachtinovi, panu Rudolfu Černému a panu Jaroslavu Vocáskovi za možnost otestování jejich procesorŧ.
Anotace Cílem mé bakalářské práce je pojednat o procesoru jako nezbytně nutné součásti osobních počítačŧ. Bakalářská práce je tedy v první kapitole zaměřena na historii počítačŧ a procesorŧ. V další části je zaměřena na procesor jako takový. Ve třetí kapitole pojednává o chlazení procesoru a jeho typech. Další dvě části mé bakalářské práce pojednávají o výrobě a dělení procesorŧ. V posední kapitole lze nalézt testy a vyhodnocení výsledkŧ testovaných procesorŧ.
Annotation The aim of my Bachelor thesis is to describe the processor as a vital component of personal computers. Bachelor thesis in the first chapter focuses on the history of computers and processors. The next section focuses on the processor itself. The third chapter describes CPU cooler and its types. Next two sections describes manufacturing and division of the processors. The last chapter describes tests and evaluation with results of tested processors.
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 8 1.
2.
3.
Historie PC a CPU ............................................................................................................ 9 1.1.
Harvardská architektura .................................................................................................................. 14
1.2.
Von Neumannova architektura ........................................................................................................ 14
1.3.
Booleova algebra ................................................................................................................................ 15
1.4.
Mooreův zákon .................................................................................................................................. 15
Procesor (CPU)................................................................................................................ 17 2.1.
Součásti procesoru ............................................................................................................................. 20
2.2.
Základní rozlišení koncepcí .............................................................................................................. 21
2.3.
Paměti CACHE .................................................................................................................................. 21
2.4.
Registry............................................................................................................................................... 22
2.5.
Frekvence procesoru ......................................................................................................................... 23
2.5.1.
Vnitřní frekvence procesoru (takt) .............................................................................................. 23
2.5.2.
Vnější frekvence procesoru......................................................................................................... 24
2.6.
Instrukční sada .................................................................................................................................. 24
2.7.
Patice procesoru................................................................................................................................. 25
2.7.1.
Patice procesorŧ INTEL ............................................................................................................. 25
2.7.2.
Patice procesorŧ AMD................................................................................................................ 26
Chlazení procesoru a jeho typy ..................................................................................... 27 3.1.
Aktivní chlazení procesoru ............................................................................................................... 28
3.2.
Pasivní chlazení procesoru ................................................................................................................ 28
3.3.
Heatpipe.............................................................................................................................................. 29
3.4.
Vodní chlazení procesoru .................................................................................................................. 30
3.5.
Kombinované chlazení procesoru .................................................................................................... 30
4.
5.
6.
3.6.
Chlazení procesoru v moderním desktopu ...................................................................................... 31
3.7.
Chlazení procesoru v moderním serveru......................................................................................... 32
Výroba procesoru............................................................................................................ 33 4.1.
Návrh Procesoru ................................................................................................................................ 33
4.2.
Výroba procesoru .............................................................................................................................. 33
4.3.
Materiály pouţité při výrobě procesoru .......................................................................................... 34
4.4.
Fáze výroby ........................................................................................................................................ 34
4.5.
Příprava, testování a kompletace procesoru ................................................................................... 36
Dělení procesorů.............................................................................................................. 37 5.1.
Dělení podle délky operandů v bitech .............................................................................................. 37
5.2.
Dělení podle struktury procesoru..................................................................................................... 37
5.2.1.
Podle vnitřní architektury ........................................................................................................... 37
5.2.2.
Jednočipový mikropočítač (MCU).............................................................................................. 38
5.2.3.
Digitální signálový procesor (DSP) ............................................................................................ 38
5.3.
Dělení podle počtu jader ................................................................................................................... 39
5.4.
Základní parametry procesoru ........................................................................................................ 39
Testy procesorů ............................................................................................................... 41 6.1.
Testovací programy ........................................................................................................................... 41
6.2.
Popis testovaných procesorů ............................................................................................................. 42
6.2.1.
Procesor AMD Athlon II X2 240................................................................................................ 43
6.2.2.
Procesor INTEL Core 2 Duo E8400 ........................................................................................... 44
6.2.3.
Procesor INTEL Core 2 Duo T8300 ........................................................................................... 45
6.2.4.
Procesor INTEL Core 2 Quad Q6600 ......................................................................................... 46
6.3.
Výsledek testů procesorů .................................................................................................................. 47
6.3.1.
Procesor AMD Athlon II X2 240................................................................................................ 48
6.3.2.
Procesor INTEL Core 2 Duo E8400 ........................................................................................... 49
6.3.3.
Procesor INTEL Core 2 Duo T8300 ........................................................................................... 50
6.3.4.
Procesor INTEL Core 2 Quad Q6600 ......................................................................................... 51
6.4.
Srovnání výsledků testovaných procesorů....................................................................................... 52
Závěr ........................................................................................................................................ 54 Bibliografie .............................................................................................................................. 56 Seznam obrázků ..................................................................................................................... 57 Seznam tabulek ....................................................................................................................... 58 Seznam grafů .......................................................................................................................... 59 Seznam zkratek ...................................................................................................................... 60
Úvod Osobní počítače se staly nedílnou součástí života každého člověka, ať už v zaměstnání, v domácnosti, na úřadech, ve zdravotnictví ale i při sportovních, kulturních či jiných aktivitách. Uživatelé osobních počítačŧ proto kladou stále větší požadavky na kvalitu, výkon a cenovou dostupnost jak hardwaru, tak softwaru. Trendem současné doby je tudíž snaha o neustálé zdokonalování jednotlivých komponent počítače. Výrobci informačních technologií provádějí neustálý odborný výzkum a vývoj nových produktŧ na základě předešlých zkušeností a poznatkŧ. Cílem mé bakalářské práce je představit čtenáři jednu z nejdŧležitějších hardwarových komponent, jíž je procesor tak, aby se i začínající uživatel mohl v této problematice snáze orientovat. Budu se zabývat historií vzniku a vývojem procesorŧ od jejich prvních návrhŧ až po procesory moderní doby s náhledem do budoucnosti. Popíši hlavní výrobce procesorŧ, samotný postup výroby, funkce procesorŧ, jejich dělení, nezbytné součásti a jakým zpŧsobem je procesor uvnitř počítače či serveru chlazen. Dalším cílem této práce je testování a analýza výsledkŧ čtyř modelŧ mně dostupných procesorŧ s následným porovnáním a vyhodnocením nejúspěšnějšího procesoru.
8
1. Historie PC a CPU Historicky prvním počítačem byl tzv. Abakus. Vznikl před 7000 lety v Řecku. Jednalo se o dřevěné či hliněné destičky, do kterých se vkládaly kamínky „calculli“. Základním stavebním kamenem pro veškeré digitální technologie se stal objev 3000 let př. n. l. čínského císaře FouHi, jako první vyjádřil údaje ve dvojkové (binární) soustavě. Binární soustava používá pouze dva symboly (0 a 1), její použití nalezneme ve všech počítačích. Symbol 0 je výraz pro logickou nepravdu (False) a symbol 1 je výraz pro logickou pravdu (True). Jelikož čtení binární soustavy je celkem obtížné, existuje řada fontŧ, které čtení ulehčují. Font obsahuje 255 znakŧ (malá a velká písmena, mezeru, speciální znaky, číslice, atd.). Jednotlivý znak má 1 byte (8 bitŧ), neboli 8 binárních číslic složených z 0 a 1. ASCII tabulka nabízí přehled dekadických hodnot všech znakŧ. Například znak „a“ je v binární soustavě zobrazen jako 01100001 a jeho dekadická hodnota je 97. Tabulka 1: Převod z binární do dekadické soustavy
Bin.sous. 0 1 1 0 0 0 0 1 Mocnina 27 26 25 24 23 22 21 20 Výsledek 0 64 32 0 0 0 0 1 Zdroj: Vlastní tvorba
Tabulka 2: Převod z dekadické do binární soustavy
Dělení
Zbytek
97 : 2 = 48 1 48 : 2 = 24 0 24 : 2 = 12 0 12 : 2 = 6
0
6:2=3
0
3:2=1
1
1:2=1
1
0:2=0
0
Zdroj: Vlastní tvorba
9
Skotský fyzik a matematik John Napier (1550 – 1617) objevil roku 1614 matematickou metodu, díky které mohl realizovat základní početní operace (sčítání, odčítání, násobení a dělení) s využitím logaritmŧ. Tato metoda byla nazvána Napierovy logaritmy. Angličané William Oughtred a Edmund Gunter využili Napierovy metody k sestrojení posuvného pravítka, které zjednodušilo početní operace s čísly. Roku 1623 sestrojil Wilhelm Shickard (1592 – 1635) první mechanický kalkulátor, který uměl sčítat a odčítat. V roce 1642 vyrobil Blaise Pascal (1623 – 1642) počítací stroj tzv. Pascaline, ve kterém se číselník pohyboval pomocí jehly. Pracoval s osmi čísly před desetinou čárkou a dvěma místy za desetinou čárkou. Počítací stroj Pascaline byl schopný pouze sčítat a odčítat. Jeho následovníkem se stal Gotfried Wilhelm Leibniz (1646 - 1716), který od roku 1671 zdokonaloval Pascaline. Prvním sériově vyráběným kalkulátorem byl Thomasŧv Arithmometr, který sestrojil Charles Thomas roku 1820. Kalkulátor umožňoval sčítat, odčítat, násobit a dělit. Roku 1835 využil Charles Babbage (1791 – 1871) děrné štítky k naprogramování mechanického kalkulátoru. Děrné štítky mohly být opakovaně použity a jako data uchovány. Elektromechanické počítače, považovány za počítače Nulté generace, pracovaly na kmitočtu 100 Hz1. Největší podíl na vývoji a zdokonalení těchto počítačŧ měla druhá světová válka, ve které bylo potřeba například šifrovat zprávy, k čemuž posloužil šifrovací stroj Enigma sestrojený Albertem Schreibusem roku 1918. Německý inženýr Konrad Zuse (1910 – 1995) vynalezl v roce 1938 první počítací stroj nazvaný Z1. Stroj pracoval ve dvojkové soustavě a jeho program byl uložen na děrné pásce. Pro jeho velkou poruchovost nebyl vhodný pro praktické využití. Konrad Zuse tedy začal pracovat na jeho nástupci Z2, který obsahoval paměť ze Z1 a zhruba 200 relé. Následně se Zuse spojil s Helmutem Schreyerem a roku 1941 sestrojili jejich nejvýkonnější počítač Z3, který obsahoval 2600 relé2 a byl využit při vývoji balistických raket V2. Pracoval ve dvojkové soustavě a dokázal provést až 50 aritmetických operací s čísly za minutu. Firma IBM financovala projekt MARK I. Projekt řídil Howard Hathaway Aiken (1900 – 1973). Jednalo se o vstup firmy IBM na trh výpočetní techniky. 1
Jednotka frekvence.
2
Elektrická součástka, obsahuje elektromagneticky ovládané vypínače.
