Čo je procesor?

Čo je to procesor? – OBSAH

1. Na čo slúži procesor a ako funguje?
2. Čo je frekvencia CPU?
3. Čo je taktovanie procesora?
4. Čo je boost frekvencia?
5. Čo sú jadrá procesora?
6. Ako procesory delíme?
7. Aké sú ďalšie parametre procesora?
8. Aký typ procesora vybrať?

Ako funguje a na čo slúži procesor?

Princíp všetkých dnešných výpočtových systémov, a teda i procesora, je založený na spracovaní binárnych operácií. Binárna, čiže dvojková sústava, má samozrejme len dva stavy, 0 a 1, ktoré je možné v procesore vďaka ich jednoduchosti ľahko reprezentovať napäťovými úrovňami.

V tento moment sa prenášame na nižšie úrovne elektronických zapojení. Základnou stavebnou jednotkou procesora je tranzistor zapojený ako spínač. Jeho úlohou je meniť stav medzi logickou nulou a jednotkou. Jeden samotný tranzistor by príliš výpočtov realizovať nemohol, preto ich v dnešných procesoroch nájdeme miliardy, vďaka čomu je možné vykonávať aj najzložitejšie operácie.

Jednotlivé operácie spolu skladajú inštrukcie, ktorých zväzky sa nazývajú programy. Program je spracovávaný sekvenčne, čo znamená, že jeho inštrukcie procesor vykonáva jednu po druhej v takzvaných inštrukčných cykloch.

Čo je frekvencia CPU?

Ak funkčnosť procesora veľmi zjednodušíme, môžeme tvrdiť, že ide iba o početnú sústavu tranzistorov, ktoré veľmi rýchlo menia svoje stavy podľa toho, ako to vykonávané operácie vyžadujú. Interval medzi dvoma impulzmi z oscilátora sa nazýva frekvenčný cyklus. V takomto čase je procesor schopný svoje tranzistory prepnúť do jednotky a potom späť do nuly. O zmene stavu z nuly do jednotky referujú ako o nábežnej hrane a o zmene jednotky na nulu ako o hrane zostupnej. Množstvo týchto cyklov za jednu sekundu sa nazýva frekvencia procesora. Jednotkou je Hertz (Hz), a keďže dnešné procesory vykazujú frekvencie v rádoch miliárd Hertzov, používame v tomto spojení často predponu giga (GHz), prípadne mega (MHz, milión Hertzov). Frekvencia sa tiež často označuje ako kmitočet či takt procesora.

Frekvencia je jedným z hlavných faktorov, ktoré ovplyvňujú výkon procesora. Zjednodušený vzťah hovorí, že čím vyššia frekvencia, tým vyšší výkon. Toto tvrdenie však musíme brať s rezervou. Ak sa dva inak úplne rovnaké procesory líšia iba frekvenciou, ten s vyššou bude skutočne výkonnejší. Celkový výkon procesora však ovplyvňujú aj iné faktory, ako napríklad jeho architektúra, počet jadier a i., iba vyššia frekvencie teda výkonnostnú prevahu nezaistí. O týchto ďalších parametroch procesora si povieme neskôr.

Čo je taktovanie procesora?

Taktovanie procesora je proces zvyšovania, ale aj znižovania jeho výslednej frekvencie. Tá sa rovná súčinu základného taktu (BCLK) a hodnoty frekvenčného násobiča procesora. BCLK (skratka anglického výrazu Base Clock) je frekvencia generovaná oscilátorom na základnej doske, okrem procesora ovplyvňuje aj rad ďalších frekvencií, napríklad takt pamätí, a spravidla je jej predvolená hodnota nastavená na 100 MHz. Frekvenciu procesora je vo väčšine prípadov možné ovplyvniť. Buď zmenou práve BCLK, čo sa však z dôvodu zníženej stability často neodporúča a mnoho základných dosiek touto možnosťou ani nedisponuje, alebo úpravou hodnoty násobiča.

