Procesor

Procesor (ang. central processing unit, CPU) – sekwencyjne urządzenie cyfrowe, które pobiera dane z pamięci operacyjnej lub strumienia danych, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy, zwracając dane do pamięci lub wyjściowego strumienia danych. Termin ten w zawężonym znaczeniu jest używany w odniesieniu do jednostki centralnej (CPU) systemu, ale odnosi się również do innych elementów przetwarzających dane zwanych koprocesorami, takich jak jednostki do obliczeń na liczbach zmiennopozycyjnych, przetwarzania grafiki (GPU)^[1].

Procesor Intel Pentium (widok od dołu)

Procesor Intel Core i7-940 (widok od dołu), widoczne 1366 pól stykowych złącza LGA1366

Pomieszczenie wysokiej czystości (Clean room) w Glenn Research Center (NASA)

Technika wykonywania procesorów zmienia się wraz z rozwojem elektroniki. Pierwotnie procesory były konstruowane przy użyciu wielu lamp próżniowych^[2], później wielu pojedynczych tranzystorów, które zastępowano układami scalonymi małej skali integracji^[3]. W latach 70. XX wieku skonstruowano procesory składające się z jednego lub kilku układów scalonych wielkiej skali integracji określane jako mikroprocesory. Od lat 80. XX wieku niemal wszystkie procesory wykonuje się jako monolityczne układy scalone^[4].

Jedną z podstawowych cech procesora jest określona długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonuje on podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli przykładowo słowo tworzą 64 bity, to taki procesor określany jest jako 64-bitowy. Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość, z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu^[5], a więc głównie od częstotliwości jego taktowania.

Nazwa

Procesor bywa też nazywany jednostką centralną, centralną jednostką obliczeniową lub centralną jednostką przetwarzającą (poprzez tłumaczenie angielskiego wyrażenia central processing unit (CPU) w sposób niemal dosłowny). Część użytkowników „jednostkę centralną” kojarzy jednak z handlowym terminem określającym jednostkę systemową komputera – złożoną z procesora, płyty głównej, kart rozszerzeń, pamięci operacyjnej, dysków twardych i innych elementów zamkniętych we wspólnej obudowie – nieobejmującym urządzeń peryferyjnych (monitora, klawiatury, drukarki).

Budowa

W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić:

• zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników. Rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,
• jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,
• układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,
• inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.

Rozmiary elementów

Jednym z kluczowych parametrów procesora jest rozmiar elementów tworzących jego strukturę. Zmniejszanie tych rozmiarów pozwala obniżyć zużycie energii i napięcie pracy oraz zwiększyć maksymalną częstotliwość taktowania. W 2012 roku firma Intel wprowadziła procesory wykonane w procesie technologicznym 22 nm (Ivy Bridge), a w czwartym kwartale 2014 roku – 14 nm (Core M)^[6].

W 2025 roku Intel zaprezentował procesory z serii Core Ultra 200S (o nazwie kodowej Arrow Lake-S), produkowane przez TSMC z wykorzystaniem zaawansowanych technik litograficznych: N3B (3 nm) dla kafelków obliczeniowych, N5P (5 nm) dla kafelków graficznych oraz N6 (6 nm) dla modułów SoC i I/O. Poszczególne komponenty połączono z użyciem technologii Foveros 3D, umożliwiającej układanie warstw krzemowych w strukturze trójwymiarowej^[7].

W 2019 roku firma AMD wprowadziła na rynek pierwsze procesory o mikroarchitekturze Zen 2, wykonane w litografii 7 nm w zakładach TSMC.

Aby ograniczyć ryzyko powstawania defektów w tak miniaturowych strukturach, fabryki półprzewodników muszą dysponować pomieszczeniami o wyjątkowo wysokim poziomie czystości, co znacząco podnosi koszty produkcji.

Wielordzeniowość i procesory pomocnicze

Współcześnie większość procesorów ma wielordzeniową budowę. Pierwszym procesorem wielordzeniowym ogólnego przeznaczenia był procesor Power 4 firmy IBM wprowadzony na rynek w roku 2001. Pierwszymi procesorami wielordzeniowymi architektury x86 były wersje procesorów Opteron firmy AMD i Pentium Extreme Edition firmy Intel wprowadzone w kwietniu 2005 roku.

Modelem firmy Intel z niższej półki cenowej, który kontynuował ten trend był Intel Pentium D, chwilę później największy konkurent Intela, czyli AMD, wprowadził do sprzedaży popularny model procesora dwurdzeniowego o nazwie Athlon 64 X2. Dużą popularność zyskał dopiero Intel Core 2 Duo zbudowany na bazie architektury Conroe (65 nm). Niedługo później pojawił się także 4-rdzeniowy układ Intel Core 2 Quad.

