outsideプロセッサの外側と内側の部分：基本概念？

確かに私たちは皆、CPUが何であるかを大まかに知っていますが、プロセッサのどの部分が何であるかを本当に知っていますか？ この小さなシリコンの正方形が大量の情報を処理し、人類を電子システムがなくても完全な大失敗となる時代に移行できるようにするために必要な、主要なものすべて。

プロセッサーはすでに私たちの日常生活の一部になっています。特に、過去20年間に生まれた人々の一部です。 多くの人がテクノロジーと完全に混ざり合って成長しました。言うまでもなく、スマートフォンを一斤の代わりに彼らの腕の下に持ってくる小さな人たちです…これらすべてのデバイスには、 「知性」を与える責任があるプロセッサと呼ばれる共通の要素があります私たちの周りの機械 。 この要素が存在しなかった場合、コンピューター、モバイル、ロボット、組立ラインも存在しません。つまり、誰もが作業を行うことになります…しかし、私たちがそれらを作成した場所に到達することは不可能です。「マトリックス」のような世界はまだありませんが、すべてが行きます。

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プロセッサーとは何か、なぜそれがそれほど重要なのか

まず第一に、コンピューターだけが 内部にプロセッサーを 持っているわけではないことを認識しなければなりません 。 すべての電子機器はすべて 、 デジタル時計、プログラム可能なオートマトン、スマートフォンなど、プロセッサとして機能する要素を内蔵しています。

しかしもちろん、それらの機能と製造されたものに応じて、一連のバイナリコードを実行してLEDパネルを点灯するだけでなく、 大量のデータを処理するまで、 プロセッサは多少複雑になる可能性があることにも注意する必要があります。 それらからの学習を含む 情報 （機械学習と人工知能）。

スペイン語のCPUまたは中央処理装置 は、プログラムに含まれるタスクと命令を実行できる電子回路です。 これらの命令は大幅に簡略化されており、 基本的な算術計算 （加算、減算、乗算、除算）、 論理演算 （AND、OR、NOT、NOR、NAND）、 および入出力 （I / O）制御に要約されています。デバイスの。

次に、プロセッサは、プログラムの命令を形成するすべての操作の実行を担当する要素です。 マシンの観点から考えると、 これらの操作は 、ビットと呼ばれるゼロと1の単純なチェーンになり 、 現在/非現在の状態を表すため、人間でさえも可能なバイナリ論理構造が形成されます。 機械コード 、アセンブラー、またはより高いレベルのプログラミング言語で理解し、プログラムする。

トランジスタ、すべての犯人

プロセッサがなければ、少なくともプロセッサは存在しなかったでしょう。 それらは、 いわば、プロセッサや集積回路 の基本的な単位です。 電気回路を開閉したり 、信号を増幅したりする半導体デバイスです 。 このようにして、CPUが理解するバイナリ言語である1と0を作成することができます。

これらのトランジスタは、真空バルブとして始まりました。これは、トランジスタ自体の転流を実行することができる巨大な電球のようなデバイスですが 、真空内の機械的要素を備えています。 ENIACやEDVACのようなコンピュータは、トランジスタの代わりに内部に真空バルブを備えており、それらは非常に大きく 、小さな都市のエネルギーを実際に消費していました。 これらのマシンは、 フォンノイマンアーキテクチャを備えた最初のマシンでした。

しかし、1950年代から1960年代にかけて、最初のトランジスタCPUが作成され始めました。実際、1958年にIBM 7090で最初の半導体トランジスタベースのマシンを作成したのはIBMでした。 それ以来、その進化は目覚ましいものとなり、 Intelやその後のAMDなどのメーカーは、デスクトップコンピュータ向けの最初のプロセッサを開発し始め、 Intel 8086 CPUのおかげで革新的なx86アーキテクチャを実装しています 。 実際、今日でも、 私たちのデスクトッププロセッサはこのアーキテクチャに基づいており 、後でx86プロセッサのパーツを確認します。

その後、アーキテクチャはますます複雑になり始め、チップが小さくなり、最初により多くのコアが内部に導入され、次にグラフィックス処理専用の コアが導入されました。 これらの小さなチップの内部には、 キャッシュメモリと呼ばれる超高速メモリバンクと、メインメモリ（RAM）との接続バスさえ導入されました。

プロセッサの外付け部品

今日に至るまでプロセッサの履歴を簡単に確認した後、現在のプロセッサが持っている外部要素を確認します 。 触れることができ、ユーザーの視野にある物理的な要素について話しています。 これは、プロセッサの物理的および接続性のニーズをよりよく理解するのに役立ちます。

ソケット

CPUソケットまたはソケットは、マザーボードに固定して取り付けられた電気機械システムであり 、プロセッサをボード上の他の要素およびコンピュータと相互接続する役割を果たします。 市場にはいくつかの基本的なタイプのソケットがあり、さまざまな構成があります。 名前または宗派には、どの要素について話しているのかを理解させる3つの要素があります 。

パソコンの場合、 製造元はIntelまたはAMDですが、これは簡単に理解できます。 接続のタイプに関しては、3つの異なるタイプがあります。

• LGA ：（ グリッドコンタクトアレイ ）は、コンタクトピンがソケット自体に取り付けられているのに対し、CPUにはフラットコンタクトアレイしかないことを意味します。 PGA ：（ ピンのグリッドアレイ ）、それは前のもののちょうど反対です、それはピンを持っているプロセッサーであり、ソケットはそれらを挿入するための穴です。 BGA ：（ ボールグリッドアレイ ）、この場合、プロセッサはマザーボードに直接はんだ付けされています。

最後の番号については、CPUがソケットに持っている分配のタイプまたは接続ピンの数を識別します。 IntelとAMDの両方でそれらの膨大な量があります。

基板

基板は基本的にPCBであり、 DIEと呼ばれるコアの電子回路を含むシリコンチップがインストールされています。 今日のプロセッサには、これらの要素が複数インストールされている場合があります 。

ただし、この小さなPCB には、マザーボードのソケットとの接続ピンのマトリックス全体が含まれています。ほとんどの場合、 金メッキが施されて電気の伝達が改善され、過負荷や過電流やコンデンサーの形の電流サージから保護されています。

ダイ

DIEは正確には、プロセッサのすべての集積回路と内部コンポーネントを含む正方形またはチップです。 視覚的には、基板から突き出て放熱要素と接触している小さな黒い要素として表示されます 。

処理システム全体が内部にあるため、 DIEは非常に高い温度に達するため、他の要素によって保護する必要があります。

IHS

DTSまたはIntegrated Thermal Diffuserとも呼ばれ、その機能は、プロセッサーコアのすべての温度を取得し、この要素がインストールしたヒートシンクに転送することです。 銅製またはアルミ製です。

この要素は、外部からDIEを保護するシートまたはカプセルであり、サーマルペーストによって直接接触するか、直接溶接することができます。 カスタムゲーム機器では、 ユーザーはこのIHSを取り外して、 液体金属コンパウンドのサーマルペーストを使用して、 ヒートシンクを DIEに直接接触させます。 このプロセスはデリディングと呼ばれ 、その目的はプロセッサの温度を大幅に改善することです。

ヒートシンク

できるだけ多くの熱を取り込んで大気に伝達する役割を担う最後の要素。 それらは、アルミニウムと銅のベースで作られた小さなまたは大きなブロックであり 、フィンを通る強制気流によって表面全体を冷却するのに役立つファンが備わっています。

すべてのPCプロセッサが機能し、その温度を制御するためには、ヒートシンクが必要です。

さて、これらは外部のプロセッサの部分です。次に、最も技術的な部分である内部コンポーネントを見ていきます。

フォンノイマンアーキテクチャ

今日のコンピュータは、1945年に歴史の最初のコンピュータに命を吹き込んだ数学者だった フォンノイマンのアーキテクチャに基づいています。ご存知のとおり、ENIACと他の大友です。 このアーキテクチャは基本的に、コンピュータの要素またはコンポーネントを分散して、その操作を可能にする方法です。 4つの基本的な部分で構成されています。

• プログラムおよびデータメモリ ：プロセッサで実行される命令が格納される要素です。 これは、 ストレージドライブまたはハードドライブ、ランダムアクセスRAM、および命令自体を含むプログラムで構成されます。 中央処理装置（CPU） ：これはプロセッサであり、メインメモリと入力デバイスからのすべての情報を制御および処理するユニットです。 入出力ユニット ：中央ユニットに接続されている周辺機器やコンポーネントとの通信を可能にします。 物理的には、マザーボードのスロットとポートとして識別できます 。 データバス ： 要素を物理的に接続するトラック、 トラック、またはケーブルで 、CPUでは、 コントロールバス、データバス、アドレスバスに分かれています 。

マルチコアプロセッサ

プロセッサーの内部コンポーネントのリストを開始する前に、プロセッサーのコアとは何か、その中の機能を知ることは非常に重要です。

プロセッサの中核は、通過する情報を使用して必要な計算を実行する責任を負う集積回路です 。 各プロセッサは、MHzで測定された特定の周波数で動作します 。これは、プロセッサが実行できる操作の数を示します 。 さて、現在のプロセッサはコアを備えているだけでなく、それらのいくつかは同じ内部コンポーネントを備えており、各クロックサイクルで同時に命令を実行および解決することができます。

