С обратной стороны подложки находится множество электронных компонентов, стабилизирующих напряжения для правильной работы внутренних частей процессора. Они окружены металлическими контактами, отвечающими за подключение процессора в сокет материнской платы.

С верхней стороны чип покрывается дополнительным слоем кремния. Следом наносится припой или пластичный терм интерфейс, после которого на процессор устанавливается термо-распределительная металлическая крышка.

После того, как процессор принимает привычный для нас вид, он отправляется на последнее тестирование. По его окончании на крышку наносится название модели и номер партии. Затем процессор отправляют в упаковочный цех. Из него он попадает на склад производителя, а следом — и на полки магазинов.

Так что же такое "Центральный процессор"

Центральный процессор — сложное электронное устройство. В его состав входят различные блоки вычислительных ядер, несколько уровней кэш-памяти, шины обмена данными, встроенная графика и прочие блоки. За счет чего же растет то самое IPC?

Вычислительные ядра

Инструкции, полученные процессором, поступают на исполнительный конвейер. От количества и скорости работы разнообразных исполнительных блоков, имеющихся в нем, зависит скорость исполнения инструкций. В каждом новом поколении количество таких блоков увеличивается, а также улучшается эффективность их работы. Сначала идут следующие блоки:

• Предсказатели переходов (Branch Predictors). Блоки, прогнозирующие выполнение или невыполнение инструкций в программах на несколько шагов вперед.

• Блоки выборки инструкций (Instruction Fetch Units, IFU). Блоки, занимающиеся выборкой инструкций для последующей передачи их декодерам.

• Декодеры (Decoders). Преобразуют сложные команды x86 в простейшие микрооперации для исполнения.

Это общая часть конвейера. Затем он разделяется на две части, каждая из которых предназначена для работы с собственным типом вычислений: целочисленную (Integer) и с плавающей запятой (Floating-Point). У каждой части имеются следующие независимые блоки:

• Блок переименования регистров (Register Rename). Исполняемые инструкции ссылаются на логические регистры. Этот блок переносит ссылки на физические регистры процессора.

• Планировщики исполнения (Schedulers). Выстраивают поступающие инструкции в очередь с целью максимально эффективного исполнения.

• Регистровый файл (Register File). Ячейки памяти, которые хранят коды команд в период их исполнения.

Далее целочисленная часть разделяется на несколько ячеек, которые называются исполнительными портами (Execution Ports). В каждом из них может быть один из следующих блоков:

• Арифметико-логическое устройство (Arithmetic Logic Unit, ALU). Занимается целочисленными вычислениями.

• Блок генерации адресов (Address Generation Unit, AGU). Вычисляет адреса, используемые ядром для доступа к памяти, а также занимается их загрузкой и выгрузкой.

• Блок хранения адресов (Store Data). Упрощенный вид AGU, который занимается исключительно выгрузкой адресов в память.

• Блок исполнения переходов (Branch Execution Unit, BRU). Выполняет переходы и вызовы процедур на основе решений исполняемой программы.

После исполнительных портов следует блок сохранения/загрузки (Load/Store), который отвечает за загрузку данных из памяти и сохранение данных в нее.

Часть вычислений с плавающей запятой называется FPU. Она работает с мультимедийными инструкциями семейств SSE, AVX, FMA и прочими. У этой части собственные порты, в которых другие блоки, отвечающие за математические операции: сложения (Add), умножения-сложения (Multiple-Add, MAD), умножения-накопления (Multiply-Accumulate, MAC), сдвига (Shift), смешивания (Shuffle).

Подсистема памяти

Помимо скорости работы вычислительных блоков, на производительность влияют скорость, объем и строение кэшей. В процессоре есть несколько различных кэшей, каждый из которых предназначен для ускорения работы на определенном отрезке процесса вычислений.

• Кэш инструкций (L1 Instruction Cache). Кэш, куда попадают еще не декодированные x86-инструкции.

• Кэш микроопераций (L0 Cache, Micro-Ops Cache). Кэш, предназначенный для хранения декодированных микроопераций.

• Кэш первого уровня для данных (L1 Data Cache). Кэш малого объема, предназначенный для данных. 

• Кэш второго уровня (L2 Cache). Кэш среднего объема, следующий за L1. Работает медленнее кэша первого уровня.

• Кеш третьего уровня (L3 Cache). Кеш большого объема, следующий за L2. Самый медленный из всех кэшей. В отличие от других кэшей, которые у каждого ядра свои, L3 - общий для всех ядер процессора.

• Буферы и очереди для работы с инструкциями (Instruction Buffers and Queue) используются для ускорения работы с инструкциями. В их число входят буфер переупорядочивания, буфер загрузки, буфер выгрузки, очередь декодированных микроопераций и очередь распределения.

