Ako funguje procesor. Určené pre stredné školy

Procesor, označovaný aj ako centrálna procesorová jednotka (CPU), je najzákladnejšou a stále najdôležitejšou súčasťou počítača. Ide o tú časť, ktorá spracúva a vykonáva všetky úlohy dané inštrukciami, ktoré sa počítaču zadávajú prostredníctvom kódu programov, súčasne sa k nej rôznymi spôsobmi pripájajú periférne zariadenia, operačná pamäť a úložisko (disk, SSD a predtým napríklad aj pásky). Je to teda naozaj centrálny prvok počítača.

Teraz sa pozrieme na rôzne súčasti, ktoré sú dnes v procesore (či SoC) integrované. Typický dnešný procesor je tvorený jedným čipom v prípade tradičného „monolitického“ mikroprocesora, ale v poslednej dobe opäť aj viacerými čipmi—tým sa potom hovorí čiplety s tým, že čiplety sú časti tvoriace až dohromady kompletnú funkcionalitu, ktorú by inak implementoval jeden čip. Spoločnosť Intel pre svoje produkty namiesto termínu čiplet zvyčajne používa termín dlaždica (tile), ale význam je rovnaký.

Rozdelenie čipu na čiplety nie je zastaraný relikt z minulosti, ale dôsledok toho, že rozvoj komplexnosti mikroprocesorov naráža na možnosti najnovších výrobných procesov na výrobu čipov. Napríklad môže ísť o to, že najnovšie čipové technológie sú veľmi drahé, alebo sa menej hodia na implementáciu niektorých typov obvodov (analógové obvody a fyzické vrstvy rozhraní, napríklad). Rozdelenie procesora na dva čiplety potom umožňuje napríklad do jedného čipletu vyrobeného najnovším procesom umiestniť jadrá CPU, ktoré profitujú z najnovšej technológie, zatiaľ čo do druhého čipletu vyrobeného starším procesom umiestniť analógovú funkcionalitu alebo funkcionalitu, pri ktorej nie je výkon kritický. Výroba časti výslednej plochy staršou technológiou výroby čipov môže v dnešnej dobe ušetriť výrobné náklady, pretože novšie kremíkové procesy môžu mať vyššiu cenu v prepočte na jeden tranzistor oproti starším (už neplatí tzv. Moorov zákon, na základe ktorého ceny za jeden tranzistor s novými technológiami stále klesala).

V neposlednom rade rozdelenie procesora do viacerých čipletov môže dovoliť zvýšiť výkon—celé zložené CPU totiž potom môže mať väčšiu plochu kremíka, než je možné vyrobiť ako jeden monolitický čip (maximálna plocha, s ktorou sú továrne schopné čipy vyrobiť, je daná tzv. reticle limitom, ktorý je okolo 800 mm²).

Fyzické vyhotovenie

Čip alebo čiplety musia byť na použitie osadené v tzv. puzdre (anglicky package). To sa skladá zo substrátu, čo je organická doska plošných spojov, na ktorú je čip prispájkovaný plôškami na spodnej strane svojich kovových vrstiev (pri modernej metóde „flip-chip“, pred ňou sa z plôšok na kovových vrstvách čipu namiesto toho viedli tenké drôtiky). Substrát vyvádza elektrické vodiče z kovových vrstiev samotného čipu do externých kontaktov celého procesora, ktoré sa potom už pripájajú k základnej doske.

Puzdro môže byť priamo prispájkované k základnej doske—potom hovoríme o puzdre typu BGA (ball grid array, podľa toho, že na kontaktoch na spodnej strane sú nanesené guľôčky spájky). V procesoroch pre stolné (desktopové) počítače býva namiesto toho použité puzdro určené na inštaláciu do pätice, keď sú na spodnej strane substrátu piny—to je puzdro PGA (pin grid array).

Novšie procesory skôr používajú puzdro LGA (land grid array), čo znamená, že na spodnej strane substrátu sú len kontaktné plôšky a piny, ktoré s nimi budú mať kontakt, sú v pätice základnej dosky. Puzdrá PGA a LGA dovoľujú jednoduchú výmenu procesora aj priamo samotným používateľom.

Historické mikroprocesory mohli mať aj jednoduchšie puzdrá, napríklad DIP, alebo dual inline package, čo je puzdro s dvoma radmi nožičiek po stranách, od ktorého sa odvodzuje ľudové označenie čipov „šváb“. Niektoré historické procesory mali prevedenie do slotu podobného rozširujúcej karte (Slot 1 u procesorov Intel Pentium II a III, Slot A u procesorov AMD Athlon). V tomto prípade išlo v podstate o procesor v puzdre BGA, prispájkovaný na ďalšiu dosku plošných spojov, na ktorej mohli byť ďalšie čipy—najmä externé čipy s vyrovnávacou pamäťou (L2 cache).

Rozvádzače tepla a ochranné prvky

Procesorov pre stolové (desktopové) počítače je zvyčajne čip na substráte prekrytý kovovým krytom, ktorému sa hovorí integrovaný rozvádzač tepla (IHS = Integrated Heat Spreader). Toto meno získal preto, že vrchná plocha IHS je výrazne väčšia než plocha samotného čipu, takže do základne chladiča, ktorý sa osádza na procesor, odovzdáva teplo väčšou styčnou plochou. Tento IHS ale zároveň dodáva krehkému čipu ochranu pred mechanickým poškodením napríklad nerovnomerným tlakom chladiča. Nevýhoda je, že vrstva IHS čiastočne zhoršuje (spomaľuje) odvod tepla z čipu do chladiča. Procesory pre notebooky často IHS nemajú a na ochranu čipu namiesto toho osádzajú kovový rámček okolo procesora, ktorý zabezpečuje rovnomerné bezpečné osadenie chladiča na kremík.

Prakticky všetky procesory pre osobné počítače nevyhnutne pre svoju prevádzku vyžadujú chladič, pretože ich prácou sa premieňa elektrina na teplo a typicky je tepelný výkon (vo wattoch) oveľa vyšší, než čo by sa stíhalo bezpečne rozptýliť do okolia. Procesor sa preto musí chladiť, aby nedošlo k jeho prehriatiu a deštrukcii. Hodnota tepelného výkonu (spotreby), ktorú procesor vyžaduje uchladiť, sa udáva ako tzv. TDP (Thermal Design Power). Použité chladenie musí zvládať odvádzať minimálne stanovené TDP procesora, alebo ideálne vyššiu hodnotu.

Medzi IHS a základňu chladiča je potrebné naniesť na zlepšenie odvodu tepla teplovodivú pastu alebo vložiť špeciálnu na to určenú teplovodivú vložku. Procesor má sám už z výroby vnútri medzi svojim kremíkovým čipom a IHS tiež teplovodivú pastu alebo spájkovaný spoj.

Článok pokračuje na ďalšej strane…

⠀⠀⠀