10
V projektu MARK I šlo o sestrojení stejnojmenného počítače MARK I, který byl 15 metrŧ dlouhý. Program tohoto počítače byl uložen na děrné pásce a pracoval v desítkové soustavě. Po úspěchu MARK I Howard Aiken sestrojil počítač MARK II složený z 13000 relé, který byl využíván americkou armádou. Operační paměť pracovala až se sto čísly, sčítání trvalo 0,125 vteřiny a násobení 0,25 vteřiny. Obrázek 1: Počítač MARK II
Zdroj: http://www.urel.feec.vutbr.cz/web_pages/projekty/clanky/Hlavni_mezniky_pc/Mark_2.jpg
První generace počítačŧ (1943 – 1951) je charakteristická použitím elektronek3. Počítače této generace byly velmi poruchové a pomalé. Elektronkový počítač ENIAC byl velmi energeticky náročný a velice nestabilní. John von Neumann (1903 – 1957) se nechal inspirovat ENIACem a sestrojil počítač MANIAC, který byl bohužel využit při výrobě vodíkové bomby. Druhá generace počítačŧ (1951 – 1965) se charakterizuje použitím tranzistorŧ4, které umožňovaly zvýšit výkon, spolehlivost a zmenšit rozměry počítačŧ. V roce 1951 byl sestrojen počítač UNIVAC, který se stal prvním sériově vyráběným počítačem. Třetí generace (1965 – 1980) se vyznačuje použitím integrovaných obvodŧ. Zvyšuje se počet tranzistorŧ v integrovaném obvodu. V této generaci vynikaly, díky možnosti pracovat s pevnou i s proměnou délkou operandŧ (dat), počítače firmy IBM. Modely IBM 360 znamenaly prŧlom počítačŧ do komerčního a praktického využití.
3
Zařízení, které usměrňuje a zesiluje elektrické signály.
4
Polovodičová součástka.
11
Čtvrtá generace (1981 – současnost) je charakteristická použitím mikroprocesorŧ a osobních počítačŧ. Mikroprocesory mají integrované obvody, které umožnily snížit počet obvodŧ na základní desce. Díky tomu se počítače staly rychlejší, spolehlivější, menší a zvýšila se jejich paměť. První mikroprocesor představila firma INTEL roku 1971, nesoucí označení 4004. Byl to 4 bitový procesor s jedním jádrem o maximální taktovací frekvenci 750 kHz a obsahoval 2300 tranzistorŧ. Byl dodáván v pouzdře CERDIP se 16 vývody. Instrukční sada obsahovala 46 instrukcí (40 osmibitových a 6 šestnáctibitových), syntaxe byla inspirována instrukční sadou Datapoint Terminal CPU. Sada registrŧ obsahovala 16 registrŧ po 4 bitech. Jednalo se o harvardskou architekturu, jelikož na výstupním pinu se rozlišovalo, zda se adresuje paměť RAM nebo ROM. Následující rok uvedl INTEL na trh 8 bitový procesor s označením 8008 o frekvenci 500/800 kHz. Tyto 2 procesory byly použity například pro řízení dopravy pomocí semaforŧ nebo v kalkulátorech. V roce 1974 firma INTEL představila první procesor pro osobní počítače s označením 8080. Obsahoval 6000 tranzistorŧ a pracoval na frekvenci 2 MHz. Po velkém úspěchu procesoru 8080 přišel INTEL s procesorem 8085 navrženým dle Von Neumannovy architektury. Firma MOS TECHNOLOGY vyrobila roku 1975 8 bitový procesor MOS TECHNOLOGY 6502. Následoval procesor firmy MOTOROLA označen MOTOROLA 6800, který byl navrhnut stejnými inženýry jako MOS 6502. Firma FAIRCHILD SEMI představila na trhu model F8. Tento procesor byl velice levný, jelikož mu chyběla adresová sběrnice. Firma AMD vstoupila na trh roku 1975 se 4 bitovým procesorem AM 2900. Roku 1978 navrhla společnost INTEL první z řady procesorŧ architektury x86 nesoucí označení 8086. Procesory založené na architektuře x86 překládají CISC instrukce na RISC instrukce. Tento 16 bitový procesor byl vyroben pomocí technologie NMOS, obsahoval 1 MB adresovatelného prostoru a jeho frekvence dosahovala hodnoty 10 MHz. Následoval procesor INTEL 8088 navržený dle architektury x86 se 16 bitovými registry a 8 bitovou vnější sběrnicí. Společnost INTEL se s tímto procesorem zaměřovala na systémy, které byly levnější oproti 16 bitovým obvodŧm. Frekvence procesoru se pohybovala okolo 9 MHz.
12
Společnost INTEL pokračovala ve vývoji nových procesorŧ a v roce 1982 vyvinula nové modely 80186 a 80188, které byly založeny na předchozích modelech 8086 a 8088 s vylepšeným jádrem. Dalším procesorem z řady x86 je INTEL 80286. Jedná se o 16 bitový procesor, jehož frekvence byla zprvu stanovena na 8 MHz, později pomocí přetaktování procesoru dosáhla firma INTEL hodnoty taktovací frekvence 12,5 MHz. Procesor byl schopen adresovat až 16 MB paměti. Od roku 1986 byl v mnoha počítačích využíván 32 bitový procesor INTEL 80386, který byl navržen dle architektury x86. Procesor neměl interní CACHE paměť. Systém registrŧ převzal od procesoru 8086. Při jeho vývoji byla architektura x86 rozšířena natolik, že je procesor 80386 považován za zakladatele architektury i386. Významným procesorem společnosti INTEL byl INTEL PENTIUM uvedený v roce 1993. Jednalo se o takzvaný superskalární procesor, jenž dokázal vykonat více operací během hodinového cyklu. Zvýšení počtu provedených operací mu umožnily dvě pipeline (U a V), díky zřetězenému zpracování. Cílem pipeline je rozdělit zpracování instrukce mezi části procesoru a tím umožnit zpracování více instrukcí najednou. Během této fáze dochází k načtení instrukce, dekódování instrukce, provedení instrukce a následnému uložení výsledkŧ. Roku 1996 byl vyvinut procesor INTEL PENTIUM MMX založený na architektuře CISC a hodnota jeho taktovací frekvence činila 166 až 233 MHz. INTEL zavedl do procesoru novou sadu instrukcí MMX, která zvyšovala výkon multimediálních aplikací. Nástupcem PENTIA MMX se stal procesor PENTIUM II, navržený dle 350 nm (nanometr) výrobního procesu. Výkon jádra byl zvýšen v 16 bitových aplikacích sadou instrukcí MMX SIMD (data jsou zpracována na základě jediného seznamu instrukcí). Taktovací frekvence procesoru se pohybovala mezi 233 a 266 MHz. Nevýhodou procesoru byly vysoké teploty, kterých dosahoval a velká spotřeba elektrické energie. Procesor PENTIUM III byl uveden v roce 1999. Byly přidány instrukce SSE (Streaming SIMD Extension). Existoval ve verzi Celeron určené pro PC a ve verzi Xeon především pro servery.
13
V listopadu roku 2000 firma INTEL uvolnila procesor PENTIUM 4, který byl založen na mikroarchitektuře NetBurst. Pomocí této mikroarchitektury mohl procesor dosahovat vysokých frekvencí v rozmezí 1,5 GHz až 3,8 GHz. Uložen byl na Socketu 478. FSB (Fron Side Bus) neboli frekvence systémové sběrnice dosahovala hodnot až 400 MHz.
1.1.
Harvardská architektura
Pro data a program nabízí Harvardská architektura oddělený paměťový prostor. Umožňuje pro paměť programu využít paměti ROM (Read Only Memory), které vedou ke zvýšení velikosti paměti. V paměti programu se nachází statický program, k jehož výměně mŧže dojít jen pomocí přeprogramování a data jsou uložena v pamětech RAM (Random Access Memory). Pro svou jednoduchost správy paměti jsou procesory, založené na harvardské architektuře, používány ve spotřebičích, automatizované technice či ve specializovaných DSP5 (Digital Signal Processor) procesorech nebo v mikrokontrolerech.
1.2.
Von Neumannova architektura
Tvŧrcem této koncepce je John Von Neumann. V této architektuře, založené na počítačovém designovém modelu, je paměť sdílena pro instrukce a data. Výhodou sdílené paměti je univerzálnost počítačŧ. Nevýhodou této architektury však je nutnost načítání z paměti postupně, a proto se používají paměti CACHE, které toto načítání značně urychlují. Současné počítače, PDA (Personal Digital Assistant) či mobilní telefony jsou založeny právě na Von Neumannově architektuře pro její všestrannost. Obrázek 2: Von Neumannovo schéma
Zdroj: http://www.urel.feec.vutbr.cz/web_pages/projekty/clanky/Hlavni_mezniky_pc/Neumannova_architektura.JPG 5
Digitální signální procesor.
14
1.3.
Booleova algebra
Britský matematik a filosof George Boole se narodil roku 1815 v Lincolnshire. Objevil základy aritmetiky nazvané Booleova algebra. Je považován za zakladatele informatiky. Booleova algebra je realizována pomocí elektrických obvodŧ a lze ji využít při konstrukci složitých sítí přepínačŧ (relé), které mohou mít dvě hodnoty „zapnuto“ a „vypnuto“ a jejich propojení je stejné jako aritmetické operace s nimi. Spínače a obvody si lze představit jako vrátka, která se otevírají a zavírají na rŧzné úseky dat podle jednoduché logiky (logická hradla). Příkladem logických hradel je například integrovaný obvod 7400. Lze provádět komplikované výpočty propojením logických hradel tak, že výstup jedněch ovládá vstup druhých, z několika logických hradel typu 7400 jde tedy sestavit procesor například typu 4004. Díky těmto poznatkŧm vznikly základy teorie konečných obvodŧ, které jsou jedny ze základních kamenŧ moderní informatiky.
1.4.
Mooreŧv zákon
Gordon Moore Earle se narodil 3. ledna 1929 v Kalifornii v USA. Byl spoluzakladatelem a viceprezidentem společnosti INTEL Corporation až do roku 1975. Poté se stal členem představenstva společnosti a jejím generálním ředitelem až do roku 1987. Je autorem takzvaného Mooreova zákona, který popisuje dlouhodobý trend v historii procesorŧ. Obrázek 3: Moorův zákon
Zdroj: http://www.planetfuture.info/eng/moore_s_law_means_more_performance.jpg
15
Pravidlo konstatuje, že se zhruba každé dva roky počet tranzistorŧ, umístěných na integrovaném obvodu, zdvojnásobí při zachování stejné ceny. Toto konstatování je zobrazeno na Obrázku 3 výše. Předpokládal, že jeho zákon bude platit alespoň po dobu deseti let. Jeho výrok byl natolik přesný, že platí dodnes a ještě několik let platit bude. Zákon přináší mnoho kladŧ i záporŧ. Výhodou je, že proces vývoje procesoru lze odhadnout na delší dobu, s tím souvisí vývoj fotolitografie6 a dostupných technologií. Dalším kladem Moorova zákona je stále větší dostupnost pro širší okruh lidí, což má za následek poklesy cen procesorŧ. Zákon přináší i řadu nevýhod či záporŧ. Lidé jsou neustále nuceni kupovat (upgradovat) procesory novější, rychlejší a úspornější. Neustále rostou nároky zákazníkŧ a výrobcŧ softwaru na výrobce procesorŧ, především INTEL a AMD, kteří narážejí na technologické bariéry (zmenšování součástí procesoru, zvyšování počtu jader, výrobní technologie, atd.).
6
Fotolitografie je výrobní proces používaný při výrobě polovodičových součástek.