• Буферы ассоциативной трансляции (Translation Lookaside Buffers, TLB). Небольшие кэши, расположенные после конвейера, а также между обычными кэшами разных уровней. Используются для ускорения трансляции виртуального адреса памяти в физический.

• Оперативная память (Random Access Memory, RAM). Последний уровень динамической памяти. Хотя сама память находится за пределами процессора, ее контроллер, задающий тип, число каналов и тактовую частоту, находится именно в ЦП.

Помимо объема и их скорости, на производительность влияют и другие характеристики кэшей:

• Организация. При инклюзивной организации кэша данные дублируются на различных уровнях. Это дает быстрый доступ к ним, но есть и минус — они занимают место на разных уровнях кэша. При эксклюзивной организации дублирований нет, и объем кэша используется более эффективно. Однако в случае, если нужных данных не оказалось в более быстром кэше, процессору придется тратить дополнительное время на извлечение их из более медленного уровня. Неинклюзивный кэш сочетает преимущества первых двух видов: он отслеживает данные, пытаясь спрогнозировать их необходимость на верхнем уровне кэша. При ее отсутствии алгоритмы вытесняют ненужные данные в нижний уровень кэша, экономя объем.

• Сегментация. У современных процессоров кэш последнего уровня может быть как монолитным, так и состоять из нескольких сегментов.

• Ассоциативность. Для ускорения работы кэша доступ к нему осуществляется по нескольким каналам. Уровень ассоциативности — это количество используемых кэшем каналов. Чем их больше, тем эффективнее работа кэша: меньше промахов при поиске данных, больше попаданий. Но с ростом числа каналов усложняется и система доступа к кэшу. Несмотря на меньшие промахи, в результате обработки большого количества каналов производительность кэша может снижаться.

Шины передачи данных

В современных многоядерных моделях важную роль играет также скорость передачи данных между внутренними компонентами процессора, в первую очередь — вычислительными ядрами. Каждая из компаний-производителей использует шину собственной разработки для соединения компонентов ЦП между собой:

• Компоненты процессоров Intel соединены кольцевой шиной Ring Bus.

• Компоненты процессоров AMD общаются посредством соединений шины Infinity Fabric.

Что дают усовершенствования различных блоков

На сегодняшний день процессорная архитектура, разработанная с нуля — очень редкое явление. Чаще всего новые процессорные архитектуры получаются с помощью доработки различных блоков уже существующих решений. В число таких доработок входят:

• Улучшение предсказателей переходов. Доработка этих блоков помогает увеличить производительность за счет уменьшения количества промахов предсказания инструкций.

• Увеличение количества декодеров. За счет этого процессор становится способен декодировать больше инструкций за такт. В теории, это должно прямо повлиять на производительность. Однако, для раскрытия потенциала большего количества декодеров необходимо одновременно «подтягивать» и другие части конвейера.

• Улучшения планировщиков исполнения. Благодаря этому становится возможным более «плотно» загрузить работой исполнительные порты. Это помогает добиться их большей эффективности, повышая производительность.

• Увеличение регистрового файла. Расширяет хранилище для поступающих команд. Обычно производится вместе с увеличением количества исполнительных портов – это делается для достижения их большей эффективности.

• Увеличение количества исполнительных портов. Расширение конвейера с добавлением вычислительных блоков позволяет производить больше расчетов за такт и быстрее передавать их. Это прямо влияет на производительность, особенно при сложном коде.

• Усовершенствования блока сохранения/загрузки. Позволяют совершать больше операций сохранения/загрузки за такт, тем самым увеличивая эффективность работы с памятью.

• Улучшения блоков FPU. Увеличение количества и производительности блоков вычислений с плавающей запятой позволяет быстрее выполнять мультимедийные инструкции, а также внедрять поддержку их новых видов.

Вдобавок к улучшениям вычислительных блоков процессоры новых архитектур обычно получают и улучшения подсистемы кешей:

• Увеличение размеров кэшей. Повышает количество хранящихся в них данных, вследствие чего уменьшается вероятность промаха.

• Увеличение скорости кэшей. Более высокая пропускная способность кэша снижает время, необходимое для его чтения или записи.

• Изменения в ассоциативности, организации или сегментации. Совокупность этих изменений обычно подбирается под прочие характеристики процессора, чтобы сделать работу кэша наиболее эффективной.

• Увеличение буферов и очередей работы с инструкциями. За счет увеличения позволяют более эффективно работать вычислительным блокам процессора.

• Увеличение буферов ассоциативной трансляции. Уменьшает вероятность промаха при поиске страницы памяти.

• Увеличение скорости обмена по внутренним шинам. Скорость внутренней шины повышается раз в несколько поколений, чтобы успевать передавать данные с учетом роста производительности ядер и роста их количества.

