Elementi procesora

U ovom tekstu ćemo se pozabaviti osnovnim odlikama procesora, odnosno njihovim elementima. Razjasnićemo osnovne pojmove i objasniti na pitak i jasan način sve što je vezano za savremeni CPU, a da je od interesa korisniku, bez nepotrebnih tehničkih detalja. No, osnove ćemo svakako obraditi i svaki korisnik će steći jasnu predstavu šta predstavlja koji deo/parametar/karakteristika procesora.
Podnožje
Procesorsko podnožje (socket, slot) je mehanička komponenta koja omogućava mehanički i električni interfejs koji povezuje mikroprocesor i štampanu ploču (PCB). Prostije rečeno, podnožje služi da se u njega „smesti“ procesor. Nalazi se na matičnoj ploči, jasno je označeno i lako se raspoznaje. Montiranje procesora u podnožje je najčešće brzo i lako, ali uvek treba dobro proučiti uputstvo, naročito kada se pristupi montiranju kulera, pošto se mehanizmi montiranja razlikuju u zavisnosti od tipa podnožja.

Podnožje je skoro uvek izrađeno od plastike, uz metalne kontakte za svaki pin procesora ili metalni deo, uključujući i oprugicu kojom se procesor obezbeđuje u podnožju. Obično se ovakva opruga sreće na tzv. LGA podnožjima i služi da se procesor pričvrsti u svom podnožju i obezbedi pravilan kontakt između procesora i PCB-a matične ploče.
Postoji više vrsta procesorskih podnožja, a najčešća su ZIF (zero insertion force) ili već pomenuti LGA (land grid array). Razlikuju se po tome što za montiranje procesora kod ZIF podnožja nije potrebno koristiti nikakvu silu da bi se procesor pričvrstio u podnožju, već se za to koriste drugi mehanizmi. Kod LGA podnožja je to potrebno, ali se time dobija i dobro pričvršćen CPU, to jest visok stepen mehaničke stabilnosti.

Postoje razna procesorska podnožja koja su prilagođena modelima kompanije Intel (LGA 1155, LGA 1150, LGA 2011…) ili kompanije AMD (AM3+, FM1, FM2+…) i neretko korespondiraju sa platformama, posebno kada se radi o Intel procesorima. Procesori predviđeni za jedno podnožje se najčešće ne mogu koristiti u drugim podnožjima, osim ukoliko proizvođač ne garantuje kompatibilnost (na primer, AMD AM3 procesori mogu da se koriste u AM2+ podnožjima, ali ne u FM1 ili FM2 podnožjima). Prilikom montaže treba obratiti pažnju na orijentaciju podnožja. Iako su procesori kvadratnog oblika, skoro uvek je jedan ćošak drugačiji (na primer, ima nekoliko pinova manje, ne završava se ćoškom već je zasečen itd.) te se prema tome treba orijentisati prilikom montaže.
 
Arhitektura
Procesorska arhitektura je pojam koji se odnosi na dosta komplikovanije stavke od onih koje su nama potrebne. Za naše uslove, pojam procesorske arhitekture koristimo da označimo različite generacije procesora, odnosno „različite arhitekture“, i nećemo se baviti stručnim aspektima arhitekturne realizacije procesorskih komponenti i dizajna procesora uopšte. U PC računarima se koriste procesori kompanija Intel i AMD, koji pripadaju grupi tzv. x86 procesora. Osvrnućemo se na nekoliko poslednjih najbitnijih arhitektura najznačajnijih proizvođača.

Intel Haswell je četvrta generaciju Intel Core arhitekture i naslednik je Ivy Bridge generacije. Ovi procesori su se pojavili sredinom 2013. godine i odlikuje ih 22-nanometarski proizvodni proces. Haswell procesori su dizajnirani da funkcionišu zajedno sa Intel 8 Series čipsetovima, i vezani su za njih svojom platformom. Pomak koji je Haswell doneo je prevashodno na polju uštede energije, kao i benefit od prelaska na 3D tranzistore (neplanarne, odnosno tranzistore koji nisu u ravni nego u prostoru). Takođe, značajan pomak se beleži i na polju performansi integrisane grafike.
Intel Ivy Bridge je treća generacija Intel Core arhitekture i naslednik je Sandy Bridge generacije. Ivy Bridge procesori su se pojavili u prvoj polovini 2012. godine i predstavljaju prve 22-nanometarske Intelove procesore. Takođe, u njima su po prvi put korišćeni Tri-gate (3D) tranzistori i napravljen otklon od planarnih tranzistora, kojima je karakteristika da su im sve komponente u jednoj ravni. Ivy Bridge procesori funkcionišu zajedno sa Intel 7 Series čipsetovima u koje je po prvi put integrisan USB 3.0 i vezani su za njih svojom platformom. Među ostalim pomacima, ističu se pomak u uštedi energije, performansama, poboljšana integrisana grafika i RdRand (Intel Secure Key) instrukcije.

AMD Piledriver je naslednik Bulldozer arhitekture, kojim AMD cilja desktop, serversko i mobilno tržište. Promene su došle uglavnom putem unapređivanja postojećih mogućnosti. Piledriver koristi istovetni modularni dizajn sa unapređenim branch prediction i FPU/integer sekcijama, kao i da imamo unapređenja po pitanju potrošnje, te Turbo Core 3.0 za dinamičko overklokovanje čipova u zavisnosti od opterećenja. U praksi imamo unapređenja i po pitanju brzine i po pitanju energetske efikasnosti. Proizvodi bazirani na Piledriver jezgrima su se prvi put pojavili sredinom 2012. godine, a posebno je značajno istaći da su sa njima svoj procvat doživeli APU čipovi, odnosno procesori sa integrisanim grafikama solidne brzine i mogućnosti.
 
AMD Bulldozer je bio radikalni raskid sa dotadašnjim mikroarhitekturama kompanije AMD, i nakon duže vremena prva arhitektura koja je potpuno dizajnirana od nule. Čipovi su se pojavili u drugoj polovini 2011. godine, sa dorađenim multijezgarnim dizajnom, 32-nanometarskim proizvodnim procesom, te po prvi put uvedenim modularnim dizajnom za jezgra i FPU/integer sekcije procesora. Bulldozer je po prvi put doneo situaciju gde se, laički rečeno, čipovi mogu kreirati slaganjem ovih sekcija poput Lego kockica, gde od njihovog broja zavise karakteristike i klasa čipa, te smo dobili dvojezgarne, četvorojezgarne, šestojezgarne, osmojezgarne čipove koji su zapravo bazirani na identičnom dizajnu. Stoga se čipovi vrlo dobro skaliraju. Naravno, u odnosu na ranije modele Bulldozer je doneo i sijaset drugih unapređenja koja su rezultovala pomakom u performansama, kao i potrošnji.

Za kraj, napominjemo da u okviru određene arhitekture proizvođač može imati jednu ili više generacija platformi. Kod Intela, Core arhitekturu odlikuju značajne razlike od generacije do generacije (Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Broadwell…) i Intel ih odvaja i razvrstava po platformama, dok kod AMD-a ta situacija izgleda nešto drugačije – ima više iteracija unutar iste platforme sa kraćim vremenskim razmacima (AMD Kabini, Kaveri, Richland…), a neretko su one interoperabilne i postoji kompatibilnost u određenoj meri (na primer, Intel Ivy Bridge procesori se ne mogu koristiti sa Intel Haswell matičnim pločama i obrnuto, dok kod AMD-a ta kompatibilnost postoji za određen broj modela) i AMD platforme neretko koegzistiraju.
 Pod ovim pojmom podrazumevamo proces koji se koristi u izradi integrisanih kola poluprovodničkih proizvoda. Konkretno, koristimo ga da opišemo proizvodni proces čipova, bez obzira da li se radi o procesorima, grafičkim čipovima ili nekoj drugoj vrsti čipova. Ipak, nas ovde najviše interesuju procesori, a po običaju se upravo za njih i koriste najnapredniji proizvodni procesi. Obično ih razvrstavamo po mernoj jedinici koja označava veličinu jednog tranzistora – 32 nanometra, 22 nanometra i tako dalje. U trenutku pisanja ovog teksta su aktuelni 22-nanometarski procesori, kod kojih je veličina jednog tranzistora 22 nanometra, i za ovakve čipove kažemo da su izrađeni u 22-nanometarskom proizvodnom procesu.

Izrada procesora je komplikovan proces koji zahteva visok stepen čistoće, te danas u fabrikama procesora imamo filtriran vazduh koji ne sadržji ni najmanje čestice koje bi uticale na izradu. Ideja u smanjivanju veličine tranzistora jeste da na taj način dobijemo mogućnost da ih što više ubacimo na približno sličnu površinu. Na taj način se dobija mogućnost kreiranja više integrisanih kola, naprednijih instrukcije, optimizacije pajplajnove i slično. To rezultuje bržim procesorima, sa više jezgara, mogućnosti, instrukcija i tako dalje.
Proizvodni procesi stoga služe i da se generalno indicira koliko su napredni procesori i sugeriše kakve su im mogućnosti. Trenutno su aktuelni 32-nanometarski i 22-nanometarski procesori, koji su se pojavili 2010. i 2012. godine, respektivno. Tokom 2014. godine će biti predstavljeni 14-nanometarski procesori. Očekuje se da ćemo tokom 2016. godine dobiti 10-nanometarske procesore, tokom 2018. godine 7-nanometarske procesore, a da ćemo 2020. godine na tržištu imati 5-nanometarske procesore. Naravno, ovo su samo okvirna očekivanja.
Broj jezgara
Procesor sa više jezgara je komponenta sa dve ili više nezavisnih centralnih procesorskih jedinica, koje se nazivaju jezgrima, i koje su u stanju da čitaju i izvršavaju programirane instrukcije. Višejezgarni procesori su doneli veliki pomak u arhitekturi čipova, i koriste se u mnogim rešenjima i čipovima raznih namena, ne samo u centralnim procesorima. Na priloženoj fotografiji možemo videti uprošćenu šematsku strukturu jednog dvojezgarnog procesora.

