Το πιο σημαντικό μέρος του υπολογιστή σας, αν έπρεπε να επιλέξετε μόνο ένα, θα ήταν η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). Είναι ο κύριος κόμβος (ή «εγκέφαλος») και επεξεργάζεται τις οδηγίες που προέρχονται από προγράμματα, το λειτουργικό σύστημα ή άλλα στοιχεία του υπολογιστή σας.
Πίνακας περιεχομένων
1 και 0
Χάρη στις πιο ισχυρές CPU, από το να μπορούμε να εμφανίζουμε μια εικόνα στην οθόνη του υπολογιστή μόλις και μετά βίας έχουμε μεταπηδήσει στο Netflix, τη συνομιλία μέσω βίντεο, τη ροή και τα ολοένα πιο ζωντανά βιντεοπαιχνίδια.
Η CPU είναι ένα θαύμα της μηχανικής, αλλά, στον πυρήνα της, εξακολουθεί να βασίζεται στη βασική ιδέα της ερμηνείας δυαδικών σημάτων (1 και 0). Η διαφορά τώρα είναι ότι, αντί να διαβάζουν κάρτες διάτρησης ή να επεξεργάζονται οδηγίες με σετ λυχνιών κενού, οι σύγχρονοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν μικροσκοπικά τρανζίστορ για να δημιουργήσουν βίντεο TikTok ή να συμπληρώσουν αριθμούς σε ένα υπολογιστικό φύλλο.
Τα βασικά της CPU
Η κατασκευή της CPU είναι περίπλοκη. Το σημαντικό σημείο είναι ότι κάθε CPU έχει πυρίτιο (είτε ένα κομμάτι είτε πολλά) που φιλοξενεί δισεκατομμύρια μικροσκοπικά τρανζίστορ.
Όπως αναφέραμε προηγουμένως, αυτά τα τρανζίστορ χρησιμοποιούν μια σειρά ηλεκτρικών σημάτων (ρεύμα “ενεργό” και ρεύμα “απενεργοποιημένο”) για να αναπαραστήσουν τον δυαδικό κώδικα μηχανής, που αποτελείται από 1 και 0. Επειδή υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά τα τρανζίστορ, οι CPU μπορούν να κάνουν όλο και πιο περίπλοκες εργασίες σε μεγαλύτερες ταχύτητες από πριν.
Ο αριθμός των τρανζίστορ δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η CPU θα είναι πιο γρήγορη. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι ένας θεμελιώδης λόγος που το τηλέφωνο που έχετε στην τσέπη σας έχει πολύ μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ από ό,τι, ίσως, ολόκληρος ο πλανήτης όταν πρώτα πήγαμε στο φεγγάρι.
Πριν προχωρήσουμε πιο πάνω στην εννοιολογική κλίμακα των CPU, ας μιλήσουμε για το πώς μια CPU εκτελεί εντολές με βάση τον κώδικα μηχανής, που ονομάζεται “σύνολο εντολών”. Οι CPU από διαφορετικές εταιρείες μπορεί να έχουν διαφορετικά σύνολα εντολών, αλλά όχι πάντα.
Οι περισσότεροι υπολογιστές με Windows και οι τρέχοντες επεξεργαστές Mac, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν το x86-64 σετ οδηγιών, ανεξάρτητα από το αν πρόκειται για επεξεργαστή Intel ή AMD. Ωστόσο, οι Mac που θα κάνουν το ντεμπούτο τους στα τέλη του 2020 θα έχουν CPU βασισμένες σε ARM, οι οποίες χρησιμοποιούν διαφορετικό σύνολο εντολών. Υπάρχει επίσης ένας μικρός αριθμός υπολογιστών με Windows 10 που χρησιμοποιούν επεξεργαστές ARM.
Πυρήνες, κρυφές μνήμες και γραφικά
Τώρα, ας δούμε το ίδιο το πυρίτιο. Το παραπάνω διάγραμμα είναι από μια λευκή βίβλο της Intel που δημοσιεύτηκε το 2014 σχετικά με την αρχιτεκτονική της CPU της εταιρείας για το Core i7-4770S. Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα του πώς μοιάζει ένας επεξεργαστής—άλλοι επεξεργαστές έχουν διαφορετικές διατάξεις.
Μπορούμε να δούμε ότι πρόκειται για επεξεργαστή τεσσάρων πυρήνων. Υπήρχε μια εποχή που μια CPU είχε μόνο έναν πυρήνα. Τώρα που έχουμε πολλούς πυρήνες, επεξεργάζονται οδηγίες πολύ πιο γρήγορα. Οι πυρήνες μπορούν επίσης να έχουν κάτι που ονομάζεται hyper-threading ή ταυτόχρονη multi-threading (SMT), που κάνει έναν πυρήνα να φαίνεται σαν δύο στον υπολογιστή. Αυτό, όπως μπορείτε να φανταστείτε, βοηθά στην επιτάχυνση του χρόνου επεξεργασίας ακόμη περισσότερο.