• Улучшения контроллера памяти. Более высокие тактовые частоты и новые типы памяти подбираются с учетом усовершенствований архитектуры, чтобы ОЗУ не стала узким местом в производительности системы.

Примеры архитектурных улучшений

Обратимся к примерам таких изменений. Для начала возьмем процессоры Intel. В 2021 году после шести лет «царствования» в десктопах архитектуры Skylake наконец-то вышли модели 11 поколения Core на новой архитектуре Sunny Cove.

На ее основе построены десктопные процессоры Rocket Lake, которые быстрее предшественников на одной частоте примерно на 10–12%. Это стало возможным благодаря следующим улучшениям:

• Пять инструкций за такт вместо четырех — заслуга расширенного декодера.

• Десять исполнительных портов вместо восьми: плюс один AGU, и еще один порт для блока Store Data.

• Усовершенствованный блок сохранения/загрузки, позволяющий производить одновременно две операции сохранения против одной у предшественника.

• Увеличенные буферы и очереди для работы с инструкциями.

• В полтора раза увеличенный кэш микроопераций и кеш L1. Последний, к тому же, был ускорен.

• Кэш L2 был увеличен в два с половиной раза. Его инклюзивная организация сменилась неинклюзивной.

Производительные ядра современных процессоров Alder Lake и Raptor Lake основаны на следующей, самой современной на данный момент архитектуре Intel — Golden Cove.

По сравнению с предшественниками Rocket Lake они быстрее примерно на 15–20 %. Это достигается благодаря следующим усовершенствованиям:

• В очередной раз расширенный декодер: шесть инструкций за такт против пяти

• Двенадцать исполнительных портов вместо десяти: плюс один ALU и один AGU.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Увеличены и ускорены кэши всех уровней.

• Новый контроллер памяти, работающий с ОЗУ DDR5 наряду с DDR4.

Теперь обратим внимание на изменения в современных процессорах AMD. В конце 2020 года были представлены первые процессоры архитектуры Zen 3 — Ryzen 5000 серии.

Благодаря им впервые за много лет AMD смогла перегнать по однопоточной производительности конкурентные процессоры Intel. Рост производительности на одной частоте по сравнению с предшественниками Zen 2 составил около 20 %. Это стало возможным благодаря следующим улучшениям:

• Предсказатель переходов получил улучшения для более эффективной работы.

• Количество исполнительных портов было увеличено с семи до восьми. Новый порт содержит блок BRU. К тому же, теперь и один из ALU может работать в качестве BRU.

• Количество планировщиков сокращено с семи до четырех. При этом каждый из переработанных планировщиков стал быстрее более, чем вдвое.

• Усовершенствованный блок сохранения/загрузки позволяет производить на одно сохранение и одну загрузку больше.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Усовершенствованный FPU расширился с четырех блоков до шести. Теперь у него два планировщика вместо одного.

• Комплекс процессорных ядер CCX теперь содержит восемь ядер вместо четырех. Это уменьшает задержки при их общении. В связи с этим изменилась и сегментация кэша третьего уровня: теперь в каждом чипсете L3 — монолитный, объемом в 32МБ. Ранее использовались две секции по 16 МБ.

Последнее поколение процессоров AMD — серия Ryzen 7000. Они основаны на архитектуре Zen 4.

Новые процессоры быстрее предшественников примерно на 13 % на одной частоте. Архитектура Zen 4 получила следующие усовершенствования:

• Предсказатель переходов в очередной раз усовершенствован.

• Увеличен и ускорен кэш микроопераций.

• Увеличены буферы и очереди для работы с инструкциями.

• Кэш L2 вырос вдвое — с 0.5 до 1 МБ на ядро.

• Увеличены размеры регистровых файлов.

• Блок сохранения/загрузки теперь работает более эффективно.

• Благодаря доработанному FPU добавлена поддержка инструкций AVX-512.

• Новый контроллер памяти, который работает с ОЗУ DDR5 против DDR4 у предшественника.

Что в итоге

Изменения в процессорных архитектурах разнятся из поколения в поколение. Это логично, ведь производители процессоров анализируют работу текущих поколений, и в первую очередь устраняют «узкие» места архитектур.

Рост производительности на такт (IPC) напрямую связан с блоками, в которые внесены изменения. Прирост производительности в разных видах задач может отличаться, в зависимости от внесенных в архитектуру изменений. Большинство программного обеспечения получает наибольший прирост от ускорения темпа целочисленных вычислений. Но есть и программы, которые больше чувствительны к скорости работы FPU или подсистемы кэшей.

IPC — главный показатель производительности современных ЦП, но далеко не единый. Стоит помнить, что прирост однопоточной производительности между разными поколениями процессоров дополнительно зависит от их тактовых частот, а многопоточной — еще и от количества ядер.