Ak vynecháme jeho elektronické zapojenie, reprezentuje násobič len číslo, ktorého zmenou môžeme ovplyvniť celkovú frekvenciu procesora. Na rozdiel od BCLK je násobič vecou CPU a hodnota sa pri jednotlivých modeloch líši. Ak uvažujeme o desktopových procesoroch od výrobcov Intel a AMD, procesory ich portfólia možno z tohto hľadiska rozdeliť na dve časti, na tie s odomknutým násobičom a na tie so zamknutým. Zamknutý násobič znamená, že výrobca neumožňuje akúkoľvek modifikáciu jeho hodnôt a vzhľadom na povahu takýchto technológií ho nie je možné dodatočne odomknúť. Ak však zakúpite procesor s odomknutým násobičom, bude vám pri kombinácii so správnou základnou doskou, respektíve chipsetom, umožnená zmena jeho hodnoty a teda aj frekvencie.

Pokiaľ z našej strany dochádza k takým úpravám, bavíme sa o „taktovaní“. Ak neoplývate v tomto odbore aspoň základným množstvom skúseností, je dobré si túto tému naštudovať. Neznalosť vás procesor pravdepodobne nebude nič stáť, pretože moderné procesory sú vybavené celým radom bezpečnostných poistiek, ktoré je nutné najskôr odstaviť, každopádne pokúšať sa taktovať bez znalostí by mohlo zanechať nepríjemné skúsenosti.

Čo je boost frekvencia?

Veľká časť procesorov Intel aj AMD dokáže svoju frekvenciu prispôsobovať automaticky. Zaisťuje to technológia Turbo Boost (Intel) a Turbo Core (AMD), pričom obe majú obdobný efekt. Keď je váš procesor intenzívne vyťažovaný, zvýši dočasne frekvenciu až po hraničný „boost“ limit, čím si zabezpečí dostatok výkonu. Ak takýto výkon nie je potrebný, frekvencia zostane nižšia, a vo výsledku sa ušetrí energia.

AMD do svojich procesorov odlíšených X na konci modelového čísla implementovalo novú technológiu Extended Frequency Range, skrátene XFR, ktorá by mala pri výraznej teplotnej rezerve CPU automaticky pretaktovať ešte nad úroveň boost limitu. Modely s touto technológiou sú určené výhradne pre používateľov s výkonnejším chladením, než aké je zvyčajne súčasťou balenia procesorov, preto k nim AMD ani žiadne chladiča nedodáva, rovnako ako to nerobí Intel pri modeloch s otvoreným násobičom. V tejto chvíli je dobré spomenúť, že všetky procesory AMD Ryzen majú otvorený násobič.

Čo sú jadrá procesora?

O jadrách sa dá s čistým svedomím prehlásiť, že ide o samostatné výpočtové jednotky a viacjadrový procesor možno považovať za vysoko integrované zapojenie viac jednojadrových. Jadrá sú na sebe výpočtovo nezávislé, vďaka čomu je procesor schopný v jednej chvíli spracovávať niekoľko rôznych inštrukcií a obsluhovať tak niekoľko programov naraz. Táto schopnosť je kľúčová v otázke účinného multitaskingu. V dnešnej dobe dokáže viac jadier využiť čím ďalej väčšie množstvo aplikácií, vrátane hier.

Z pohľadu operačného systému sa inštrukcie delia na vlákna, ktoré sú voči sebe spracovávané paralelne, čo pri efektívnom naprogramovaní danej aplikácie umožňuje ich rýchlejšiu realizáciu. Kým pred niekoľkými rokmi neprišla firma Intel s technológiou Hyper-Threading, bolo štandardom, že jedno procesorové jadro mohlo spracovávať iba jedno softvérové vlákno. Teraz je veľká časť procesorov vybavená technológiou, ktorá umožňuje, aby jedno fyzické jadro spracovávalo vlákna dve. Z toho dôvodu sa o týchto procesorových vláknach hovorí aj ako o virtuálnych alebo logických jadrách.

Dôležité je poznamenať, že procesorové vlákna výkonnostne nezastupujú plnohodnotné fyzické jadrá, pretože s nimi zdieľajú hardvérové prostriedky, čím je ich výkon obmedzený. Napriek tomu, že sa takáto technológia považuje za efektívnu, nemôžeme tvrdiť, že dvojjadrový procesor so štyrmi vláknami môže byť rovný plnohodnotnému štvorjadrovému procesoru. Ako už bolo spomenuté, technológia firmy Intel sa nazýva Hyper-Threading, procesory AMD využívajú technológiu SMT (Simultaneous multithreading).

Ako delíme procesory?

