114647 (Фізичні основи роботи комп’ютера), страница 4

Рисунок 2.3 – Схема роботи рідкокристалічного дисплея

Принцип дії: комп'ютер подає напруги на пари електродів тих РК (рис. 2.4), які повинні стати прозорими. В результаті на екрані утворюється зображення з вибраних пікселів вибраного кольору [9].

Рисунок 2.4 – Схема розташування пікселя на дисплеї

Характеристики: роздільна здатність — кількість пікселів на екрані по горизонталі і по вертикалі. В даний час від 1024/768 до 1600/1200.

Особливості: дорогі (у 2-3 рази дорожче ДЕП); власне дисплей споживає мало енергії, але потрібне підсвічування, що вимагає значної потужності; критичні до температури: не функціонують при .

Погрішності дисплеїв (див. табл. 2.1) обумовлені принципом створення зображення точками (пікселями). Значення інструментальної погрішності при представленні результату вимірювання графічно дорівнює значенню пікселя. Абсолютна погрішність дорівнює кроку пікселя, відносна – величина, зворотна розподілу.

Наприклад. При роздільній здатності 640/480 по горизонталі , по вертикалі

[9] .

Таблиця 2.1 – Співвідношення наведених погрішностей комп'ютерних вимірювань для дисплея

Дисплей
Роздільна здатність, піксель	Погрішність , %
640	0,15
800	0,12
1280	0,08

2.2 Процесори

Процесор в сучасному комп'ютері часто виступає синонімом всього ПК. На питання: «Який у вас комп'ютер?» з очевидністю йде відповідь – «четвертий Pentium» або «Athlon 64», частота така-то... До речі, такому відношенню до ЦП немало сприяла кампанія Intel Inside, що почалася ще в 1993 році.

Центральний процесор – вінець технологічних досягнень людини. З простої жмені піску люди навчилися створювати кристали (рис. 2.5) розміром з ніготь, здатні виконувати мільярди обчислень за секунду. Не дивлячись на складність архітектури самого процесора, він складається з простої «цегли» – транзисторів, своєрідних перемикачів. Працює транзистор так: якщо на замикаючому затворі немає напруги, елемент не проводить струм. Коли ж напруга до затвора прикладається, транзистор «відкривається» і сам стає провідним. А далі їх починають комбінувати: адже транзистор, що «відкрився», здатний пропустити струм до затвора іншого транзистора і, у свою чергу, вплинути на його поведінку. Такі комбінації ускладнюються, а з елементарних поєднань будуються величезні блоки. Ускладнюється і їх поведінка. У сучасних процесорах присутні сотні мільйонів транзисторів, що працюють в тісному зв'язку один з одним. Далі ми зупинимося на ключових особливостях процесорів, які визначають їх швидкість і можливості [7].

Рисунок 2.5 – Зовнішній вигляд пластини кристалу з нанесеною на нього літографією

2.2.1 Техпроцес

Ми спеціально згадали про транзистори, оскільки вони пов'язані з важливою характеристикою процесора – так званим «технічним процесом». Він має розмірність довжини і вимірюється в нанометрах (на даний момент – 130,90 або 65 нм). А щоб зрозуміти, звідки він береться, давайте подивимося, як з'являється на світ окремо взятий процесор.

Спочатку з кремнієвого піску вирощують циліндричний кристал з діаметром основи 20-30 см і розрізають його на тонкі круглі пластини – вони стануть основою для майбутніх процесорів. Пластини полірують, а потім за допомогою фотолітографії наносять на них транзистори і інші компоненти. На кожній пластинці розміщується декілька сотень процесорів. Потім їх вирізають, наносять шари алюмінієвих або мідних з'єднань, що зв'язують транзистори і ділянки кристала. Нарешті, «насаджують» готовий процесор на упаковку, тестують і продають.

Протягом багатьох років технологи провідних фірм працювали над тим, щоб зменшити розмір транзисторів. Адже чим він менший, тим, взагалі кажучи, краще. Транзистор меншого розміру вимагає меншої напруги, знижуючи споживання енергії. Чим менше транзистори, тим більше їх можна розташувати на поверхні кристала. Нарешті, процесори, створені на транзисторах менших розмірів, краще розганяються. Така важлива величина не могла не отримати окремої назви. Власне, техпроцес – це і є характерний розмір одного транзистора.

Це цікаво: спочатку зменшення техпроцесу йшло досить успішно. Удосконалювалися технології вирощування кристалів, досягався вищий клас поліровки, все більш ускладнювалося устаткування фотолітографії. Але незабаром компанії-виробники зіткнулися з тим, що впритул підійшли до обмежень самого матеріалу: як-не-як, комірка кристалічної решітки має свій розмір, яким вже давно не можна нехтувати. Так, при 90-нанометровому техпроцесі затвор транзистора складається всього з п'яти атомних шарів діелектрика (SiO ), а при 65-нанометровому – з трьох-чотирьох. Далі зменшувати нікуди: ніякий діелектрик не в силах запобігти тунелювання електронів крізь такий тонкий бар'єр. Кремній відпрацював своє. Можна з упевненістю сказати, що наступні планки – 45 і 30 нм – можна буде здійснити з використанням інших матеріалів. Силікат нікелю? Вуглецеві нанотрубки? Поживемо – побачимо [7].