Ideja iza ovakvog postupka jeste u tome što je više jezgara u stanju da pokreće više instrukcija/operacija istovremeno, dramatično unapređujući brzinu izvršavanja operacija i omogućavajući paralelno procesiranje više zadataka. Stoga važi pravilo da su u realnim uslovima višejezgarni procesori poželjniji, bolji i efikasniji.
Svi današnji procesori imaju dva, četiri ili više jezgra i jednojezgarnih procesora praktično više uopšte nema u ponudi bilo kog proizvođača. U zavisnosti od optimizacije, stepen iskorišćenja više jezgara može da varira, pa tako nekada imamo situacije da se programi i aplikacije ne snalaze najbolje sa mnogo jezgara i ne mogu da iskoriste na adekvatan način dostupna jezgra. To rezultuje situacijama da neke operacije traju istovetno na dvojezgarnim ili četvorojezgarnim procesorima. Danas većina procesora koristi od dva do osam jezgara, pri čemu postoje i varijante sa više jezgara. U principu, važi pravilo da je bolje imati što više jezgara, ali i da su procesori sve skuplji što više jezgara koriste, što je i logično jer je njihova izrada sve složenija, a omogućavaju brže izvršenje raznih operacija.
Broj threadova
Multithreading je sposobnost programa ili operativnog sistema da vrši menadžment svojih operacija tako da omogućava korišćenje od strane više korisnika istovremeno, ili pak da izvršava više zahteva istovremeno. U praksi, za ovo je potrebno imati odgovarajući hardver i softver. Kada kažemo da procesor podržava multithreading, to znači da je jedno njegovo jezgro u stanju da izvršava dva threada istovremeno. Naravno, moguće su i konfiguracije sa mnogo više threadova, ali se mi zadržavamo na komercijalnim procesorima i njihovim praktičnim primerima.

U praksi, to znači da multithread procesori sa dva jezgra mogu da izvršavaju do četiri threada simultano, sa četiri jezgra do osam threadova i tako dalje. Na ovaj način se dodatno podstiče paralelno procesiranje i izvršavanje instrukcija/zadataka, i sveukupno ubrzava korišćenje računara, što je praktična posledica koja je za nas od najvišeg interesa. U praksi, što više jezgara i threadova, to možete da očekujete bolje performanse vašeg računara u realnim uslovima korišćenja.
Otključan množilac
Uprošćeno rečeno, radni takt svakog procesora se dobija kao umnožak eksternog kloka i odgovarajućeg množioca. Primera radi, ako je eksterni klok 100 MHz a množilac 20, množenjem dobijamo da je radni takt tog procesora 2000 MHz, odnosno 2 GHz. Stoga je množilac veoma bitan faktor kada govorimo o brzini računara. To posebno dolazi do izražaja prilikom overklokovanja, odnosno ubrzavanja performansi procesora i računara, kada je poželjno imati procesor sa otključanim množiocem.

Ukoliko raspolažete procesorom koji ima otključan množilac, operacija overklokovanja je daleko lakša. Proizvođači ovakve procesore jasno označavaju, pa tako primera radi Intel uz ovakve procesore dodaje sufiks K (Core i5 4670K jeste procesor 4670 sa otključanim množiocem). Pošto eksterni klok zavisi od mnogo parametara, kao što su brzina i kvalitet memorije, magistrala, komponente koje eventualno ograničavaju brzinu eksternog kloka jer prave problem ili ne mogu da rade na višim taktovima (ili usled ograničenja proizvođača), lak metod dostizanja maksimuma overklokovanja procesora jeste putem podizanja množioca. Naravno, ova operacija zahteva odgovarajuće tehničko (pred)znanje i savetuje se samo korisnicima koji znaju šta rade, tim pre što se overklokovanjem neretko gubi garancija, odnosno postoji rizik od kvara.
 
