Лекция
процессор в вычислительной технике — электронный компонент (цифровая схема), который выполняет операции с внешним источником данных, обычно с памятью или каким-либо другим потоком данных. Этот термин часто используется для обозначения центрального процессора (ЦП), главного процессора в системе. Однако оно также может относиться к другим сопроцессорам, таким как графический процессор (GPU).
Сейчас он обычно имеет форм-фактор микропроцессора, который реализован на одной (или нескольких тесно интегрированных) микросхеме (интегральной схеме). В прошлом же процессоры создавались с использованием множества отдельных электронных ламп, множества дискретных транзисторов или же множества интегральных схем малой интеграции.
Разновидности:
Созданы квантовые процессоры (см. Quantum processor[англ.], квантовый компьютер); они используют квантовую суперпозицию для представления битов (называемых кубитами), а не только двоичные состояния включения/выключения.
Центральные процессоры (ЦП) являются основными процессорами в большинстве компьютеров. Они предназначены для обработки широкого спектра общих вычислительных задач, а не только нескольких задач, специфичных для домена. Если они основаны на архитектуре фон Неймана , они содержат по крайней мере блок управления (БУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и регистры процессора . На практике ЦП в персональных компьютерах обычно также подключаются через материнскую плату к основному банку памяти , жесткому диску или другому постоянному хранилищу , а также периферийным устройствам , таким как клавиатура и мышь .
Графические процессоры (GPU) присутствуют во многих компьютерах и предназначены для эффективного выполнения операций с компьютерной графикой , включая линейную алгебру . Они высокопараллельны, и центральные процессоры обычно лучше справляются с задачами, требующими последовательной обработки. Хотя изначально GPU предназначались для использования в графике, со временем области их применения расширились, и они стали важной частью оборудования для машинного обучения . [ 18 ]
Существует несколько видов процессоров, специализированных для машинного обучения. Они попадают в категорию ускорителей ИИ (также известных как нейронные процессоры , или NPU) и включают в себя визуальные процессоры (VPU) и тензорный процессор Google (TPU).
Звуковые чипы и звуковые карты используются для генерации и обработки звука. Цифровые сигнальные процессоры (DSP) предназначены для обработки цифровых сигналов. Процессоры сигналов изображений — это DSP, специализирующиеся, в частности, на обработке изображений.
Процессоры глубокого обучения , такие как нейронные процессоры, предназначены для эффективных вычислений глубокого обучения.
Физические процессоры (PPU) созданы для эффективного выполнения вычислений, связанных с физикой, особенно в видеоиграх. [ 19 ]
Программируемые пользователем вентильные матрицы (ПЛИС) представляют собой специализированные схемы, которые можно перенастраивать для различных целей, а не ограничивать определенной областью применения во время производства.
Элемент или блок синергетической обработки (SPE или SPU) является компонентом микропроцессора Cell .
Были разработаны процессоры, основанные на различных схемных технологиях. Одним из примеров являются квантовые процессоры , которые используют квантовую физику для реализации алгоритмов, которые невозможны на классических компьютерах (использующих традиционную схему). Другим примером являются фотонные процессоры, которые используют свет для выполнения вычислений вместо полупроводниковой электроники. [ 20 ] Обработка выполняется фотодетекторами, которые воспринимают свет, создаваемый лазерами внутри процессора.
Также процессор — язык преобразования документов (см. XSLT, Категория:Процессоры XSLT, Категория:Процессоры XQuery)
Количество транзисторов с течением времени, демонстрирующее закон Мура
Закон Мура , названный в честь Гордона Мура , представляет собой наблюдение и прогнозирование посредством исторической тенденции, согласно которой количество транзисторов в интегральных схемах, а следовательно, и процессоров, удваивается каждые два года. Развитие процессоров тесно связано с законом Мура.
Принцип работы:
CPU — это универсальный процессор, способный выполнять широкий спектр вычислительных задач. Он состоит из нескольких ядер, которые обрабатывают инструкции последовательно или параллельно. Его архитектура оптимизирована для выполнения последовательных операций с высоким уровнем управления потоком данных.
Ключевые особенности:
Принцип работы:
GPU оптимизирован для параллельной обработки большого количества однотипных вычислений. Он имеет тысячи ядер, которые обрабатывают данные одновременно, что идеально подходит для графической визуализации и вычислений, требующих параллелизма.
Ключевые особенности:
Принцип работы:
TPU разработан специально для ускорения операций с тензорами, которые широко используются в машинном обучении и глубоких нейронных сетях. Его архитектура ориентирована на выполнение матричных операций с высокой производительностью.
Ключевые особенности:
Принцип работы:
DPU оптимизирован для работы с потоками данных, сетевыми операциями и задачами хранения данных. Он сочетает в себе возможности ускорения сетевых операций, управления серверами и оптимизации обработки данных.
Ключевые особенности:
Принцип работы:
QPU работает на основе принципов квантовой механики, таких как суперпозиция и запутанность. В отличие от классических процессоров, он обрабатывает информацию в квантовых битах (кубитах), что позволяет выполнять некоторые типы вычислений значительно быстрее.
Ключевые особенности:
Эти процессоры, каждый в своей области, играют ключевую роль в современных вычислениях, обеспечивая высокую производительность и эффективность для различных приложений.
Принцип работы процессора заключается в выполнении последовательности инструкций, которые задают, как обрабатывать данные. Процессор, или центральный процессор (CPU), является "мозгом" компьютера, управляющим выполнением программ. Его работа основана на архитектуре фон Неймана, которая предполагает разделение функций хранения и обработки данных.
Получение команды (Fetch): Процессор получает инструкцию из памяти. Для этого он использует счетчик команд (Program Counter, PC), который указывает адрес текущей инструкции. Эта команда загружается в регистр команд (Instruction Register, IR).
Декодирование (Decode): Загруженная команда анализируется. Специальный блок процессора, декодер инструкций, определяет, какую операцию нужно выполнить (например, сложение, умножение, запись данных в память). Декодер также определяет, какие данные или адреса памяти будут участвовать в операции.
Выполнение (Execute): После декодирования процессор выполняет инструкцию. Для этого используются:
Запись результата (Writeback): Полученный результат записывается либо в регистр, либо в оперативную память (RAM). Это завершает выполнение текущей инструкции, после чего процессор переходит к следующей.
Обновление счетчика команд: Счетчик команд увеличивается, чтобы указывать на следующую инструкцию, или изменяется в зависимости от результата выполнения (например, при условном переходе).
Арифметико-логическое устройство (ALU):
Регистр:
Контроллер:
Кэш-память:
Системная шина:
Итог:
Принцип работы процессора основан на циклическом выполнении инструкций (получение, декодирование, выполнение, запись), что обеспечивает работу всех программ на компьютере. Современные процессоры стремятся увеличить производительность за счет параллельной обработки и высокоскоростного доступа к данным.
Комментарии
Оставить комментарий
Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Термины: Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров