Будова процесора: виконавчі блоки та кеш
Коротко: Сучасний процесор складається з кількох ядер, у кожному з яких є блок керування, виконавчі блоки (ALU, FPU), регістри та власний кеш, а також спільний кеш, контролер пам’яті й зв’язки з іншими компонентами.
Докладніше: Процесор виконує команди: вибірка, декодування, виконання, запис результату. Щоб робити це швидко, будівельні блоки організовані на кількох рівнях — від крихітного надшвидкого регістра до великого, повільнішого кешу L3.
Подробиці
Компоненти ядра:
- Блок керування: вибирає команди, декодує їх і керує потоком. Сюди належать передбачення розгалужень, черги команд і планувальники.
- Виконавчі блоки:
- ALU (арифметико-логічний пристрій): цілочисельна арифметика, порівняння, логіка (додавання, AND, зсув).
- FPU (блок чисел із плаваючою комою): десяткові числа.
- Векторні блоки (SSE, AVX, NEON): багато значень одразу (SIMD), важливі для зображень, звуку, ШІ.
- Блоки завантаження/збереження: доступ до пам’яті.
- Регістри: найменша й найшвидша пам’ять просто у виконавчому блоці (від кількох десятків до сотні, по 64 біти). Зберігають числа, що обчислюються в цей момент.
- Кеш L1 і L2: на кожне ядро, дуже малий і швидкий.
Спільні частини (uncore):
- Кеш L3: спільний для всіх ядер.
- Контролер пам’яті: з’єднує процесор з основною пам’яттю (DDR).
- Контролер PCIe: напряму для відеокарти й SSD.
- Внутрішня шина (ring, mesh, Infinity Fabric) між ядрами.
- Вбудована графіка (iGPU) і медіаблоки (у багатьох моделях).
- Безпека та керування живленням: частота, напруга, температура.
Ієрархія пам’яті (типова):
| Рівень | Розмір | Час доступу |
|---|---|---|
| Регістри | < 1 КБ | < 1 нс |
| Кеш L1 | 32 – 64 КБ на ядро | ~1 нс |
| Кеш L2 | 0,5 – 2 МБ на ядро | ~4 нс |
| Кеш L3 | 16 – 128 МБ спільний | ~10 нс |
| Основна пам’ять | 8 – 128 ГБ | ~80 нс |
| SSD | терабайти | ~50 000 нс |
Частота та продуктивність: частота (ГГц) показує кількість тактів за секунду. По-справжньому важливо: частота × команд за такт (IPC) × кількість ядер.
Виробництво: мільярди транзисторів за технологією 3–10 нм на кремнієвому кристалі. Тепло (TDP) відводиться кулером.
Див. також: Процесор (CPU), Кеш L1, L2 і L3, Конвеєр процесора