16
2. Procesor (CPU) Procesor (CPU – Central Processing Unit) je základní součástí počítače, též často nazýván srdcem či mozkem počítače a zpravidla se usazuje na patici (socket) základní desky počítače. Je řízen rŧznými programy, od kterých zpracovává instrukce a tím plní zadané úkoly. Některé úkoly plní sám, k jiným používá ostatní komponenty počítače (sběrnice, operační paměť či pevné disky). Každý procesor má svŧj vlastní jazyk, tzv. strojový kód, který je složen z jednodušších či složitějších strojových instrukcí, záleží na typu procesoru. Procesor je jeden z hlavních faktorŧ, které ovlivňují celkový výkon počítače. Hlavními parametry procesoru jsou jeho taktovací frekvence, frekvence systémové sběrnice, velikost CACHE paměti, podpora moderních instrukcí a spotřeba elektrické energie. Největšími výrobci procesorŧ jsou INTEL Corporation a AMD Inc. INTEL Corporation Akciovou společnost INTEL Corporation (INTegrated ELectronics) založili v roce 1968 Robert Noyce a Gordon Moore. Sídlo firmy se nachází v oblasti zvané „Křemíkové údolí“ v Santa Clara v USA. INTEL zaměstnává téměř 90 tisíc lidí po celém světě. Zaměřuje se především na výrobu procesorŧ, kterých každý rok vyrobí zhruba 100 miliónŧ (75% veškeré produkce) s prŧměrným obratem 35 miliard dolarŧ ročně. Vedlejší činností INTELu je výroba čipsetŧ, PDA, telekomunikačních čipŧ, flash pamětí, atd. Hodnota společnosti je vyčíslena na 128 miliard dolarŧ. INTEL se v současném vývoji procesorŧ zaměřil na dvě oblasti. První oblastí je zvyšování počtu jader procesoru, vylepšování architektury či navyšování počtu tranzistorŧ v procesoru. Produkt této oblasti představil INTEL roku 2009 a jedná se o zatím nejvýkonnější procesor pro osobní počítače nesoucí označení INTEL Core i7 Extreme Edition 980X viz Obrázek 4. Je založený na architektuře Westmere a je vyroben 32 nm výrobním procesem (1,17 miliard tranzistorŧ). Každé z šesti jader pracuje na frekvenci 3,33 GHz a využívá sdílenou vyrovnávací paměť L3 CACHE o velikosti 12 MB. Usazuje se do Socketu 1366 a jeho TDP 7
(Thermal Design Power) činí 130 W.
7
Thermal Design Power.
17
Obrázek 4: Schéma procesoru Intel Core i7 980X
Zdroj: http://www.intel.com/cd/products/services/emea/eng/processors/corei7ee/specifications/405908.htm
Druhá oblast vývoje procesorŧ je založena na jednojádrových úsporných procesorech, jejichž spotřeba elektrické energie je minimální a pracují na nízkých taktovacích frekvencích. Produktem této oblasti je procesor Intel Atom N270. Atom je nejmenší procesor, jaký kdy firma vyrobila. Je speciálně navržen především pro netbooky8, PDA9 a Smartphony10. Byl vyrobený 45 nm technologií a taktovací frekvence v netboocích jsou 1,6 GHz a 1,66 GHz, frekvence systémové sběrnice je 133 MHz, hodnota TDP je velice úsporná, jen 2,5 W. Obrázek 5: Procesor Intel Atom N270
Zdroj: http://www.slashgear.com/intel-atom-demand-prompts-chipset-shortages-0111422/ 8
Počítač menší než laptop, je navržen pro mobilitu, úsporný provoz, cenovou dostupnost a minimální váhu.
9
Personal Digital Assistant je malý kapesní počítač.
10
Smartphone je telefon poskytující pokročilé funkce (aplikační rozhraní, video hovor, atd.)
18
V roce 2010 INTEL představí procesory založené na mikroarchitektuře Sandy Bridge, na které pracuje již od roku 2006. Architektura nabídne rychlé 32 nm čtyřjádrové a osmijádrové procesory s taktovací frekvencí okolo 3,8 GHz a s novou sadou SSE instrukcí AVX (Advanced Vector Extension). Sada instrukcí AVX poskytne rozšíření šířky registrŧ XMM na 256 bitŧ., jednotka bude schopna pracovat s dvojnásobkem hodnot současně oproti starším architekturám. AVX je tedy nástupcem sad instrukcí SSE, které má však v sobě nadále obsaženy. V procesorech budou implementovány integrované grafické čipy o frekvenci 1,0 až 1,4 GHz s napojením na vyrovnávací paměť L3 CACHE. Jádra budou schopna pracovat až na čtyřech operandech a dvou vláknech v jednom taktu, čímž dojde k navýšení až na šestnáct logických jader. AMD Inc. Společnost AMD (Advanced Micro Devices) byla založena Jerry Sandersem roku 1969 v Sunnyvale v USA. V roce 1976 vyrobila svŧj první integrovaný obvod Am9300. Od roku 2008 je společnost AMD rozdělena na výrobní a vývojovou část. Společnost zaměstnává tisíce zaměstnancŧ v USA a pobočkách po celém světě. Zaměřuje se na výrobu procesorŧ, kde zastává druhé místo za INTELem, je třetím největším výrobcem grafických čipŧ a čipsetŧ. Hodnota společnosti AMD Inc. je 6,79 miliard dolarŧ. V roce 2006 odkoupila společnost AMD firmu ATI, zaměřující se na vývoj a výrobu grafických čipŧ, za 5,4 miliardy dolarŧ. Zatím jako svŧj nejvýkonnější procesor uvedla společnost AMD model AMD Phenom II X4 965 Quad Core. Jedná se o čtyřjádrový procesor s frekvencí 3,4 GHz a s vyrovnávací pamětí typu L2 CACHE s hodnotou 2 MB. Procesor je vyroben 45 nm technologií a TDP činí 125 W. Společnost AMD Inc. plánuje pro rok 2010 a 2011 vydat nové čtyřjádrové a osmijádrové procesory Zambezi a Llano. Jedná se o přechod na 32 nm výrobní technologii s podporou operační pamětí DDR3 (Double Data Rate 3). Podobně jako INTEL představí metodu APU (Accelerated Processing Unit), jež integruje grafický čip a procesor na jednu část křemíkové destičky. Procesory Llano budou založeny na jádrech Bulldozer a Bobcat a využity pro nové laptopy a desktopy. Poskytnou vysoký výkon s velikou výdrží baterie laptopŧ. Osmijádrový
19
procesor Zambezi umožní hraní nejmodernějších a nejnáročnějších počítačových her či zpracování videa v HD11.
2.1.
Součásti procesoru
Mezi hlavní součásti procesoru patří řadič, sada registrŧ v řadiči, jedna nebo více ALU jednotek (Arithmetic-Logic Unit) a jedna nebo více FPU jednotek (jednotka plovoucí čárky). Řadič nebo řídící jednotka. Jádro řídící jednotky kontroluje činnosti pomocí signálŧ procesoru na povely jednotlivých programŧ. Sada registrů v řadiči slouží k uchování operandŧ a mezivýsledkŧ. Registry se dělí na obecné (pracovní a universální) a řídící (stavové registry, registry zásobníkŧ a indexregistry). Jednou ze základních charakteristik procesorŧ je bitová šířka pracovních registrŧ. ALU (Arithmetic-Logic Unit) aritmeticko-logická jednotka je jednou z hlavních komponent procesoru. Provádí aritmetické a logické operace s daty (sčítání, násobení, logický součin, negaci, atd.). Moderní procesory obsahují více než jednu ALU, které pracují nezávisle na sobě. FPU (jednotka plovoucí čárky) je matematický koprocesor12, který provádí operace s čísly v plovoucí řádové čárce, některé typy vykonávají i složitější matematické operace. FPU existuje v podobě samostatné jednotky nebo je součástí procesoru. Současné procesory obsahují mnoho dalších funkčních blokŧ (např. paměť CACHE nebo rŧzné periferie). Tyto bloky nejsou součástí procesoru, ale samotného jádra procesoru. Pojem „jádro procesoru“ vznikl k rozlišení mezi vlastním procesorem a integrovanými periferními obvody. Trendem některých současných procesorŧ je obsah více jak jednoho jádra, jednotlivá jádra jsou mezi sebou propojena integrovaným obvodem. Dalším trendem je SoC (System on Chip), jedná se o integrované obvody, které obsahují další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku, atd. 11
High definition. Video ve vysokém rozlišení 480p, 720p, 1080i a 1080p.
12
Doplňuje funkce procesoru o aritmetické operace či grafické operace.
20
2.2.
Základní rozlišení koncepcí
RISC (Reduced Instruction Set Computer) procesory mají redukovanou instrukční sadu. Je to typ architektury, který využívá malý, vysoce optimalizovaný soubor instrukcí, díky kterému jsou řídící obvody CPU jednodušší a doba zpracování instrukcí je kratší. Řídící obvody zabírají okolo 8% místa na čipu, pro získání co nejvyšší rychlosti zpracování instrukcí je ušetřené místo využito pro umístění souborŧ registrŧ. Architektura RISC je v dnešní době využívána jen v počítačích Apple s mikroprocesorem PowerPC. RISC procesory našly uplatnění především ve velkých počítačích založených na architektuře procesoru MIPS13. Mají jednoduchý účel, např. řídit scannery, laserové tiskárny apod. CISC (Complex Instruction Set Computer) procesory disponují velkým počtem instrukcí a malým počtem registrŧ. Strojové instrukce mohou být rŧzně dlouhé a jejich vykonání trvá rŧzně dlouhou dobu. Instrukční sada umožňuje zjednodušit programování ve strojovém kódu, protože již není nutné operace rozepisovat. Při výrobě CISC procesorŧ dochází k několika problémŧm (např. s vyššími taktovacími frekvencemi, paměťmi CACHE, návrhy CPU, atd.). Nyní jsou některé modely vyráběny interně jako RISC, dŧvodem je jejich snazší výroba. Řídící obvody na čipu zabírají více jak 50% místa. Mikroprocesory s architekturou CISC převládají u osobních počítačŧ, příkladem jsou modely mikroprocesorŧ firem INTEL a AMD.
2.3.
Paměti CACHE
CACHE paměť je vyrovnávací paměť, která pracuje mezi rychlým zařízením (např. CPU) a pomalým zařízením (např. operační paměť PC). Aby při čtení nemuselo rychlejší zařízení čekat na pomalejší, načítá data z paměti CACHE. V dnešních osobních počítačích rozlišujeme tři druhy vyrovnávací paměti CACHE L1, L2 a L3. L1 je interní CACHE paměť, která slouží k redukci rychlosti mezi výkonnými procesory a pomalejšími operačními paměťmi počítačŧ. Dále slouží k načítání dat ze sběrnice, odkud si je procesor v případě potřeby načte. L1 se nachází na čipu CPU a pracuje díky paměti SRAM. 13
Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages – procesor bez automaticky organizované pipeline.
21
Statická paměť SRAM (Static Random Access Memory) nevyužívá k uchování dat periodickou obnovu oproti paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory), která toto vykonává. L2 je externí CACHE paměť, která se nachází mezi pomalejší operační pamětí počítače a rychlejším procesorem. Externí paměť CACHE zabraňuje zpomalení počítače se slabší operační pamětí a výkonným procesorem. Činnost externí CACHE paměti je řízena řadičem. Velikost paměti se pohybuje v rozmezí 256 kB až 8MB na jádro. S postupem doby její velikost bude narŧstat. L3 je specializovaná CACHE paměť, která spolupracuje s interní i externí CACHE. Nachází se na základní desce (Motherboard) a pracuje mezi procesorem a operační pamětí. Velikost L3 CACHE je 2 až 6 MB. Obrázek 6: Konfigurace paměti CACHE
Zdroj: http://lwn.net/Articles/252125/
2.4.