Na svete existujú dvaja hlavní výrobcovia desktopových procesorov, ktorí si delia takmer sto percent tohto trhu. Prvým je Intel, druhým AMD. Obaja svoje produkty delia na rady a konkrétne modelové označenia. Rady slúžia k hrubšiemu rozdeleniu celej ponuky podľa účelu a výkonu procesora (a samozrejme tiež podľa ceny).

Výhodou procesorov Intel je oproti konkurencii prítomnosť integrovaného grafického jadra pri všetkých modeloch (okrem serverových Xeonov), čo z nich robí oveľa zaujímavejší produkt z pohľadu zákazníka, ktorý nepotrebuje samostatnú grafickú kartu.

AMD ako výrobca procesorov si pred nejakou dobou nechalo svoju konkurenciu stelesnenou Intelom technologicky utiecť, v dôsledku čoho tiež klesol jeho podiel na trhu. Dlhé roky teda platilo, že pre technologicky vyspelý a výkonný procesor bolo nutné zamieriť do modrej stajne. To sa však teraz mení, pretože AMD podporilo vývoj a prinieslo tento rok na trh procesory Ryzen, ktoré vďaka 14nm výrobnému procesu, ktorým sú procesory Intel už nejakú dobu vyrábané, priniesli na trh zdravú konkurenciu. Procesory boli pomenované príhodne, ako priama odpoveď na rady Intelu, teda Ryzen 3, 5, 7 a 9. Tiež AMD má svojich zástupcov pre segment HEDT značené ako Ryzen 9 Threadripper.

V lete roku 2019 však AMD zaraďuje ešte vyššiu rýchlosť as architektúrou Zen 2 prechádza na 7nm výrobný proces. Procesory sú označované ako AMD Ryzen 3000 „Matiss“. Vynikajúcou správou je, že na ich použitie vám stále stačí základná doska s päticou AM4, len je nutné upgradovať BIOS na poslednú verziu.

Momentálne má AMD omnoho širšiu ponuku v oblasti najnižšej triedy. Ide o rady FX, Athlon X4 alebo Sempron, ktoré však po nástupe modelov Ryzen rýchlo strácajú na atraktivite. Zaujímavé sú však ešte stále modely rady A-series, ktoré obsahujú, v porovnaní s čipmi Intelu, výkonnejšie integrované grafické jadro. To im hrá do kariet vo chvíli, keď sa snažia osloviť zákazníka s obmedzeným rozpočtom, pretože aj napriek ich staršej technológii si na nich bez dedikovanej grafickej karty zahráte o niečo lepšie ako na procesoroch Intelu.

Aké sú ďalšie parametre procesora?

Čo je to CPU, frekvencia a čo sú jeho jadrá a vlákna sme si už vysvetlili. Procesor má však okrem týchto parametrov aj rad ďalších, a aj keď možno tvrdiť, že čím viac jadier a čím vyššia frekvencia, tým výkonnejší procesor, ignorovanie niektorých z nich by vás mohlo stáť výhodnú kúpu.

Mikroarchitektúra procesora

Inovácia v portfóliách výrobcov procesorov sú stelesnené generáciami procesorov. Zakaždým, keď výrobca svoju ponuku obohatí o nové čipy, sú to tiež čipy novej generácie. Každá generácia je značená poradovým číslom a kódovým označením. Napríklad Intel v dnešných dňoch ponúka siedmu generáciu procesorov Core pomenovanú Coffee Lake Refresh, a AMD druhú generáciu procesorov Ryzen 2, ktorú označuje ako Zen +.

Socket procesoru

Socket čiže pätica je jeden zo základných parametrov pri výbere procesora vo vzťahu k základnej doske. Ide o konektor, do ktorého sa puzdro procesora vloží a zamkne. Na označenie je treba dbať, a ak sa socket dosky a procesora nezhoduje, nielenže spolu nebudú tieto dva komponenty pracovať, ale nepodarí sa vám ich ani prepojiť. Môžeme hovoriť o dvoch hlavných vyhotoveniach socketov.

Rozšírenejším LGA, ktorý spája dosku s procesorom kontaktnými plochami a dnes ustupujúcim PGA, ktorého princíp spočíva v uzamykaní procesora pomocou pinov presne pasujú do otvorov v pätici. Jednotlivé sockety sa od seba však líšia hlavne samotným označením, ktoré je popravde všetko, čo vás musí pri výbere procesora zaujímať.