Οι πυρήνες σε αυτό το διάγραμμα μοιράζονται κάτι που ονομάζεται προσωρινή μνήμη L3. Αυτή είναι μια μορφή ενσωματωμένης μνήμης εντός της CPU. Οι CPU έχουν επίσης κρυφές μνήμες L1 και L2 που περιέχονται σε κάθε πυρήνα, καθώς και καταχωρητές, οι οποίοι είναι μια μορφή μνήμης χαμηλού επιπέδου. Εάν θέλετε να κατανοήσετε τις διαφορές μεταξύ καταχωρητών, κρυφών μνήμων και μνήμης RAM συστήματος, ρίξτε μια ματιά αυτή η απάντηση στο StackExchange.
Η CPU που φαίνεται παραπάνω περιέχει επίσης τον παράγοντα συστήματος, τον ελεγκτή μνήμης και άλλα μέρη του πυριτίου που διαχειρίζονται τις πληροφορίες που εισέρχονται και εξέρχονται από τη CPU.
Τέλος, υπάρχουν τα ενσωματωμένα γραφικά του επεξεργαστή, τα οποία δημιουργούν όλα εκείνα τα υπέροχα οπτικά στοιχεία που βλέπετε στην οθόνη σας. Δεν έχουν όλες οι CPU τις δικές τους δυνατότητες γραφικών. Οι επιτραπέζιοι επεξεργαστές AMD Zen, για παράδειγμα, απαιτούν μια διακριτή κάρτα γραφικών για να εμφανίζουν οτιδήποτε στην οθόνη. Ορισμένοι επιτραπέζιοι επεξεργαστές Intel Core δεν περιλαμβάνουν επίσης ενσωματωμένα γραφικά.
Η CPU στη μητρική πλακέτα
Τώρα που εξετάσαμε τι συμβαίνει κάτω από την κουκούλα μιας CPU, ας δούμε πώς ενσωματώνεται με τον υπόλοιπο υπολογιστή σας. Η CPU βρίσκεται σε αυτό που ονομάζεται υποδοχή στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή σας.
Μόλις τοποθετηθεί στην υποδοχή, άλλα μέρη του υπολογιστή μπορούν να συνδεθούν με την CPU μέσω κάτι που ονομάζεται “λεωφορεία”. Η RAM, για παράδειγμα, συνδέεται με την CPU μέσω του δικού της διαύλου, ενώ πολλά εξαρτήματα υπολογιστή χρησιμοποιούν έναν συγκεκριμένο τύπο διαύλου, που ονομάζεται “PCIe”.
Κάθε CPU έχει ένα σύνολο «PCIe lanes» που μπορεί να χρησιμοποιήσει. Οι επεξεργαστές Zen 2 της AMD, για παράδειγμα, έχουν 24 λωρίδες που συνδέονται απευθείας με την CPU. Αυτές οι λωρίδες στη συνέχεια χωρίζονται από τους κατασκευαστές μητρικών πλακών με καθοδήγηση από την AMD.
Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται συνήθως 16 λωρίδες για μια υποδοχή κάρτας γραφικών x16. Στη συνέχεια, υπάρχουν τέσσερις λωρίδες αποθήκευσης, όπως μια συσκευή γρήγορης αποθήκευσης, όπως ένας SSD M.2. Εναλλακτικά, αυτές οι τέσσερις λωρίδες μπορούν επίσης να χωριστούν. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν δύο λωρίδες για το M.2 SSD και δύο για μια πιο αργή μονάδα SATA, όπως ένας σκληρός δίσκος ή ένας SSD 2,5 ιντσών.
Αυτό είναι 20 λωρίδες, με τις άλλες τέσσερις να προορίζονται για το chipset, το οποίο είναι το κέντρο επικοινωνίας και ο ελεγκτής κυκλοφορίας για τη μητρική πλακέτα. Στη συνέχεια, το chipset έχει το δικό του σύνολο συνδέσεων διαύλου, επιτρέποντας την προσθήκη ακόμη περισσότερων στοιχείων σε έναν υπολογιστή. Όπως θα περίμενε κανείς, τα στοιχεία υψηλότερης απόδοσης έχουν πιο άμεση σύνδεση με την CPU.
Όπως μπορείτε να δείτε, η CPU κάνει το μεγαλύτερο μέρος της επεξεργασίας εντολών, και μερικές φορές, ακόμη και τα γραφικά λειτουργούν (αν έχει κατασκευαστεί για αυτό). Ωστόσο, η CPU δεν είναι ο μόνος τρόπος επεξεργασίας εντολών. Άλλα στοιχεία, όπως η κάρτα γραφικών, έχουν τις δικές τους δυνατότητες επεξεργασίας. Η GPU χρησιμοποιεί επίσης τις δικές της δυνατότητες επεξεργασίας για να εργαστεί με την CPU και να τρέξει παιχνίδια ή να εκτελέσει άλλες εργασίες με ένταση γραφικών.
Η μεγάλη διαφορά είναι ότι οι επεξεργαστές συστατικών είναι κατασκευασμένοι με συγκεκριμένες εργασίες στο μυαλό. Η CPU, ωστόσο, είναι μια συσκευή γενικής χρήσης ικανή να κάνει οποιαδήποτε υπολογιστική εργασία της ζητηθεί. Γι’ αυτό η CPU κυριαρχεί στο εσωτερικό του υπολογιστή σας και το υπόλοιπο σύστημα βασίζεται σε αυτήν για να λειτουργήσει.