Registry
Registr procesoru slouží k ukládání mezivýsledkŧ a dočasných hodnot dat vygenerovaných například z FPU či ALU jednotek. Funkcí registru je rychlé vyrovnávání paměti, čímž je snížena doba přístupu do registru a zároveň poskytnuta nejrychlejší cesta k získání dat pro procesor. Alokace do registrŧ mŧže vést ke zvýšení výkonnosti programŧ. Provádí se pomocí kompileru ve fázi generování kódu. Registry mohou být viditelné, kdy je programu umožněno číst či modifikovat obsah a neviditelné, které neumožňují programu přístup k obsahu. Registry slouží k dočasnému ukládání informací nebo informací o stavu procesoru.
22
Datové registry slouží k uložení číselných hodnot a hodnot s pohyblivou desetinou čárkou. Adresové registry uchovávají adresy a používají instrukce pro vstup do paměti CPU. Podmínkové registry uvádějí hodnotu ke zjištění, zda instrukce měla či neměla být vykonána. Obecně účelné registry (GPR) umožňují uložení dat i adres. Registry s plovoucí řádkovou čárkou (FPR) provádí uložení čísel pomocí plovoucí řádkové čárky. Konstantní registry pouze načítají hodnoty 0, 1 a číslo pí. Vektorové registry umožňují vektorové zpracování pomocí SIMD instrukcí (Single Instruction Multiple Data). Speciální registry udržují stav programu a obsahují čítač instrukcí (Program Counter).
2.5.
Frekvence procesoru
Frekvence procesoru je udávána v Hertzích (Hz). Hlavními a velice dŧležitými parametry jsou taktovací frekvence (takt) jádra procesoru a frekvence systémové sběrnice. Čím rychlejší procesor počítač obsahuje, tím vyšší je jeho výkon. Porovnávat procesory firem INTEL a AMD dle frekvence je velice složité, dŧvodem je odlišná stavba procesorŧ a rozdíly ve vnitřní paměti procesorŧ. Oba výrobci vyrábějí několikajádrové procesory, kde rozdíl ve frekvencích je značný a jejich porovnání o to těžší.
2.5.1.
Vnitřní frekvence procesoru (takt)
Taktovací frekvence se v současné době udává v GHz. Vnitřní frekvence vyjadřuje počet úkonŧ provedených procesorem za vteřinu. Taktovací impulsy určují pracovní tempo elektronických obvodŧ, které tvoří mikroprocesor. Generátory taktŧ obsahuje každá základní deska (Motherboard), tyto generátory vytváří taktovací impulsy pro CPU. Taktovací frekvence dosahují příliš vysokých hodnot a paměti nejsou schopny dodávat do procesoru bity s každým učiněným impulsem, dodávají je proto s každým druhým až desátým impulsem, 23
tedy v nižší frekvenci (vnější frekvence). Taktovací (vnitřní) frekvence je vždy násobkem frekvence vnější.
2.5.2.
Vnější frekvence procesoru
Základní deska udává vnější frekvenci a její rytmus ovlivňuje práci čipových sad a periferních zařízení. V podstatě se jedná o frekvenci FSB (Front Side Bus), která je definována jako obousměrná datová sběrnice, díky které jsou přenášeny informace mezi procesorem a Northbridgem (Severní most, je to systémový řadič v podobě čipu na základní desce, spolu se Southbridgem jsou označovány jako čipset).
Tabulka 3: Poměr mezi vnitřní a vnější frekvencí
Vnější frekvence MHz Násobitel vnitřní frekvence 3x 4x 6x 8x
66
75
83
100
133
198 264 396 528
225 300 450 600
249 332 498 664
300 400 600 800
399 532 798 1064
Zdroj: Vlastní úprava
2.6.
Instrukční sada
Instrukční sada zkráceně ISA (Instruction Set Architecture) je sada instrukcí procesoru, které pracují s daty a pamětí. Instrukce se zapisují jako posloupnosti bitŧ a skládají se z bitových polí. Bitové pole stanoví instrukční kód popisující operandy14. Operandŧ mŧže instrukce obsahovat více nebo žádnou. Operandem mŧže být registr, adresa či architektura paměti. Moderní procesory využívají instrukční sadu RISC, výjimky používají sadu CISC. Častá je kombinace interní RISC sady a externí CISC sady. Instrukční sada IA – 32 (Intel Architecture, 32bit) je instrukční sada architektury procesorŧ Intel. Dříve se používal název i386. Jedná se o 32bitovou architekturu s CISC instrukční sadou.
14
Operand je prvek, s nímž je prováděna operace.
24
2.7.
Patice procesoru
Zpočátku byly procesory napevno připájeny k základní desce počítače, což bylo velice nepraktické vzhledem k jejich rychlému vývoji. Bylo nezbytně nutné procesor nějakým zpŧsobem uchytit na základní desku tak, aby v případě potřeby bylo možno procesor snadno vyměnit či upgradovat. Tak vznikly patice neboli sockety, které slouží k uchycení procesoru na základní desku počítače či laptopu. Existuje mnoho typŧ patic, které si mohou být podobné, ale uchycení mŧže být odlišné. Proto je dŧležité dát si pozor při pořizování procesoru a základní desky, aby byla patice obou komponent stejná. Pro komunikaci procesoru se základní deskou slouží takzvané piny. Mohou být umístěny na procesoru nebo na základní desce. Rozlišujeme dva typy umístění pinŧ a to PGA nebo LGA. PGA (Pin Grid Array) rovné piny umístěné na mikroprocesoru tak, aby odpovídaly otvorŧm v patici. LGA (Land Grid Array) při této technologii jsou piny15 umístěny na základní desce, na mikroprocesoru jsou jen kontaktní plochy. Patice LGA vznikla již v roce 1996 pro MIPS R10000 a HP PA-8000 procesory, avšak až INTEL představil jejich širší využití pro procesory Socket 775 (Socket T), například pro Pentium 4 (Prescott) či dvoujádrové procesory Core 2. Největší výrobci procesorŧ společnosti INTEL Corporation a AMD Inc. mají odlišné patice pro své výrobky.
2.7.1.
Patice procesorŧ INTEL
Mezi nejpoužívanější patice procesorŧ společnosti INTEL Corporation patří tyto typy. DIP Socket pro procesory 8086 a 8088 PLCC Socket pro procesory 80168, 80268 a 80368 Socket 370 pro procesory Pentium III Socket 423 pro procesory Pentium 4 s jádrem Willamette 15
Pin je vývod integrovaného obvodu.
25
Socket 478 pro procesory, Pentium 4, Celeron, Celeron D Socket 775 (Socket T či LGA 775) pro procesory Pentium 4, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad Socket 1156 (Socket H) pro procesor Core i5 (čtyřjádrový) Socket 1366 pro procesor Core i7
2.7.2.
Patice procesorŧ AMD
Mezi nejpoužívanější patice procesorŧ společnosti AMD Inc. patří tyto typy. Socket 462 pro procesory Athlon, Duron Socket 754 Socket 939 Socket AM2 pro jedno jádrové a dvoujádrové procesory Socket AM2+ pro tříjádrové a čtyřjádrové procesory Phenom Socket AM3 pro tříjádrové a čtyřjádrové procesory Phenom II
26
3. Chlazení procesoru a jeho typy Procesor je velkým zdrojem tepla, aby nedocházelo k jeho přehřívání, musí být chlazen dostatečně výkonným chladičem. Chlazení procesoru mŧže být aktivní a jedná se tedy o chlazení založené na cirkulaci vzduchu pomocí ventilátoru. Pasivní chlazení poskytují tvarované, nejčastěji z mědi vyráběné, součástky, které pohlcují teplo z procesoru a jsou následně okolním vzduchem ochlazovány. Dalším typem chlazení je heatpipe, založené na odpařování a kondenzaci. Procesor mŧže být ochlazován i pomocí vodního chlazení, jedná se o uzavřený okruh, ve kterém proudí chladící kapalina. Posledním typem je kombinované chlazení, které využívá jak aktivního, tak i pasivního chlazení procesoru. Dobrý převod tepla z procesoru na blok chladiče zaručují rŧzné druhy teplovodivých past. Pasta vyplňuje místa mezi procesorem a blokem chladiče, která k sobě dokonale nepřiléhají. Vývoj nových procesorŧ řady P4 Prescott (INTEL) přinášel řadu problémŧ, jako spotřebu elektrické energie či vysoké teploty procesorŧ. Koncept BTX (Balanced Technology eXtended) byl návrhem společnosti INTEL pro nahrazení starší formy ATX (Advanced Technology eXtended). Hlavním cílem bylo zminimalizovat problémy spojené s nástupem nových technologií, které spotřebovaly více elektrické energie a produkovaly více tepla jako například procesor INTEL Pentium 4. Mezi první společnosti, které použili BTX, patří Dell, Gateway Inc. a Apple. TDP Thermal Design Power - navrţený tepelný výkon Hodnota TDP nepředstavuje nejvyšší výkon procesoru, představuje ale nejvyšší možný tepelný výkon, které musí chlazení počítače umět odvést. Použití TDP slouží pro určení přibližné představy o tepelném výkonu vyzářeném procesorem. Firmy Intel a AMD mají odlišný pohled na definici navrženého tepelného výkonu. Definice TDP dle společnosti INTEL Corporation TDP by mělo být použito jako cíl pro návrh chlazení procesoru. TDP nepředstavuje maximální možný výkon, který by procesor mohl být schopen vykonat. Definice TDP dle společnosti AMD Inc. TDP je maximální proud, který CPU mŧže odebírat na továrním napětí a frekvenci v nejhorších tepelných podmínkách.
27
3.1.
Aktivní chlazení procesoru
Jedná se o chlazení proudem vzduchu, tvořené ventilátorem. Rozměry ventilátoru jsou rŧzné od 25mm až po 120 mm a jejich otáčky se pohybují v rozmezí 600 – 4800 RPM (anglická zkratka pro otáčky za minutu). Aktivní chladič tvoří kovový radiátor, dosedající přímo na procesor. Jeho žebry prohání pro lepší odvod tepla ventilátor chladící médium – obvykle vzduch. Windtunely umožňují nasávat chladící médium z oblasti vně skříně, bez promíchání s relativně ohřátým vzduchem v nitru skříně. Také umožňují lépe řídit toky chladícího média skříní. Čím větší rozměr chladiče, tím vyšší je prŧtok vzduchu. Hlučnost procesoru (udávána v dB – jednotka hluku) je závislá na počtu otáček chladiče. Obrázek 7: Aktivní chladič procesoru Cooler Master V10
Zdroj: http://www.alza.cz/coolermaster-master-v10-d120516.htm
3.2.
Pasivní chlazení procesoru
Pasivní chlazení procesoru je založeno na kovové součástce a na pokrytí co největší plochy pro nejlepší převod tepla mezi procesorem a chladičem. Vyrobeny mohou být z jednoho kusu (menší chladiče) či více kusŧ. Při výrobě jsou použity materiály s vysokou tepelnou vodivostí, jedná se o měď nebo hliník. Měděné chladiče mají mnoho výhod oproti hliníkovým, což se odráží na jejich ceně. Mají mnohem větší tepelnou vodivost a jejich konstrukce je pevnější, díky čemuž mohou mít žebra chladiče menší tloušťku. Nejnovější pasivní chladiče využívají technologii heatpipe (tepelné trubice). Pro správnou funkci pasivního chlazení je nutno zajistit dostatečný prŧtok chladícího média žebry radiátoru. Toto řešení umožňuje snížit celkový počet ventilátorŧ v skříni počítače.