Najaktuálnejšou päticou Intelu je LGA1151 a v prípade AMD je to AM4. Ak by ste mali záujem o procesor zo segmentu HEDT, nielenže sú tieto čipy často založené na odlišných architektúrach, často disponujú tiež iným socketom. AMD pre svoje procesory Threadripper vytvorilo päticu TR4, zatiaľ čo Intel s mnohoročnými skúsenosťami iba aktualizoval staršie HEDT pätice a novú pomenoval LGA2066.

TDP procesora

TDP je skratka anglického výrazu Thermal Design Power, ktorý referuje o maximálnom tepelnom výkone procesora, čiže o množstve tepla, ktoré pri svojom maximálnom zaťažení môže produkovať. TDP je parameter používaný predovšetkým v spojení s dimenzovaním chladenia a ide skôr o akýsi strop, než strednú hodnotu. Táto hodnota však nemôže, ako si mnoho ľudí myslí, priamo reflektovať spotrebu procesora, je voči nej ale priamoúmerná a nižšie TDP sa teda rovná nižšej spotrebe procesora.

L3 cache procesora

Pamäte cache, v slovenčine vyrovnávacie, majú za úlohu práve vyrovnávať rýchlostné rozdiely medzi jednotlivými komponentmi. Sú veľmi rýchle a v procesore sa delia podľa vrstiev, anglicky layer, preto je aj písmeno L pred samotnou číslovkou vrstvy. L3 cache je v procesore najpomalší, najobjemnejší a zdieľajú ju všetky jadrá. Čím je úroveň pamäte nižšia, tým menší je jej objem, vyššia rýchlosť a zároveň má bližšie k samotnému procesoru.

Pamäte L2 a L1 sú teda implementované priamo v jadre. Spravidla platí, že čím väčšia pamäť L3 cache, tým lepšie. Nemusí to však byť úplne pravda, napríklad Intel pri svojich posledných HEDT procesoroch architektúry Skylake-X zrevidoval návrh vyrovnávacích pamätí a redukoval veľkosť L3 v prospech L2 cache.

Výrobné technológie procesora

Ak chceme niečo vyhlásiť za sťažeň pri medzigeneračnom výkonnostnom pokroku, je to práve výrobná technológia. V súčasnosti sa udáva v nanometroch a jej hodnota informuje o rozmeroch tranzistorov v procesore. Čím menšie tranzistory sú, tým viac ich je možné na čip umiestniť a zároveň zmenšiť jeho priestorovú náročnosť. Menšie tranzistory majú nižšiu spotrebu a dokážu spínať rýchlejšie, čo sa pozitívne prejavuje na zvyšovaní frekvencií procesorov. Aj keď možno každú novú generáciu procesorov vyhlásiť za technologický úspech, často dochádza len k minoritným zmenám v architektúre a inovácie vo výrobnej technológii sú vždy významnou udalosťou IT sveta.

Aký procesor si mám vybrať?

Ak vás hlbšie technologické princípy procesorov neoslovujú, majte pri výbere vždy na pamäti správny socket, od ktorého sa musí odvíjať výber základnej dosky. Tiež si pri výbere ujasnite, k čomu máte v pláne používať počítač. Ak je to bežná kancelárska práca, poslúžia procesory Intel Core i3, niektoré modely Intel Core i5 alebo AMD Ryzen 3. Ak mierite skôr smerom herného počítača, vyberte Intel Core i5 alebo i7 alebo ich AMD verzie v podobe Ryzen 5 a Ryzen 7. Na miesto srdca pracovnej stanice pre grafikov, architektov či editorov multimediálneho obsahu sa potom najlepšie hodia štandardné procesory Intel Core i7 a AMD Ryzen 7 alebo HEDT kúsky AMD Threadripper a Intel Core i9.

Podčiarknuté, sčítané, procesor je a ešte aj dlho bude vtou najdôležitejšou súčasťou počítača. A vzhľadom na to, že okrem počítačov dnes nájdeme procesor prakticky v každom inteligetnom zariadení, mali by sme mať aspoň základné povedomie o tom, ako funguje, na čo slúži, a hlavne čo to procesor vlastne je.