したがって、コアプロセッサが各サイクルで1つの命令を実行できる場合、6つあれば、同じサイクルでこれらの命令のうち6つを実行できます。 これは劇的なパフォーマンスのアップグレードであり、まさに今日のプロセッサが行うことです。 しかし、コアだけでなく、プログラムのスレッドが循環する一種の論理コアのような処理スレッドもあります 。

プロセッサーのスレッドとは何ですか？ 核との違いは、この問題についてもっと知ることです。

プロセッサの内部部品（x86）

多くの異なるマイクロプロセッサアーキテクチャと構成がありますが、私たちが興味を持っているのは私たちのコンピュータの内部にあるものであり 、これは間違いなくx86の名前を受け取ったものです。 物理的または概略的にそれを少し明確にするために直接見ることができます。 これはすべてDIE内にあることがわかります。

コントロールユニット、算術論理演算ユニット、レジスタ、FPUが各プロセッサコアに存在することに注意してください。

まず、主な内部コンポーネントを見てみましょう。

コントロールユニット

英語でConrol UnitまたはCUと呼ばれ、プロセッサーの操作を指示する役割を果たします。 これは、RAM 、 算術論理演算装置、および入出力デバイス に制御信号の形式でコマンドを発行することで行われ、プロセッサに送信される情報と命令を管理する方法がわかります。 たとえば、データを収集し、計算を実行し、結果を保存します。

このユニットは、 クロックとタイミング信号を使用して、残りのコンポーネントが同期して動作 することを保証し ます 。 事実上すべてのプロセッサがこのユニットを内蔵していますが、それ自体が処理のコアであるものの外側にあるとしましょう。 次に、その中で次の部分を区別できます。

• クロック（CLK） ：内部コンポーネントを同期させる方形信号を生成します。 要素間でこの同期を担当する他のクロックがあります。たとえば、後で説明する乗算器です。 プログラムカウンタ（CP） ：次に実行される命令のメモリアドレスが含まれます。 命令レジスタ（RI） ：実行中の命令を保存しますシーケンサおよびデコーダ ：コマンドを介して命令を解釈して実行します

算術論理演算ユニット

あなたは確かにその頭字語「ALU」でこれを知っているでしょう。 ALU は、ビットレベルの整数を使用してすべての算術および論理計算を実行します 。このユニットは、命令（ オペランド ）と制御ユニットが指示した操作（ 演算子 ）を直接処理します 。

オペランドは、プロセッサの内部レジスタから、またはRAMメモリから直接取得でき、別の演算の結果としてALU自体で生成することもできます。 この出力は操作の結果であり、レジスタに格納される別のワードです 。 これらはその基本的な部分です：

• 入口レジスター（REN） ：評価対象のオペランドを保持します。 操作コード ：CUはオペレーターに操作を実行するように送信しますアキュムレーターまたは結果 ：操作の結果はバイナリワードとしてALUから出されますステータスレジスタ（フラグ） ：操作中に考慮するさまざまな条件を保存します。

浮動小数点ユニット

FPUまたは浮動小数点ユニットと呼ばれます。 基本的には、数学的コプロセッサーを使用した浮動小数点演算の計算に特化した新世代プロセッサーによって実行される更新です。 三角関数や指数計算を実行できるユニットもあります。

基本的には、実行される計算が通常のプログラムよりもはるかに重く、より複雑なグラフィックス処理でプロセッサのパフォーマンスを向上させるための改作です。 場合によっては、FPUの機能は、命令マイクロコードを使用してALU自体によって実行されます。

記録

今日のプロセッサは、いわば独自のストレージシステムを備えており、最小かつ最速の単位はレジスターです。 基本的にそれは小さな倉庫で、処理中の命令とそれらから得られた結果が保存されます。

キャッシュメモリ

次のレベルのストレージはキャッシュメモリであり、これも非常に高速なメモリであり、プロセッサが差し迫って使用する命令を格納するRAMメモリよりもはるかに高速です。 または、RAMから直接要求する以外に選択肢がない場合があるため、少なくとも、使用すると思われる命令を保存しようとします。

現在のプロセッサのキャッシュは、プロセッサと同じDIEに統合されており、L1、L2、L3の合計3つのレベルに分かれています 。

• レベル1キャッシュ（L1） ：ログの後で最も小さく、3つのうちで最も高速です。 各処理コアには独自のL1キャッシュがあり、これはデータを格納するL1データと実行する命令を格納するL1命令の 2つに分かれています。 通常はそれぞれ32KBです。 レベル2キャッシュ（L2） -このメモリはL2よりも低速ですが、サイズも大きくなります。 通常、 各コアには独自のL2があり、これは約256 KBですが、この場合、コア回路に直接統合されていません。 レベル3キャッシュ（L3） ：3つのうち最も遅いですが、 RAMよりもはるかに高速です 。 また、核の外にあり、いくつかの核に分布しています。 その範囲は8 MBから16 MBですが、非常に強力なCPUでは最大30 MBに達します。