28
Obrázek 8: Pasivní chladič procesoru
Zdroj: http://www.alza.cz/pasivni-chladic-thermalright-ultra-120-extreme-1366-d104896.htm
3.3.
Heatpipe
Poprvé byla tato technologie použita při chlazení ledových boxŧ. Tepelná vodivost je až tisíckrát vyšší než u stejně velké měděné trubice. Heatpipe využívá přenos tepelných výkonŧ při zachování malého rozdílu teplot. Heatpipe je založeno na odpařování a kondenzaci. Chladič je složen z trubic, které jsou hermeticky (vzduchotěsně) uzavřeny. Trubice mohou obsahovat vodu, čpavek, alkohol či propanbutan a tyto látky proudí v trubicích pod tlakem. Zbytek trubic je vyplněn parami. Obrázek 9: Heatpipe chladič
Zdroj: http://www.alza.cz/pasivni-chladic-thermalright-ultra-120-extreme-1366-d104896.htm
29
3.4.
Vodní chlazení procesoru
Vodní chlazení vzniklo kolem roku 2000. Dŧvodem byl nástup výkonných procesorŧ, které dosahovaly vysokých teplot a tehdejší chladiče neměly dostatečný výkon pro jejich uchlazení. Vodní chlazení funguje na principu uzavřené soustavy, ve které protéká chladící kapalina (destilovaná voda). Soustava se skládá z čerpadla, umožňujícího prŧtok destilované vody v soustavě, několika chladičŧ pro jednotlivé komponenty (CPU, HDD, atd.) a velkého pasivního chladiče pro výměnu tepelné energie. V dnešní době je možné zakoupit celou sestavu vodního chlazení, jehož největší výhodou je minimální hlučnost, která je ve srovnání s aktivním chlazením rovna téměř nule. Vodní chlazení je nejdražší možnou variantou, jak zajistit chlazení procesoru a ostatních komponent. Velikým rizikem je netěsnost soustavy. Obrázek 10: Vodní chlazení procesoru Swiftech Apogee GTX
Zdroj: http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/9331-test_13_cpu_bloku_vodniho_chlazeni-12_popis_bloku
3.5.
Kombinované chlazení procesoru
Jedná se o nejčastější formu chlazení dnešních procesorŧ. Na pasivním chladiči je usazen chladič aktivní. Procesor přenáší tepelnou energii jím vyzářenou na chladič pasivní (například měděný), který je ochlazován proudem vzduchu nasávaným aktivním chlazením.
30
Obrázek 11: Kombinovaný chladič Thermaltake ISGC 400
Zdroj: http://www.alza.cz/thermaltake-isgc-400-d135426.htm
3.6.
Chlazení procesoru v moderním desktopu
Standardním chlazením procesoru v desktopu je použití kombinovaného chlazení, kdy na pasivním chladiči je umístěn chladič aktivní. Správně navrhnuté proudění vzduchu v počítačové skříni mŧže ovlivnit celkový výkon počítače a celkovou výdrž jednotlivých komponent počítače. Pomocí aktivního chladiče je studený vzduch nasáván a směrován k procesoru nejčastěji z přední části počítačové skříně. Pro odvod teplého vzduchu ze skříně počítače, vyzářeným jednotlivými komponenty, slouží aktivní chladiče (jejichž počet závisí na modelu skříně) a část teplého vzduchu odvádí zdroj počítače se samostatným ventilátorem. Bez chlazení a odvodu teplého vzduchu by došlo k přehřátí procesoru a jeho následnému spálení. Moderní základní desky jsou osazeny čidly, která kontrolují teplotu procesoru a jsou schopny předejít jeho zničení vypnutím celého počítače. Obrázek 12: Cirkulace vzduchu v běţné PC skříni
Zdroj: http://www.svethardware.cz/forum/picture.php?albumid=32&pictureid=626
31
3.7.
Chlazení procesoru v moderním serveru
Optimalizace chlazení v moderním serveru je velice dŧležitá a nákladná činnost, které by se rozhodně měla věnovat pozornost. Zpŧsob chlazení závisí na velikosti serveru, u menších je systém chlazení procesoru řešen podobně jako v moderním desktopu. Nejběžnějším zpŧsobem chlazení větších serverŧ je systém nasávání studeného vzduchu pod velkým tlakem a jeho následného vedení uvnitř skříně serveru pomocí takzvaných uliček a teplý vzduch je odváděn pomocí soustavy ventilace ven z budovy. Výhodou takto chlazeného serveru je jednoznačně úspora elektrické energie a prodloužení výdrže jednotlivých komponent. Obrázek 13: Server HP ProLiant DL385 G1
Zdroj: Ing. Robert Basl
32
4. Výroba procesoru Výroba procesorŧ je velice složitá a nákladná činnost, podílí se na ní řada odborníkŧ z rŧzných firem. Nejedná se jen o firmy INTEL Corporation a AMD Inc., ale i mnoho dalších. Výroba prochází mnoha procesy jako je výzkum, vývoj, návrh a modelové testování. Proces výroby procesorŧ probíhá ve velice čistém prostředí (tzv. Cleanroomy) s přísnými hygienickými podmínkami. Veškerý personál musí nosit skafandry (tzv. Bunny Suits), vzduch je několikrát filtrován a je kontrolována i jeho vlhkost.
4.1.
Návrh procesoru
Návrh procesoru je nesmírně složitý proces, který je bez dnešních moderních technologií neproveditelný. Návrh vychází ze získaných zkušeností a osvědčených řešení problémŧ z předešlých modelŧ procesorŧ. Po navržení čipu a toho, jak bude pracovat, vznikne řada masek. Masky se během vývoje a revize mění. Masky se následně používají při výrobě čipu. Návrhy procesorŧ jsou limitovány omezenou plochou waferu, frekvencí čipŧ vzhledem k jejich architektuře, chlazením a několika dalšími faktory. Výrobní technologie se neustále zmenšují a složitost čipŧ narŧstá, což vede k problematice při vývoji. Dalšími problematickými oblastmi jsou vyšší teploty čipu a jeho následné přehřívání a rozvod tepla na čipu samotném. Výrobce je konkurencí nucen využívat výrobní technologie až do jejich maximálních limitŧ. Při navrhování procesoru a realizaci jeho výroby se používají speciální programy, ve kterých se definují signály, vstupy, výstupy a funkce obvodŧ. Dále vše zpracovává software pro návrh obvodŧ. Dŧležité je neustálé testování prototypu.
4.2.
Výroba procesoru
Procesory se vyrábí ve velmi čistých prostředích, kde je ovzduší neustále filtrováno, a pracovníci jsou oblečeni do skafandrŧ. To vše pro minimalizaci znečištění. Při výrobě procesorŧ se používá mnoho materiálŧ jako například křemíkový wafer. Mikroprocesor je vyroben z křemíkové desky ve tvaru kruhu (wafer) vrstvu po vrstvě. Přes fotolitografickou masku je wafer osvětlován UV zářením a následně chemicky upravován. Tranzistory, tvořící základ procesorŧ, se vyrábí pomocí světla. Některé mikroprocesory obsahují defekty a jsou proto vyřazeny. 33
4.3.
Materiály použité při výrobě procesoru
Chemikálie a plyny. Jedná se hexamethyldisilazane sloučeniny či bór. Výrobní společnosti se snaží o nahrazení škodlivých chemikálií a plynŧ látkami méně zatěžujícími životní prostředí. Kovy. Při výrobě procesorŧ se používá především měď nebo hliník, které jsou dobrými vodiči elektrické energie. Záření. Používá se zejména UV (ultrafialové) záření s krátkou vlnovou délkou. UV záření slouží pro vysvícení vzorŧ přes fotolitografickou masku na jednotlivé vrstvy procesoru. Masky se používají jako prostředek a zdroj při vysvícení vzorŧ na každé jednotlivé vrstvě procesoru. Litografická deska obsahuje velké množství dat, která jsou nezbytně nutná pro jejich výrobu. Obrázek 14: Zařízení pro fotolitografii
Zdroj: http://www.svethardware.cz/forum/picture.php?albumid=32&pictureid=626
4.4.
Fáze výroby
Prvotní růst – Na waferu se vytvoří vrstva oxidu křemičitého pomocí plynŧ a vysokých teplot. Vrstva oxidu křemičitého je příliš tenká (okem nerozpoznatelná) a roste velmi rychle. Vrstva musí splňovat určité požadavky, například minimální rozptyl tloušťky, minimální rozptyl měrného elektrického odporu a co nejmenší poškození její struktury. 34
Pokrytí fotorezistem – V této fázi dochází k pokrytí vrstvy oxidu křemičitého substancí, která při vystavení UV záření mění svoje vlastnosti. Fotolitografie – UV záření se přes masku vzorŧ a optické čočky zaměří na wafer. Obraz promítnutý na wafer je 4 až 5 krát zmenšen. Maska chrání wafer před UV zářením. Nechráněné části se naleptají. Na každou vrstvu se při vrstvení použije jiná maska se vzory. Leptání – Pomocí rozpouštědla se odstraní naleptané části. Následně dojde k odstranění zbytkŧ fotorezistu. Tato fáze ponechá pouze vzory vytvořené oxidem křemičitým na waferu. Vrstvení – Po vytvoření vrstvy oxidu křemičitého se nanáší vrstva polysilikonu (k propojení čipŧ) a vrstva fotorezistu. UV záření se opět zaměří na další masku a zanechá na ní požadované vzory. Dále se opakuje fáze leptání. Iontová implantace – Na určité části waferu narážejí elektricky nabité atomy (ionty), které jsou vloženy na wafer k určení cest pro vedení elektřiny. Překládání vrstev – Veškeré předchozí procesy (vrstvení, osvěcování, leptání, atd.) se opakují a vytváří se otvory, kterými vedou spoje mezi jednotlivými vrstvami. Atomy kovu se deponují do waferu a zaplňují vytvořené otvory. V obvodu mikroprocesoru je mnoho vrstev, jejich množství záleží na návrhu procesoru a na počtu masek. Wafery jsou po každém provedeném úkonu pečlivě kontrolovány. Obrázek 15: Wafer Nehalm Intel Core i7
Zdroj: http://www.legitreviews.com/news/5103/
35
4.5.
Příprava, testování a kompletace procesoru
Ve fázi přípravy je každé jednotlivé jádro opakovaně testováno. Vzhledem k tomu, že každý wafer obsahuje velké množství jader, musí být dŧkladně prohlédnut a jednotlivá jádra jsou od sebe oddělena pomocí diamantové pily. Jádra prochází optickou kontrolou a následně jsou testována a roztříděna podle kvality metodou Speed binning. Jádra, která splnila požadavky testŧ, jsou umístěna na keramickou destičku, která umožňuje umístění procesoru do socketu na základní desku pomocí technlologie PGA nebo LGA. Před poškozením samotného jádra je na procesor montován rozvaděč tepla IHS (Integrated Heat Speader).
36
5. Dělení procesorŧ Procesory se rozdělují dle délky operandŧ v bitech, dle jejich struktury, počtu jader a jejich parametrŧ.
5.1.
