Che cos'è una CPU? La CPU o Unità centrale di elaborazioneè il cervello che scricchiola il numero di un computer. Tutto ciò che fa un computer, dalla riproduzione di videogiochi all'aiuto nella scrittura di un saggio, è suddiviso in una serie di istruzioni matematiche. La CPU prende queste istruzioni e le esegue.
I dettagli di come funziona, ovviamente, moltosono più complicati di quella semplice spiegazione. La cosa più importante che devi sapere è che la CPU è il principale motore matematico di un computer.
La (estremamente) breve storia delle CPU
La storia dell'informatica è lunga e complessa. Risale inoltre alla storia rispetto alla tecnologia digitale, all'elettronica o persino all'elettricità. Un abaco è una sorta di processore. Così sono i calcolatori meccanici. La grande differenza è che queste macchine possono svolgere solo una o poche attività matematiche. Non sono processori per uso generale, di cui la CPU moderna ne è un esempio.
Ciò che rende una CPU un dispositivo di calcolo per uso generico è l'uso della logica. Nel 1903 Nikola Tesla brevettò i circuiti elettrici noti come cancelli e interruttori. Utilizzando questi circuiti, è possibile creare dispositivi che eseguono operazioni logiche, in cui è possibile far funzionare la macchina in determinate condizioni.
Tra la metà e la fine degli anni '40, William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain inventarono e brevettarono un dispositivo chiamato transistor, mentre lavoravano ai Bell Laboratories. Il transistor è l'elemento base di una CPU. I transistor sono componenti di computer relativamente piccoli. Il transistor è un'invenzione così importante che ai tre inventori è stato assegnato un premio Nobel per questo.
Alla fine degli anni '50, Robert Noyce e Jack Kilby fecero un enorme passo avanti e crearono il primo circuito integrato funzionante. Un circuito integrato è un insieme di circuiti elettronici integrati in un singolo pezzo di materiale semiconduttore. Nella maggior parte dei casi, quel materiale è silicio. Questo è ciò che le persone intendono quando dicono "microchip".
In_content_1 all: [300x250] / dfp: [640x360]->Una CPU è composta da uno o più microchip. Questa è un'invenzione importante perché miliardi di transistor possono essere raggruppati in una singola CPU. Questo crea motori matematici incredibilmente potenti.
Usando le invenzioni di porte logiche, transistor e circuiti integrati, l'intero mondo è stato cambiato. I microchip sono presenti in ogni giorno, non solo sul tuo computer. E le CPU sono i microchip per uso generico più avanzati che possiamo realizzare.
Come funzionano le CPU?
L'intero principio di una CPU si basa sul codice binario. Gli esseri umani tendono a rappresentare numeri usando un sistema chiamato base 10o il sistema decimale. I valori dei luoghi di ciascuna cifra in un numero aumentano di un fattore dieci. Quindi "111" contiene centodieci e uno.
I computer e le loro CPU non sono in grado di comprendere la base 10. I transistor funzionano secondo il principio di essere acceso o spento. Ciò significa che le porte logiche che costruisci da esse possono funzionare anche solo con questi due stati. Questo è il motivo per cui, fondamentalmente, le CPU funzionano con codice binario. Questo sistema numerico ha valori di luogo diversi. Invece se 1, 10, 100, 1000 e così via, i valori del posto sono 1,2,4,8,16,32,64,128 e così via.
Quindi in binario “111” sarebbe 7 in cifre decimali Dato che aggiungi 1,2 e 4 insieme. Se uno qualsiasi dei numeri è zero, è sufficiente saltarlo e aggiungere il valore del posto del prossimo 1. In questo modo è possibile esprimere qualsiasi valore decimale. Basta notare che i numeri binari vengono spesso letti da destra a sinistra, quindi il valore del posto "1" sarebbe all'estrema destra.
Mettiamolo in una tabella per renderlo cristallino:
Riesci a capire perché si somma al numero 7 in decimale? Facciamo il numero 23:
Quindi 111 è "7", ma "11101" è 23 perché il quinto valore in binario è 16. Abbastanza bello, vero? È possibile esprimere qualsiasi numero possibile che può essere scritto in decimale in questo modo. Ciò significa che anche i computer realizzati con transistor possono funzionare con qualsiasi numero.
Come sono realizzate le CPU?
Il processo di produzione delle CPU moderne è anche, come prevedibile, piuttosto complesso . Il processo di base prevede la coltivazione di grandi cilindri di cristallo di silicio. Le sue proprietà a semiconduttore lo rendono ideale per la costruzione di un circuito integrato binario.
Questi grandi cristalli sono tagliati in sottili wafer. I wafer vengono quindi "drogati" con un'altra sostanza chimica per perfezionare le sue proprietà. Il circuito su nanoscala viene quindi inciso sulla superficie del wafer usando la luce usando un processo noto come fotolitografia.
Design e prestazioni della CPU
Le CPU non sono tutte reso uguale. Il primo antenato della moderna CPU, Intel 8086, aveva circa 29000 transistor nel suo circuito integrato. Oggi, un processore come Intel i99900K ha poco più di 1,7 miliardidi transistor. Più densi sono i circuiti logici di una CPU, più complesso e maggiore è il numero di istruzioni che può eseguire per ciclo di clock.
Aspetta, "ciclo dell'orologio"? Sì, questo è l'altro componente principale delle prestazioni della CPU. Una CPU funziona a una frequenza particolare, con ogni impulso del clock della CPU viene eseguito un ciclo di calcoli. Se prendi la stessa CPU e raddoppi la sua velocità di clock, allora (in teoria) dovrebbe funzionare due volte più velocemente.
Che Intel 8086 del 1978 funzionava a 5Mhz quando fu lanciato. Sono cinque milioni di cicli di clock al secondo. L'Intel i9-9900K? iniziaa 3,6 Ghz. Quello a 3600 Mhz, con l'opzione di aumentare le cose fino a 5000 Mhz quando possibile.
Per aggiungere ancora un'altra ruga alle prestazioni della CPU, le moderne CPU in realtà contengono più "core". Ogni core è in realtà una CPU indipendente stessa. In questi giorni è tipico avere almeno quattro di questi core, ma ultimamente la norma era che i computer tradizionali avessero sei o otto core. I computer professionali di fascia alta possono avere un'area di 100 core CPU.
Avere più core significa che la CPU può eseguire più set di istruzioni in parallelo. Ciò significa che i nostri computer possono fare molte cose contemporaneamente senza problemi. Alcune CPU hanno core "multithread". Questi core possono gestire autonomamente due compiti separati ciascuno. Nelle CPU Intel questo è marchiato come "hyperthreading ".
Quindi le prestazioni totali di una CPU si riducono a una combinazione di:
C'è ovviamente molto più di questi quattro punti principali. Tuttavia, queste sono le quattro considerazioni principali per far funzionare bene una CPU.
Il ruolo della CPU nel tuo computer
L'ultima cosa che dobbiamo affrontare è ciò che lavoro svolto dalla CPU sul computer. Dopo tutto, non è l'unico microchip a circuito integrato nel tuo computer. Ad esempio, le GPU (unità di elaborazione grafica) sono spesso ancora più dense di transistor rispetto a una CPU.
Hanno bisogno del loro raffreddamento, della loro alimentazione e della memoria. È come un piccolo computer in più! Lo stesso si può dire per i chip che controllano il suono, il traffico USB e il disco rigido. Allora perché la CPU è speciale? Questi sono i motivi principali:
In breve, la CPU è lo scopo generale più importante componente di prestazione nel tuo computer. Non dare per scontato!