 
 Keš memorija (u kontekstu centralnog procesora) je memorija koju CPU koristi kao keš, kako bi smanjio prosečno vreme pristupa memoriji. Usled ovakve vrste potrebe, kao i ograničengo prostora, keš memorija je najčešće izuzetno brza memorija male količine. U praksi, prisustvo više keš memorije može da indicira veće sposobnosti procesora, odnosno njegovu veću brzinu jer je potrebno više memorije da ga „hrani“, i u okviru iste generacije to uvek jeste slučaj. Međutim, kada se posmatraju procesori različitih generacija, usled razlika u arhitekturi može da se desi da procesor sa manje keša zapravo radi brže od procesora sa više keša jer je efikasniji i brži na drugim poljima.

Postoji više vrsta i nivoa keš memorije. Svi procesori imaju više nezavisnih keš memorija, od kojih u neke smeštaju instrukcije i/ili podatke, i koji su organizovani po hijerarhiji. Obično se ta hijerarhija označava inkrementalnim oznakama, pa je tako L1 zapravo Level 1 keš memorija, L2 je Level 2 keš memorija, i tako dalje. Obično se u specifikacijama procesora jasno naglašava količina memorije onog dela koji je najbitniji i koji pravi razliku. Recimo, ukoliko u specifikacijama vidite 2 MB L2 keš memorije, 4 MB L2 keš memorije i slično, znajte da je Level 2 keš memorija najbitnija za tu generaciju procesora, i da brži procesori imaju više keš memorije.
Nominalna frekvencija
Najjednostavniji sinonim za ovu stavku jeste – brzina procesora. Uprošćeno rečeno, radni takt svakog procesora se dobija kao umnožak eksternog kloka i odgovarajućeg množioca. Primera radi, ako je eksterni klok 100 MHz a množilac 20, množenjem dobijamo da je radni takt tog procesora 2000 MHz, odnosno 2 GHz. Međutim, današnji procesori imaju sposobnost rada na različitim frekvencijama, koje se mogu snižavati (ukoliko se želi postići ušteda energije) ili podizati (ukoliko postoji potreba za performansama). Nominalna frekvencija podrazumeva radni takt u „uobičajenim situacijama“, kada procesor/računar nisu opterećeni zadacima koji zahtevaju procesorsku snagu. To je upravo ona frekvencija kojom se označava brzina procesora na kutiji, zvaničnim stranama i slično.

Nominalna frekvencija se, kao što smo rekli, odnosi na brzinu procesora koja se izražava u megahercima. Herc (Hz) je jedinica učestanosti. Ukoliko procesor ima nominalni radni takt od 3 GHz, to znači da je u stanju da u jednoj sekundi postigne 3 milijarde (3.000.000.000) nominalnih ciklusa.
Turbo frekvencija
Procesori ne rade uvek na standardnom, nominalnom radnom taktu, odnosno brzini. Uprošćeno rečeno, radni takt svakog procesora se dobija kao umnožak eksternog kloka i odgovarajućeg množioca. Primera radi, ako je eksterni klok 100 MHz a množilac 20, množenjem dobijamo da je radni takt tog procesora 2000 MHz, odnosno 2 GHz. Međutim, današnji procesori imaju sposobnost rada na različitim frekvencijama, koje se mogu snižavati (ukoliko se želi postići ušteda energije) ili podizati (ukoliko postoji potreba za performansama). Turbo frekvencija podrazumeva radni takt u stanju opterećenja, kada je pred računar postavljen neki zahtevan zadatak, za koji je potrebno angažovati što više snage centralnog procesora. Ukoliko procesor podržava Turbo tehnologiju, on će tada ubrzati svoj rad da bi odgovorio potrebama zadatka.

Turbo frekvencija se izražava u megahercima. Herc (Hz) je jedinica učestanosti. Ukoliko procesor ima radni takt od 3 GHz, to znači da je u stanju da u jednoj sekundi postigne 3 milijarde (3.000.000.000) nominalnih ciklusa. Različitim tehnologijama se može postići da se neki radni takt dodatno ubrza. Tako na primer imamo procesore koji rade na nominalnih 2.5 GHz, što mogu podići na 3.2 GHz u stanju opterećenja.

Ova stavka je veoma značajna iz više razloga. Ne podržava svaki procesor Turbo tehnologiju, a i oni koji je podržavaju se razlikuju po tome na koji maksimalan takt se mogu uzbrati, tako da to čini razliku među njima. Takođe, brzinu Turbo takta je značajno istaći i da bi korisnici mogli znati koja je maksimalna brzina procesora na koju mogu računati u trenucima kada računar radi u režimu opterećenja, i na osnovu toga proceniti koji im je procesor potreban ili dovoljan. Turbo takt je viši od nominalnog, ali je limitiran snagom procesora, strujom koja se kroz njega propušta, termalnim ograničenjima i brojem aktivnih jezgara.