Dělení podle délky operandŧ v bitech
Počet bitŧ je základním parametrem procesorŧ. Například 8 bitový procesor umí počítat s čísly od 0 do 255, 16 bitový s čísly od 0 do 65 535, atd. Větší čísla procesor zpracuje v několika krocích. 4 nebo 8 bitové procesory se používají pro velmi nenáročné aplikace. Využití najdou např. v kalkulátorech, počítačových myších, klávesnicích, atd. 8 nebo 16 bitové procesory jsou vhodné pro středně těžké aplikace, používají se v mobilních telefonech, smartphonech, PDA, apod. 32 bitové procesory jsou použity ve starších počítačích, laserových tiskárnách, atd. 64bitové vícejádrové procesory používají moderní počítače.
5.2.
Dělení podle struktury procesoru
Struktura procesoru se rozděluje dle vnitřní architektury a dle zpŧsobu využití, například jedná-li se o spotřební elektroniku, je používán mikrokontroler, v případě prŧmyslového využití je použit digitální signálový procesor.
5.2.1.
Podle vnitřní architektury
RISC (Reduced Instruction Set Computer) procesory mají redukovanou instrukční sadu. Je to typ architektury, která využívá malý, vysoce optimalizovaný soubor instrukcí. Instrukční sada obsahuje malý počet jednoduchých instrukcí, díky tomu jsou řídící obvody CPU jednodušší a doba zpracování instrukcí je kratší. Řídící obvody zabírají okolo 8% na čipu, pro získání co nejvyšší rychlosti je ušetřené místo využito pro soubory registrŧ. Architektura RISC je v dnešní době využívána jen v počítačích Apple s mikroprocesorem PowerPC. RISC procesory našly uplatnění především ve
37
velkých počítačích (MIPS). Mají jednoduchý účel, např. řídit scannery, laserové tiskárny, atd. CISC (Complex Instruction Set Computer) procesory disponují velkým počtem instrukcí a malým počtem registrŧ. Strojové instrukce mohou být rŧzně dlouhé a jejich vykonání trvá rŧzně dlouhou dobu. Instrukční sada umožňuje zjednodušit programování ve strojovém kódu, protože již není nutné operace rozepisovat. Při výrobě CISC procesorŧ dochází k několika problémŧm (např. s vyššími frekvencemi, CACHE, návrh CPU, atd.). Nyní jsou některé modely vyráběny interně jako RISC, dŧvodem je snazší výroba RISC. Řídící obvody na čipu zabírají více jak 50% místa. Mikroprocesory s architekturou CISC převládají u osobních počítačŧ, příkladem jsou modely mikroprocesorŧ firem INTEL a AMD.
5.2.2.
Jednočipový mikropočítač (MCU)
Procesor je schopen samostatné funkce, obsahuje univerzální jádro spolu s integrovanými periferními obvody. Prŧkopníkem MCU je procesor Intel i8051, jedná se o 8bitový CPU, který jako první integroval jádro CPU, paměť RAM, EPROM16, čítače a časovače na jeden čip. Dále procesor Siemens SAB 80C166. Tento 16bitový procesor integruje komunikační linky a systém čítačŧ, časovačŧ a přerušení. MCU se používá ve spotřební elektronice (dálkový ovladač, mikrovlnná trouba, televizor, apod.) či v automatizované technice.
5.2.3.
Digitální signálový procesor (DSP)
Procesor se zaměřuje na zpracování signálu a na co nejrychlejší opakování matematických algoritmŧ. Příkladem DSP mŧže být filtrování signálu skrze filtry FIR (dlouhé infračervené záření) a IR (infračervené záření) nebo Fourierova analýza, jedná se o matematický proces, kterým lze komplexní kmitání rozložit do velkého množství jednotlivých sinusových kmitŧ a určit tak jednotlivé složky komplexního tónu nebo zvuku. DSP se uplatňuje v prŧmyslové výrobě nebo v diagnostických jednotkách.
16
Erasable Prgrammable Read-Only Memory. Jedná se o typ paměti ROM – RAM a její obsah je smazatelný
UV zářením.
38
5.3.
Dělení podle počtu jader
V dnešní době se výrobci snaží zvyšovat počet jader na čipu v osobních počítačích. Větším počtem jader lze dosáhnout mnohem vyššího výpočetního výkonu. Problematikou je řešení struktury, sdílení paměti, vnitřní připojení vícejádrových procesorŧ, jejich programování a jejich obsluha operačním systémem. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader na jednom čipu je technologicky omezeno. Zatím. Obrázek 16: Jádro procesoru INTEL Atom N270
Zdroj: http://www.xmaestro.com/view.php?cisloclanku=2008050029
5.4.
Základní parametry procesoru
Je obtížné vybrat několik parametrŧ procesoru, existuje totiž mnoho architektur, které se specializují na rŧzné oblasti. Rychlost jádra udává počet operací provedených za vteřinu (MIPS). Šířka slova udává maximální bitovou šířku operandŧ instrukcí, kde jednotkou je bit. Počet jader udává množství a typ jader integrovaných v procesoru. Počet instrukčních kanálů udává maximální počet instrukcí proveditelných jedním jádrem v jednom taktu procesoru, jednotkou je číslo. Efektivita strojového kódu udává počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací, jednotkou mŧže být např. Dhrystone na MIPS (syntetický počítačový program). Výkon FPU udává počet základních operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést jednotka FPU.
39
Šířka externí datové sběrnice udává maximální počet bitŧ, které je možné během jediné operace přenést z (do) čipu. Frekvence datové sběrnice (FSB) udává maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM. Interní paměť CACHE je kapacita rychlé interrní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru. Velikost adresovatelné paměti je velikost externí paměti, kterou je procesor schopen přímo používat. Tabulka 4: Základní parametry procesoru
Parametr
Popis
Jednotka
Rozsah
Rychlost jádra
Počet operací /s
MIPS (mil.operací/s)
0-3000 MIPS
Šířka slova
Max. bitová šířka
bit
4-128
Počet jader
Počet a typ jader
číslo
1.8
číslo
1.4
Počet instr. kanálŧ
Max. počet instrukcí jedním jádrem
Efektivita stroj. kódu
potřebných pro operace
Výkon FPU
Jednotka FPU
Datové sběrnice FPS Paměť CACHE Velikost paměti
Počet instrukcí
počet Dhrystone na MIPS
Max. počet bitŧ, které je možné přenést z (do)chipu Max. frekvence přístupu do externí paměti RAM Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti Velikost externí paměti pro procesor Zdroj: Vlastní tvorba
40
MFLOPS
desítky GFLOPS
bit
8.64
MHz
MHz
Byte
MB
Byte
4GB a více
6. Testy procesorŧ Pro testování jsem měl k dispozici procesory Intel Core 2 Duo T8300, Intel Core 2 Duo E8400, Intel Core 2 Quad Q6600 a AMD Athlon II X2 240. Použil jsem programy Open CPU Benchmark (OCB) a 3D MARK VANTAGE od společnosti FUTUREMARK. Tato společnost byla založena v roce 1997 a zaměřuje se na 3D grafické programy, nástroje a poskytování služeb pro počítače, mobilní telefony a automobilový prŧmysl. Sídlí ve Finsku ve městě Espoo.
6.1.
Testovací programy
Programŧ, které provádějí zátěžové testy procesorŧ, je mnoho, ať už je jejich licence zdarma či placená. Avšak programy placené poskytují testy často komplexnější a jejich výsledky jsou mnohem obsáhlejší, výsledky je i možné porovnat s ostatními uživateli na webových stránkách výrobce, kde je vedena databáze testŧ od rŧzných uživatelŧ. Pro
testování
vybraných
procesorŧ
jsem
použil
nejnovější
produkt
společnosti
FUTUREMARK 3D MARK VANTAGE, který má licenci placenou. Jedná se o kvalitní diagnostický nástroj, který se zaměřuje na výkon počítače. Program nabízí kompletní test počítače nebo jen určitých komponent. Jedná se o takzvaný polosyntetický benchmark17 a obsahuje několik kvalitních a náročných 3D animací, rozdělených do dvou testŧ (AI TEST a PHYSIC TEST). Oba testy vypočítávají počet provedených operací za vteřinu. Testy jsou následně vyhodnoceny a výsledky zobrazeny. Druhým, mnou zvoleným testovacím nástrojem, byl Open CPU Benchmark (OCB), jenž nabízí licenci zdarma. Používá MMX, SSE3, SSE2, SSE pro testování jednotlivých procesorŧ. Podporuje dvou i čtyřjádrové procesory. Vypočítává soubor informací pomocí techniky nazvané Erathosthene. SSE (Streaming SIMD Extension) – Instrukční sada navrhnuta společností INTEL pro procesor Pentium III. INTEL vyvinul SSE jako odpověď na 3Dnow! od společnosti AMD. Díky SSE v procesoru se zvýšil počet registrŧ o osm 128 bitových (XMM0 – XMM7). SSE2 – Přidáno dalších 144 instrukcí. 17
Program pro testování výkonu, rychlosti, kompatibility daného zařízení, aplikace či dat.
41
SSE3 – Nárŧst o 13 nových instrukcí. MMX – (MultiMedia eXtension) Multimediální technologie, vytvořená společností INTEL pro procesory Pentium MMX, ve kterých došlo po implementování MMS ke zvýšení vnitřní L1 CACHE z 16 na 32 kB.
6.2.
Popis testovaných procesorŧ
Při popisu jednotlivých procesorŧ jsem se zaměřil na jejich parametry, výrobní technologie, technologie, které procesory podporují atd. Při posuzování výkonu procesorŧ není možné se zaměřit pouze na jejich frekvenci, která je samozřejmě dŧležitým parametrem, ale jsou zde i jiné faktory. Mezi dŧležité údaje patří FSB (frekvence systémové sběrnice), která přenáší informace mezi procesorem a systémovým řadičem (Northbridge). Dále velikost vyrovnávací paměti CACHE, která má několik úrovní (L1, L2 a L3). Testováním procesorŧ by toto tvrzení mělo být potvrzeno či vyvráceno.
42
6.2.1.
Procesor AMD Athlon II X2 240
Prvním testovaným byl procesor od společnosti AMD, modelového označení Athlon II X2 240. Tento dvoujádrový procesor je vyráběn 45nm procesem, což vede ke snížení spotřeby energie. Svou architekturu x86 převzal od vyšších modelŧ Phenom označené jako AMD64, bohužel bez sdílené L3 CACHE paměti. Jádro nazvané Regor je vyrobeno technologií nataženého křemíku (SOI – Silicon On Insulator). Obě jádra obsahují 128 kB vyrovnávací paměti, přičemž 64 kB je pro instrukce a 64kB je pro data. Pracovní frekvence činí 2,8 GHz. Procesor je určen pro platformu Socket AM3 a paměti DDR3 jsou plně podporovány. Tabulka 5: Popis procesoru AMD Athlon X2 240 AMD Athlon II X2 VÝROBCE
AMD
JÁDRO
Regor
VÝROBNÍ PROCES
45 nm AMD Athlon II X2 240
MODEL
64bit
ARCHITEKTURA
2,8 GHz
PRAC. FREKVENCE
2000 MHz
FSB TDP
65W
SOCKET
AM3
POČET JADER
2 Processors Cores
SCHOPNOSTI
MMX, Cmov, RDTSC, SSE, SSE2, SSE3, PAE, NX, SSE4A LEVEL 3
CACHES LEVEL
1
KAPACITA
256 kB
TYP
Data, Internal
DETAILY
Pipeline Burst
OPRAVA CHYB
Single-bit ECC
LEVEL
2
KAPACITA
2 MB
TYP
Instruction, Data, Internal
DETAILY
Pipeline Burst
OPRAVA CHYB
Single-bit ECC
LEVEL
3
KAPACITA
0B
TYP
Internal Zdroj: Vlastní tvorba
43
6.2.2.
