Устройство процессора: исполнительные блоки и кэш

Коротко: Современный процессор состоит из нескольких ядер, в каждом из которых есть блок управления, исполнительные блоки (ALU, FPU), регистры и собственный кэш, а также общий кэш, контроллер памяти и связи с остальными компонентами.

Подробнее: Процессор выполняет команды: выборка, декодирование, исполнение, запись результата. Чтобы делать это быстро, строительные блоки организованы на нескольких уровнях — от крошечного сверхбыстрого регистра до большого, более медленного кэша L3.

Подробности

Компоненты ядра:

• Блок управления: выбирает команды, декодирует их и управляет потоком. Сюда относятся предсказание ветвлений, очереди команд и планировщики.
• Исполнительные блоки:
  • ALU (арифметико-логическое устройство): целочисленная арифметика, сравнения, логика (сложение, AND, сдвиг).
  • FPU (блок чисел с плавающей точкой): десятичные числа.
  • Векторные блоки (SSE, AVX, NEON): много значений сразу (SIMD), важны для изображений, звука, ИИ.
  • Блоки загрузки/сохранения: доступ к памяти.
• Регистры: самая маленькая и быстрая память прямо в исполнительном блоке (от нескольких десятков до сотни, по 64 бита). Хранят числа, которые считаются в данный момент.
• Кэш L1 и L2: на каждое ядро, очень маленький и быстрый.

Общие части (uncore):

• Кэш L3: общий для всех ядер.
• Контроллер памяти: соединяет процессор с основной памятью (DDR).
• Контроллер PCIe: напрямую для видеокарты и SSD.
• Внутренняя шина (ring, mesh, Infinity Fabric) между ядрами.
• Встроенная графика (iGPU) и медиаблоки (во многих моделях).
• Безопасность и управление питанием: частота, напряжение, температура.

Иерархия памяти (типичная):

Уровень	Размер	Время доступа
Регистры	< 1 КБ	< 1 нс
Кэш L1	32 – 64 КБ на ядро	~1 нс
Кэш L2	0,5 – 2 МБ на ядро	~4 нс
Кэш L3	16 – 128 МБ общий	~10 нс
Основная память	8 – 128 ГБ	~80 нс
SSD	терабайты	~50 000 нс

Частота и производительность: частота (ГГц) показывает число тактов в секунду. По-настоящему важно: частота × команд за такт (IPC) × число ядер.

Производство: миллиарды транзисторов по технологии 3–10 нм на кремниевом кристалле. Тепло (TDP) отводится кулером.

См. также: Процессор (CPU), Кэш L1, L2 и L3, Конвейер процессора