発着バス

バスは、 コンピュータを構成する さまざまな要素間の通信チャネル です 。 それらは、データが電気、命令、および処理に必要なすべての要素の形で循環する物理的なラインです。 これらのバスは、プロセッサの内部または外部、マザーボード上に直接配置できます 。 コンピューター上のバスには3つのタイプがあります。

• データバス ： 異なるコンポーネントによって送受信されたデータがプロセッサとの間で循環するバスであるため、理解するのが最も簡単です。 これは、これが双方向バスであり、プロセッサが処理できる長さである64ビットの長さのワードを循環させることを意味します。 データバスの例はLANESまたはPCI Express Linesで 、たとえばグラフィックカードの場合、CPUをPCIスロットと通信します。 アドレスバス：アドレスバスはデータを循環させませんが、メモリに格納されているデータの場所を特定するためのメモリアドレスを提供します 。 RAMはセルに分割された大きなデータストアのようなものであり、これらの各セルには独自のアドレスがあります。 メモリアドレスを送信 してデータをメモリに要求するのはプロセッサです 。このアドレスは、セルにRAMメモリがあるのと同じ大きさでなければなりません。 現在、プロセッサは最大64ビットのメモリアドレスをアドレス指定できます。つまり、最大2 ⁶⁴セルのメモリを処理できます。 制御バス： 制御バスは 、 制御信号とタイミング信号を使用して以前の2つのバスを管理し、プロセッサとの間で循環するすべての情報を同期して効率的に使用します。 空港の管制塔のようなものです。

BSB、入力/出力ユニットおよび乗算器

現在のプロセッサには 、ノースブリッジとサウスブリッジを介してチップセットや周辺機器などのマザーボードの他の要素とCPUを通信する従来のFSBまたはフロントバスがないことを理解することが重要です。 これは、バス自体がCPUに 入出力（I / O）データ管理ユニットとして挿入されており 、RAMを古いノースブリッジのようにプロセッサと直接通信するためです。 AMDのHyperTransportやIntelのHyperThreadingなどのテクノロジは、高性能プロセッサに関する情報交換の管理を担当します。

BSB （ Back Side Bus）は、マイクロプロセッサと独自のキャッシュメモリ （通常はL2のキャッシュメモリ ） を接続するバスです。 このようにして、フロントバスをかなりの負荷から解放し、キャッシュの速度をコアの速度にさらに近づけることができます。

最後に、CPUクロックと外部バスのクロックとの関係を測定する役割を持つ 、プロセッサの内部または外部に配置された一連の要素である乗算器があります。 この時点で、CPUはバスを介してRAM、チップセット、その他の周辺機器などの要素に接続されていることがわかります。 これらの乗数のおかげで、より多くのデータを処理できるようにするために、CPU周波数が外部バスよりもはるかに高速になる可能性があります。

たとえばx10の乗数は、200 MHzで動作するシステムが2000 MHzでCPUで動作できるようにします 。 現在のプロセッサでは、乗数がロックされていないユニットを見つけることができます 。これは、その周波数を上げて、処理速度を上げることができることを意味します。 これをオーバークロックと呼びます 。

IGPまたは内部グラフィックスカード

プロセッサーのパーツを仕上げるために、それらの一部が備えている統合グラフィックスユニットを忘れることはできません。 FPUが何であるかを確認する前、そしてこの場合は同様の問題に直面していますが、基本的にはチームのグラフィックスを独立して処理できる一連のコアであり、数学的な目的で、大量の浮動小数点計算とグラフィックスレンダリング。これは非常にプロセッサに負荷がかかります。

IGPは、 PCI-Expressスロットに取り付けた外部グラフィックスカードと同じ機能を、 小規模または低電力でのみ実行します。 これは、この一連の複雑なプロセスの中心的なユニットを解放する同じプロセッサにインストールされた集積回路であるため、 統合グラフィックスプロセッサと呼ばれます。 グラフィックカードがない場合に役立ちますが、現時点では、これらに匹敵するパフォーマンスはありません。

AMDとIntelはどちらもIGPをCPUに統合するユニットを備えているため、 APU （ Accelerated Processing Unit ）と呼ばれています。 この例は、AMD Athlonと一部のRyzenに加えて、iファミリのほぼすべてのIntel Coreです。

プロセッサの部分に関する結論

さて、外部と内部の両方の観点から、 プロセッサの部品が多かれ少なかれ基本的な方法で見ているこの長い記事の終わりに行きます。 真実は、それは非常に興味深いトピックですが、説明が複雑で長くなるので、その詳細は、このタイプのデバイスの組み立てラインやメーカーに没頭していないほとんどすべての人の理解を超えています。

ここで、興味深いチュートリアルをいくつか紹介します。

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