Procesor INTEL Core 2 Duo E8400
Druhým testovaným procesorem byl Core 2 Duo od společnosti INTEL. Jedná se o dvoujádrový procesor vyráběný 45 nm procesem. Jádro Wolfdale přináší velkou úsporu energie, na které se podílí již zmiňovaný 45 nm výrobní proces. Každé jádro pracuje na frekvenci 3,00 GHz a frekvence systémové sběrnice poskytuje 1333 MHz. Procesor využívá unifikovanou sdílenou vyrovnávací paměť L2 CACHE o velikosti 6 MB. Za efektivnější provoz a chlazení zodpovídá technologie Enhanced Intel Speedstep. Procesor je určen pro patici Socket 775. Tabulka 6: Popis procesoru Intel Core 2 Duo E8400 INTEL CORE 2 DUO VÝROBCE
INTEL
MODEL VÝROBNÍ PROCES
Intel Core 2 Duo CPU E8400 45 nm Wolfdale
JÁDRO
64bit
ARCHITEKTURA PRAC. FREKVENCE
3,00 GHz
FSB
1333,0 MHz
TDP
65W LGA 775
SOCKET POČET JADER
2 Processors Cores
SCHOPNOSTI
MMX, Cmov, RDTSC, SSE, SSE2, SSE3, PAE, NX, SSE4.1 LEVEL 3
CACHES LEVEL
1
KAPACITA
64 kB
TYP
Data, Internal
DETAILY OPRAVA CHYB
Parity
LEVEL
2
KAPACITA
6 MB
TYP
Instruction, Data, Internal
DETAILY
Pipeline Burst
OPRAVA CHYB
Single-bit ECC
LEVEL KAPACITA TYP
3 0B Internal Zdroj: Vlastní tvorba
44
6.2.3.
Procesor INTEL Core 2 Duo T8300
Třetím testovaným procesorem je Intel Core 2 Duo T8300 osazený v laptopu ASUS M50SV. Tento dvoujádrový procesor je vyroben 45 nm výrobním procesem s jádrem Penryn. Obě jádra pracují na frekvenci 2,4 GHz, systémová sběrnice pracuje na frekvenci 800 MHz. Procesor využívá sdílenou vyrovnávací paměť L2 CACHE o velikosti 3 MB a je určen pro patici Socket 448. Tabulka 7: Procesor Intel Core 2 Duo T8300 INTEL CORE 2 DUO VÝROBCE
INTEL
JÁDRO VÝROBNÍ PROCES
Penryn 45 nm Intel Core 2 Duo CPU T8300
MODEL
64bit
ARCHITEKTURA PRAC. FREKVENCE
2,4 GHz 800,0 MHz
FSB
35W
TDP
Socket 448
SOCKET POČET JADER
2 Processors Cores
SCHOPNOSTI
MMX, Cmov, RDTSC, SSE, SSE2, SSE3, PAE, NX, SSE4.1 LEVEL 3
CACHES LEVEL
1
KAPACITA
32 kB
TYP
Data, Internal
DETAILY OPRAVY CHYB
Parity
LEVEL
2
KAPACITA
3 MB Instruction, Data, Internal
TYP DETAILY OPRAVY CHYB
Single-bit ECC
LEVEL
3
KAPACITA
0B
TYP
Internal Zdroj: Vlastní tvorba
45
6.2.4.
Procesor INTEL Core 2 Quad Q6600
Čtvrtým a zároveň posledním testovaným procesorem je Intel Core 2 Quad Q6600 založený na jádře Kentsfield a vyráběný 65 nm výrobním procesem. Procesor vznikl spojením dvou Core 2 Duo procesorŧ, čímž došlo ke zvýšení výpočetního výkonu vícevláknových aplikací. Každé ze čtyř jader pracuje na frekvenci 2,4 GHz a systémová sběrnice pracuje na frekvenci 1066 MHz. Procesor využívá sdílenou vyrovnávací paměť L2 CACHE 2 x 4 MB. Je určen pro patici LGA 775. Tabulka 8: Popis procesoru Intel Core 2 Quad Q6600 INTEL CORE 2 QUAD INTEL
VÝROBCE
Kentsfield
JÁDRO
65 nm
VÝROBNÍ PROCES
Intel Core 2 Quad CPU Q6600
MODEL
64bit
ARCHITEKTURA VNITŘNÍ FREKVENCE
2,4 GHz
FSB
1066,0 MHz
TDP
105W
SOCKET
LGA (Socket) 775
POČET JADER
4 Processors Cores
SCHOPNOSTI
MMX, Cmov, RDTSC, SSE, SSE2, SSE3, PAE, NX LEVEL 2
CACHES LEVEL
1
KAPACITA
128 kB
TYP
Data, Internal
DETAILY OPRAVY CHYB
Parity
LEVEL
2
KAPACITA
8 MB
TYP
Instruction, Internal
DETAILY OPRAVY CHYB
Singe-bit ECC Zdroj: Vlastní tvorba
46
6.3.
Výsledek testŧ procesorŧ
3D MARK VANTAGE Procesor AMD Athlon II X2 240 získal v testu programu 3D MARK VANTAGE nejméně bodŧ ze všech testovaných, přesně 4259. I přes jeho dvě jádra pracující na frekvenci 2,8 GHz a frekvenci systémové sběrnice 2000 MHz. Hodnota jeho vyrovnávací paměť L2 CACHE je pouhých 2 MB. Tato nízká hodnota zpomaluje přístup k používaným datŧm, avšak je znatelná jen při spuštění specifických aplikací a při plném vytížení procesoru, jako tomu bylo v testu. Třetí místo v testu obsadil dvoujádrový procesor INTEL Core 2 Duo E8400 s 6052 body. Jeho frekvence činí 3 GHz a frekvence systémové sběrnice 1333 MHz. Kapacita vyrovnávací paměti L2 CACHE je pouze 2 MB a rychlost komunikace mezi jádry procesoru je nízká. Čtyřjádrový procesor společnosti INTEL nesoucí označení Core 2 Quad Q6600 byl testem ohodnocen počtem 8623 body, dosahuje frekvence 2,4 GHz a frekvence systémové sběrnice 1066 MHz. Procesor využívá sdílenou vyrovnávací L2 CACHE paměť o kapacitě 8 MB, absence paměti L3 CACHE se v testu projevila výsledným skóre procesoru. Nejlepší z hodnocených procesorŧ byl INTEL Core 2 Duo T8300, který získal 9014 bodŧ. Procesor T8300 je určený pro laptopy s pracovní frekvencí 2,4 GHz a frekvence systémové sběrnice činí 800 MHz. Procesor používá sdílenou vyrovnávací paměť typu L2 CACHE. Open CPU Benchmark Procesory společnosti INTEL Corporation se v testu OCB umístily v tomto pořadí: Core 2 Duo E8400 s 2834 body, Core 2 Duo T8300 s 2466 body a Core 2 Quad Q6600 s 2371 body. Jediný z řady AMD Inc. procesor Athlon X2 240 získal dle OCB 2076 bodŧ.
47
6.3.1.
Procesor AMD Athlon II X2 240 Tabulka 9: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE AMD Athlon X2 240 VÝSLEDEK TESTU 3D MARK VANTAGE
SKORE
4259 b.
SYSTÉM OPERAČNÍ SYSTÉM
Windows 7
PROCESOR
AMD Athlon II X2 240
FREKVENCE CPU
2807 MHz
GRAFICKÁ KARTA ZÁKLADNÍ DESKA
ATI Radeon HD 5670 ASUStek Computer INC.
OPERAČNÍ PAMĚŤ
4096 MB
VÝSLEDKY TESTŮ AI TEST
521.89 Operací / s 521.89 Operací / s 7558.64 Operací / s 7558.64 Operací / s
PHYSICS TEST
7.34 Operací / s 7.34 Operací / s 64.69 Operací / s 64.69 Operací / s Zdroj: Vlastní tvorba
Tabulka popisuje výsledné skóre procesoru Athlon X2 240, operační systém, typ procesoru a jeho takt, grafickou kartu, typ základní desky, operační paměť a výsledky testŧ ve formě provedených operací za vteřinu. Obrázek 17: Výsledek testu OCB AMD Athlon X2 240
Zdroj: Program Open CPU Benchamrk
48
6.3.2.
Procesor INTEL Core 2 Duo E8400 Tabulka 10: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2D E8400 VÝSLEDEK TESTU 3D MARK VANTAGE
SKORE
6052 b.
SYSTÉM Microsoft Windows Vista
OPERAČNÍ SYSTÉM PROCESOR
Intel Core 2 Duo E8400
FREKVENCE CPU
3056 Hz
GRAFICKÁ KARTA
ATI Radeon HD 4600
ZÁKLADNÍ DESKA
P5Q - PRO
OPERAČNÍ PAMĚŤ
4096 MB
VÝSLEDKY TESTŮ AI TEST
803.61 Operací / s 803.61 Operací / s 7372.34 Operací / s 7372.34 Operací / s
PHYSICS TEST 8.87 Operací / s 8.87 Operací / s 64.51 Operací / s 64.51 Operací / s Zdroj: Vlastní tvorba
Tabulka popisuje výsledné skóre procesoru INTEL E8400, operační systém, typ procesoru a jeho takt, grafickou kartu, typ základní desky, operační paměť a výsledky testŧ ve formě provedených operací za vteřinu. Obrázek 18: Výsledek testu OCB Intel C2D E8400
Zdroj: Program Open CPU Benchmark
49
6.3.3.
Procesor INTEL Core 2 Duo T8300 Tabulka 11: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2D T8300 VÝSLEDEK TESTU 3D MARK VANTAGE
SKORE
9014 b.
SYSTÉM OPERAČNÍ SYSTÉM
Microsoft Windows 7
PROCESOR
Intel Core 2 Duo T8300
FREKVENCE CPU GRAFICKÁ KARTA
2394 MHz NVIDIA GeForce 9500M GS
ZÁKLADNÍ DESKA
ASUStek Computer INC.
OPERAČNÍ PAMĚŤ
4096 MB
VÝSLEDKY TESTŮ AI TEST
582.99 Operací / s 582.99 Operací / s 7372.34 Operací / s 7372.34 Operací / s
PHYSICS TEST
28.63 Operací / s 28.63 Operací / s 64.51 Operací / s 64.51 Operací / s Zdroj: Vlastní tvorba
Tabulka popisuje výsledné skóre procesoru INTEL T8300, operační systém, typ procesoru a jeho takt, grafickou kartu, typ základní desky, operační paměť a výsledky testŧ ve formě provedených operací za vteřinu. Obrázek 19: Výsledek testu OCB Intel C2D T8300
Zdroj: Program Open CPU Benchmark
50
6.3.4.
Procesor INTEL Core 2 Quad Q6600 Tabulka 12: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2Q Q6600 VÝSLEDEK TESTU 3D MARK VANTAGE
SKORE
8623 b.
SYSTÉM OPERAČNÍ SYSTÉM
Microsoft Windows Vista
PROCESOR
Intel Core 2 Quad Q6600
FREKVENCE CPU GRAFICKÁ KARTA
2400 MHz NVIDIA GeForce 8600 GT
ZÁKLADNÍ DESKA
ASUStek Computer INC.
