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