CPU mają rdzenie taktowane zegarem nawet 5 GHz (np. Intel Core i9-9900KS), lecz nie występuje już wyraźny wzrost taktowania w kolejnych generacjach procesorów. Szybkość obliczeń jednak wzrasta dzięki zwiększaniu liczby tranzystorów i rdzeni w procesorach.

Intel i AMD oferują obecnie procesory o zróżnicowanej liczbie rdzeni. W segmencie podstawowym dostępne są modele czterordzeniowe (Intel Core i3 oraz AMD Ryzen 3), sześciordzeniowe (Intel Core i5 oraz AMD Ryzen 5) oraz ośmiordzeniowe (AMD Ryzen 7). W ofercie znajdują się również jednostki o wyższej liczbie rdzeni, takie jak Intel Core i7 i Intel Core i9 z 24 rdzeniami oraz AMD Ryzen 9 z 12–16 rdzeniami w wersjach desktopowych.

Do segmentu wysokowydajnych procesorów należą m.in. modele AMD Threadripper PRO 9000WX (do 96 rdzeni) oraz Threadripper 9000 (do 64 rdzeni)^[8]. W zastosowaniach profesjonalnych i serwerowych wykorzystywane są jednostki, takie jak Intel Xeon 6900P, wyposażone w maksymalnie 128 rdzeni.

Projektanci procesorów próbują także innych metod zwiększania wydajności procesorów, na przykład hyper-threading, gdzie każdy rdzeń może się zachowywać jak dwa procesory logiczne, dzielące między siebie zasoby pamięci podręcznej i jednostek wykonawczych. Gdy jeden z konkurujących ze sobą procesów pozostawia niewykorzystane zasoby, proces przypisany do drugiego procesora logicznego może ich użyć, co w sprzyjających okolicznościach może prowadzić do sumarycznego wzrostu wydajności od kilku do kilkunastu procent.

W roku 2007 Intel zaprezentował testy układu scalonego Intel Polaris wyposażonego w 80 rdzeni ogólnego przeznaczenia, który osiągnął wydajność 1,01 TFLOPS.

Komputer (w szczególności komputer osobisty) oprócz procesora głównego (CPU) ma zwykle procesory pomocnicze: obrazu (GPU, najnowsze konstrukcje pozwalają na integrację CPU z GPU w APU), dźwięku, koprocesory arytmetyczne (od lat 90. na ogół są zintegrowane z CPU).

Rozkazy procesora

Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:

• kopiowanie danych
  • z pamięci do rejestru
  • z rejestru do pamięci
  • z pamięci do pamięci (niektóre procesory)
  • (podział ze względu na sposób adresowania danych)
• działania arytmetyczne
  • dodawanie
  • odejmowanie
  • porównywanie dwóch liczb
  • dodawanie i odejmowanie jedności
  • zmiana znaku liczby
• działania na bitach
  • iloczyn logiczny – AND
  • suma logiczna – OR
  • suma modulo 2 (różnica symetryczna) – XOR
  • negacja – NOT
  • przesunięcie lub rotacja bitów w lewo lub w prawo
• skoki
  • bezwarunkowe
  • warunkowe

Rozkazy dla procesora identyfikowane są na podstawie binarnego kodu maszynowego, jednak dany kod nie musi oznaczać wykonywania tych samych operacji przez procesor do tego samego (lub innego) zadania. W tym celu, w procesorach niedostępnych masowo, można spotkać możliwość programowania rozkazów CPU, czyli mikroprogramowania. Rozwiązanie takie daje pełniejszą kontrolę nad procesorem oraz możliwość zwiększenia wydajności procesora w pewnych zastosowaniach, w stopniu znacznie większym niż w przypadku powszechnie dostępnych procesorów, w których kody maszynowe są na stałe przypisane do odpowiednich ciągów mikrorozkazów (mikroinstrukcji).

Producenci procesorów

Głównymi producentami procesorów są: Fujitsu, AMD, Intel, Toshiba, IBM, Freescale (dawniej jako Motorola), Texas Instruments, VIA Technologies, Qualcomm, Apple, nvidia.

Zobacz też

Zobacz hasło procesor w Wikisłowniku

Zobacz publikację Od lamera do hakera/Procesor w Wikibooks

• physics processing unit
• procesor graficzny – GPU
• tensorowe jednostki przetwarzania (TPU), np. dla AlphaGo