OPERAČNÍ PAMĚŤ
2048 MB
VÝSLEDKY TESTŦ AI TEST
1162.28 Operací / s 1162.28 Operací / s 7372.34 Operací / s 7372.34 Operací / s
PHYSICS TEST
12.21 Operací / s 12.21 Operací / s 64.51 Operací / s 64.51 Operací / s Zdroj: Vlastní tvorba
Tabulka popisuje výsledné skóre procesoru INTEL Q6600, operační systém, typ procesoru a jeho takt, grafickou kartu, typ základní desky, operační paměť a výsledky testŧ ve formě provedených operací za vteřinu. Obrázek 20: Výsledek testu OCB Intel C2Q Q6600
Zdroj: Program Open CPU Benchmark
51
6.4.
Srovnání výsledkŧ testovaných procesorŧ Graf 1: Skóre procesorů dle 3D MARK VANTAGE
Zdroj: Vlastní tvorba
Graf znázorňuje počet bodŧ, které procesory získaly v testu 3D MARK VANTAGE. Procesory jsou seřazeny zleva od prvního do čtvrtého místa. Graf 2: Skóre procesorů dle Open CPU Benchmark
Zdroj: Vlastní tvorba
Graf znázorňuje počet bodŧ, které procesory získaly v testu Open CPU Benchmark. Procesory jsou seřazeny zleva od prvního do čtvrtého místa. 52
Součet bodŧ z testŧ 3D MARK VANTAGE Open CPU Benchmark Procesor INTEL Core 2 Duo T8300 11480 bodŧ. Procesor INTEL Core 2 Quad Q6600 10994 bodŧ. Procesor INTEL Core 2 Duo E8400 8886 bodŧ. Procesor AMD Athlon X2 240 6335 bodŧ. Graf 3: Přehled výsledků testů
Zdroj: Vlastní tvorba
Graf znázorňuje počet bodŧ, které procesory získaly v testu 3D MARK VANTAGE a Open CPU Benchmark a součet bodŧ z obou testŧ. Procesory jsou seřazeny zleva od prvního do čtvrtého místa.
53
Závěr Cílem mé bakalářské práce bylo popsat procesor jako takový, aby i začínající uživatel porozuměl dané problematice, dále zmapovat historii vzniku a vývoje procesoru až do současné doby, popsat výrobu a výrobce procesorŧ, jejich funkci, dělení, nezbytné součásti a zpŧsoby chlazení procesorŧ. Těmto tématŧm jsem se věnoval v kapitole 1 až 5. Vývoj procesoru od svých počátkŧ prošel masivní proměnou zdokonalování. Co se zdálo kdysi nemožné a nerealizovatelné je již dnes standardním řešením. Jedno pravidlo však zŧstává, procesor byl a je jednou z nejzákladnějších a nejdŧležitějších hardwarových komponent počítače. Mezi nejznámější výrobce procesorŧ patří společnosti INTEL Corporation a AMD Inc., jejichž postupy při výrobě procesorŧ jsem rozkryl v samostatné kapitole. Dále jsem vysvětlil význam a funkci procesoru, jeho dělení dle vnitřní architektury a zpŧsobu využití. Rovněž jsem popsal nezbytné, stále se vyvíjející součásti procesoru, jako jsou integrované periferie a především jeho jádro a dŧležitost počtu jader. Velmi dŧležitá je též kapitola o zpŧsobech a typech chlazení procesorŧ, protože bez nezbytného chlazení procesor nemŧže fungovat. Dalším cílem bylo provést testování, následnou analýzu a porovnání výsledkŧ mnou testovaných procesorŧ. Tento cíl jsem se pokusil naplnit v kapitole 6. Testování jsem provedl na čtyřech mně dostupných procesorech pomocí testovacích nástrojŧ 3D MARK VANTAGE a Open CPU Benchmark. Těchto testovacích programŧ existuje celá řada, já jsem se řídil doporučením uživatelŧ a jejich odborných diskuzí. Co se týká výběru procesorŧ, testoval jsem procesor svého laptopu a procesory desktopŧ rodinných příslušníkŧ. Z analýzy výsledkŧ testŧ vyplynulo, že výkonný a spolehlivý procesor musí splňovat hned několik kritérií. Nezáleží tudíž například jen na pracovní frekvenci nebo jen na počtu jader, ale dŧležité jsou i ostatní parametry procesoru jako je například frekvence systémové sběrnice či velikosti vyrovnávací paměti CACHE.
54
Při závěrečném srovnání a vyhodnocení výsledkŧ testŧ jsem dospěl ke zjištění, že všechny tři testované procesory společnosti INTEL Corporation jsou výkonnostně srovnatelné, i přes rozdíly v počtu jader a rozdíly v hodnotách taktovacích frekvencí či frekvencí systémových sběrnic. Procesor AMD Athlon X2 240 dopadl v obou testovacích programech nejhŧře z testovaných procesorŧ. Dŧvodem se jeví nízká hodnota sdílené vyrovnávací paměti L2 CACHE. Bohužel jsem měl k dispozici jen jediný procesor od společnosti AMD Inc. Jistě by bylo zajímavé mít k porovnání stejný počet výkonnostně srovnatelných modelŧ procesorŧ společnosti AMD, jako jsem měl k dispozici procesory INTEL.
55
Bibliografie 1. HORÁK J.: Hardware, učebnice pro pokročilé. Computer Press Books, a.s. 2005. ISBN: 978-80-251-1741-5 2. BROŢA P., JAHODA M., KUCHAŘ M.: Bible hardwaru. B4U Publishing, 2009. ISBN: 977-18-021-2214-6 3. [Citace 10. 3. 2010] http://www.intel.com/index.htm#/cz_CZ_01 4. [Citace 12. 3. 2010] http://www.amd.com/uk/Pages/AMDHomePage.aspx 5. [Citace 5. 2. 2010] http://cs.wikipedia.org 6. TIŠNOVSKÝ P. Jak se zrodil procesor? http://www.root.cz [Online] 16. 11. 2007. [Citace 10. 3. 2010] http://www.root.cz/clanky/jak-se-zrodil-procesor/ 7. [8. 1. 2010] http://www.svethardware.cz/index.jsp 8. FUAD ABAZOVIC. Intel plans Core i7 970. www.fudzilla.com [Online] 1. 2. 2010. [Citace 15. 3. 2010]. http://www.fudzilla.com/content/view/17477/1/
56
Seznam obrázkŧ Obrázek 1: Počítač MARK II ................................................................................................... 11 Obrázek 2: Von Neumannovo schéma ..................................................................................... 14 Obrázek 3: Moorŧv zákon ........................................................................................................ 15 Obrázek 4: Schéma procesoru Intel Core i7 980X ................................................................... 18 Obrázek 5: Procesor Intel Atom N270 ..................................................................................... 18 Obrázek 6: Konfigurace paměti CACHE ................................................................................. 22 Obrázek 7: Aktivní chladič procesoru Cooler Master V10 ...................................................... 28 Obrázek 8: Pasivní chladič procesoru ...................................................................................... 29 Obrázek 9: Heatpipe chladič .................................................................................................... 29 Obrázek 10: Vodní chlazení procesoru Swiftech Apogee GTX .............................................. 30 Obrázek 11: Kombinovaný chladič Thermaltake ISGC 400 ................................................... 31 Obrázek 12: Cirkulace vzuchu v běžné PC skříni .................................................................... 31 Obrázek 13: Server HP ProLiant DL385 G1 ........................................................................... 32 Obrázek 14: Zařízení pro fotolitografii .................................................................................... 34 Obrázek 15: Wafer Nehalm Intel Core i7 ................................................................................ 35 Obrázek 16: Jádro procesoru INTEL Atom N270 ................................................................... 39 Obrázek 18: Výsledek testu OCB AMD Athlon X2 240 ......................................................... 48 Obrázek 19: Výsledek testu OCB Intel C2D E8400 ................................................................ 49 Obrázek 20: Výsledek testu OCB Intel C2D T8300 ................................................................ 50 Obrázek 21: Výsledek testu OCB Intel C2Q Q6600................................................................ 51
57
Seznam tabulek Tabulka 1: Převod z binární do dekadické soustavy .................................................................. 9 Tabulka 2: Převod z dekadické do binární soustavy .................................................................. 9 Tabulka 3: Poměr mezi vnitřní a vnější frekvencí ................................................................... 24 Tabulka 4: Základní parametry procesoru ............................................................................... 40 Tabulka 5: Popis procesoru AMD Athlon X2 240 ................................................................... 43 Tabulka 6: Popis procesoru Intel Core 2 Duo E8400............................................................... 44 Tabulka 7: Procesor Intel Core 2 Duo T8300 .......................................................................... 45 Tabulka 8: Popis procesoru Intel Core 2 Quad Q6600 ............................................................ 46 Tabulka 9: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE AMD Athlon X2 240 ............................. 48 Tabulka 10: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2D E8400 .................................. 49 Tabulka 11: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2D T8300 .................................. 50 Tabulka 12: Výsledek testu 3D MARK VANTAGE Intel C2Q Q6600 .................................. 51
58
Seznam grafŧ Graf 1: Skóre procesorŧ dle 3D MARK VANTAGE .............................................................. 52 Graf 2: Skóre procesorŧ dle Open CPU Benchmark................................................................ 52 Graf 3: Přehled výsledkŧ testŧ ................................................................................................. 53
59
Seznam zkratek PC
Personal Computer
CPU
Central Processing Unit
ASCII
American Standard Code for Information Interchange
IBM
International Business Machines Corporation
ENIAC
Electronic Numerical Integrator And Computer
MANIAC
Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer),
UNIVAC
UNIVersal Automatic Computer
CERDIP
Ceramic Dip
RAM
Random Access Memory
ROM
Read Only Memory
CISC
Complex Instruction Set Computer
RISC
Reduced Instruction Set Computer
FSB
Front Side Bus
DSP
Digital Signal Procesor
PDA
Personal Digital Assistant
AMD
Advanced Micro Devices
TDP
Thermal Design Power
W
Watt
GHz
GigaHertz
MHz
MegaHertz
AVX
Advanced Vector Extension
XMM
eXtended Memory Manager 60
SSE
Streaming SIMD Extension
MB
MegaByte
DDR
Double Data Rate
APU
Accelerated Processing Unit
HD
High Definition
FPU
Floating-Point Unit
ALU
Arithmetic-Logic Unit
SoC
Systém on Chip
kB
kiloByte
kBit
kiloBite
SRAM
Static Random Access Memory
DRAM
Dynamic Random Access Memory
GPR
General Purpose Register
FPR
Floating Point Register
SIMD
Single Instruction Multiple Data
Hz
Hertz
ISA
Instruction set Architecture)
IA
Intel Architecture
PGA
Pin Grid Array
LGA
Land Grid Array
MIPS
Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages
HP PA
Hewlett Packard Precision Architecture
BTX
Balanced Tecgnology Extended 61
ATX
Advanced Technology Extended
TDP
Thermal Design Power
RPM
Rounds Per Minute
dB
deciBel
HDD
Hard Disc Drive
UV
UltraViolet
MCU
Microcontroller Unit
EEPROM
Electrically Erasable PROM
FIR
Fast Serial InfraRed
IR
InfraRed
OCB
Open CPU Benchmark
MMX
MultiMedia eXtension
MMS
Manufacturing Message Specification
L
Level
ECC
Error Checking and Correction
nm
nanometr
IHS
Integrated Heat Speader
62
