Попитайте някой IT специалист как работят процесорите и ще ви погледне с изражение от рода на „Защо се връщаме назад във времето?” След това, смилявайки се над вашата очевидно глуповата физиономия и извинителна усмивка, великодушно ще отвърне: „А, много е просто.“ Ще се опитаме да ви представим няколко наистина любопитни факта за CPU (Central Processing Unit), които всеки трябва да знае през този век, въпреки че повечето са достояние на миналия.

Силициевата долина, която в БГ наричаме силиконова

По ирония на съдбата две толкова близки думи като silicone (силикон) и silicon (силиций) описват две толкова крайно различни неща. У нас силиконът по-скоро се свързва с други области на науката, наред с ботокса и хиалурона. Е, може би вече няма хора, които си мислят, че Силициевата долина има нещо общо със силикона. Обаче има много хора, които със сигурност се чудят защо именно силиций.

Отговаряме веднага. Силицият е естествен полупроводник и е най-разпространеният елемент на Земята след кислорода. През 1954 година е създаден първият силициев транзистор.

Processor_2
Транзисторите и процесорите

Спомняте ли си учителката по физика, която рисуваше на дъската транзисторни схеми? Точно тези прости схеми са в основата на едно толкова сложно устройство като процесора. Преди изобретяването на транзисторите, ролята им се е изпълнявала от релета и електронни лампи, което е било доста ненадеждно, а и конфигурациите са заемали огромни помещения. Ако не бяха открити транзисторите, нямаше да го има устройството, на което четете в момента. Затова ги наричат изобретението на 20 век. Какво точно представляват транзисторите?  Следва най-сложното изречение в тази статия – транзисторите са полупроводникови компоненти, които преобразуват електрически заряди. Най-ценното качество на транзисторите е да предават точно определена информация, като променят електрическия заряд. А предаването на информация чрез електрически сигнали е основният принцип на действие на процесора.

Законът на Мур

Микропроцесорите се появяват през 70-те години и изместват всички останали видове процесори. С развитието на технологиите елементите в процесора стават все по-малки, а сложността и броят на транзисторите им се увеличават непрекъснато. Търси се производителност, малък разход на енергия и намаляване на размерите им. Тук трябва да споменем прелюбопитния закон на Мур. Гордън Мур, един от основателите на Intel, забелязал, че на всеки две години излиза нов модел процесор, който има два пъти повече транзистори и два пъти по-голяма производителност. Той предположил, че тенденцията ще се запази и може да се предположи какви ще бъдат характеристиките на процесорите след двадесет или след четиридесет години. Интересно е, че се е оказал прав, въпреки че е формулирал закона си въз основа на емпирични наблюдения през далечната 1965 година. И днес процесорите стават все по-малки и все по-енергоспестяващи. В момента в масова употреба са процесори, произведени с 14 nm технология – размерът на най-големия компонент в процесора. През 2017 г. се очакват 10 nm процесори. Колко са 10 nm? Това e 10 на минус осма степен, или изразено в силициеви атоми – двадесет атома.

Вафли, но не шоколадови

Както вече споменахме, процесорите се произвеждат от силиций, който се пречиства и разтопява. След това се охлажда и се нарязва под формата на дискове, наречени вафли. Всяка вафла се опакова в специална изолация и се нарязва на отделни парчета. Всичко това става в легендарните свръхстерилни помещения, които са хиляда пъти по-чисти от всяка операционна зала. Сигурно сте виждали снимки на хората, които ги изработват, екипирани в така наречените „заешки костюми“.

Processor_3
Устройство

Най-просто, ама наистина най-просто казано, процесорите се състоят от управляващо устройство и аритметико-логическо устройство. Управляващото устройство може да се сравни с диригента в един оркестър. То обработва инструкциите, получени от различните програми в компютъра, и ги подава към аритметико-логическото устройство, а в последствие и към цялата компютърна система. Аритметико-логическото устройство извършва много малко операции: събиране, изваждане, умножение, деление и сравняване. Въз основа на тези сметки управляващото устройство подава своите команди. Съвсем малко ще усложним обяснението, като добавим, че управляващото устройство работи с два вида памет – оперативната (RAM), откъдето получава инструкции, и кеш-памет, където се съхраняват най-скоро използваните инструкции.

Съвременните възможности за конфигурации на елементите в процесора са почти безгранични. Затова основна роля за работата на процесорите има техния дизайн. Каква е големината им, как са проектирани транзисторите и връзките, които контролират потока на електрически заряди, определят функциите на всеки вид процесори. Затова едни процесори са подходящи за видеомонтаж, а други за електронни игри. Когато говорим за дизайн или за архитектура на процесорите, трябва да спомен името на легендарния разработчик Джим Келер и неговите процесори: за DEC – Alpha 21164 и 21264, за AMD – работи за Athlon K7 и е водещ архитект за AMD K8, за Apple – A4 и A5. В момента Келер работи за Tesla.

Не става само с гигахерци…

А какви са тези гигахерци и защо е толкова важно да са повече? Ами, не е толкова важно. Гигахерците показват тактовата честота на процесора. Тя до голяма степен определя с каква скорост даден процесор може да изпълнява команди. Обаче тази скорост зависи и от много други условия. Например един процесор с по-малка тактова честота, който е от по-ново поколение, може да е по-бърз от процесор с повече гигахерци, но по-стар като концепция. Защото архитектурата на по-новия вече е много по-напреднала.

Особен момент е, че тактовата честота има физическо ограничение – не може да се увеличава до безкрайност. Затова са изобретени процесорите с няколко ядра. Те работят във връзка едно с друго, но там нещата стават много, много сложни и хората като Джим Келер, които могат да създадат правилната архитектура според предназначението на даден процесор, започват да се броят на пръсти.

Нека се върнем на IT специалиста, когото споменахме в началото. Ако прочете тази статия, най-вероятно неговата физиономия ще придобие глуповато изражение. И той ще бъде много, много изнервен. Защото никой не може да разкаже на една страница за чудото, което стои в основата на развитието на нашата цивилизация през последните сто години.