2.2.2 Розмір КЕШа

Схематично уявити собі роботу процесора досить просто. Він прочитує дані з пам'яті, обробляє їх і записує назад в пам'ять. Все! Швидкість другого етапу залежить від архітектури процесора, а ось перший і третій етапи – від продуктивності пам'яті. І тут проблеми є. У 80-х роках минулого століття процесори були відносно повільними, і пам'ять встигала їх обслуговувати. З часом швидкість ЦП стрімко росла, тоді як пам'ять розвивалася помітно повільніше. А якщо так, то який сенс у потужному процесорі, якщо він своєчасно не отримуватиме дані?

Для розв’язання проблеми додали швидкісну пам'ять, яка відіграє роль буфера між процесором і оперативною пам'яттю, – кеш-пам'ять. Вона застосовується для зберігання найбільш часто використовуваних даних, щоб скоротити число повторних звернень до «повільної» пам'яті. Кеш ділиться на декілька рівнів, але найчастіше доводиться стикатися з кешем другого рівня (L2). У найпростіших процесорів він складає 128-256 кбайт, у потужніших – 1-2 Мбайт.

2.2.3 Тактова частота

Раніше, вибираючи процесор, користувачі звертали увагу лише на частоту. І, загалом, цілком закономірно – до недавнього часу саме вона в першу чергу визначала швидкість роботи всієї системи. За останні десять років цей параметр виріс з 100 МГц до 3,8 ГГц. Чим вище тактова частота, тим швидше перемикаються транзистори, тим більше обчислень виконує процесор за одиницю часу. Оборотна сторона медалі – більше виділення тепла.

Ми звикли вважати, що чим вище частота процесора, тим краще. Intel засвоїла урок і випустила Pentium 4. Його архітектура була «заточена» під можливість збільшення частот до немислимих раніше величин. Але в 2005 році компанія відійшла від минулих гасел...

Причин тому велика кількість, адже продуктивність можна збільшити не тільки шляхом нарощування частот, є і інші шляхи. Розширити кеш-пам'ять, функціональні блоки, інструкції, удосконалити архітектуру. А ось з останнім були проблеми. Архітектура NetBurst опинилася не такою ефективною в плані продуктивності. За один такт Pentium 4 виконує менше роботи, чим Athlon 64. Саме тому сьогодні 2-гігагерцовий Athlon легко перемагає 3-гігагерцовий Pentium. Порівнювати Athlon і Pentium за тактовою частотою вже безглуздо.

Щоб було простіше орієнтуватися в моделях, AMD застосувала систему рейтингів (іноді це називалося «пентіум-рейтингом», як би гіпотетичною продуктивністю процесора Pentium аналогічної частоти). Наприклад, при рейтингу 4000+ фактична частота Athlon'a складає 2,4 ГГц.

Що ж до Intel, то після переходу на 90-нм техпроцес компанія не змогла далі підвищувати частоту. У результаті про випуск 4-ГГц процесора довелося забути, заразом звернути програму рекламування мегагерц, і ввести... модельні номери, як AMD зробила декількома роками раніше.

Вибравши архітектуру (Pentium 4/D або Athlon 64/64 Х2), залишається визначитися з частотою. Тут важливо мати на увазі, що приріст продуктивності не прямо пропорційний зростанню частоти, а декілька менше. Порівняємо, допустимо, процесори Pentium 4 630 (3,0 ГГц) і Pentium 4 660 (3,6 ГГц). Вибравши другий замість першого, ви отримаєте збільшення частоти всього на 20 %, а приріст продуктивності і того менше – 5-15 %! Зате заплатите удвічі більше. Чи треба? На наш погляд, нетреба: набагато важливіше підібрати потужнішу відеокарту або зайвий гігабайт пам'яті [7].

До уваги: висока тактова частота потрібна при кодуванні звуку і відео в реальному часі, частково в іграх. Для офісних програм, фільмів і музики цей показник на сьогоднішній день практично не грає ролі. Комп'ютер буде лише даремно споживати енергію. Для вирішення цієї проблеми навіть існують технології, що динамічно знижують частоту і напругу при низьких навантаженнях. У AMD технологія називається Cool'n'Quiet і здатна зменшувати частоту до 1 ГГц, у Intel є SpeedStep, але частоту вона зменшує всього до 2,8 ГГц.

2.2.4 Два ядра і Hyper-Threading

Якщо частота – це не «наше все», то як ще можна збільшувати продуктивність? Найкардинальнішим рішенням виявилося збільшення числа ядер. Купивши двоядерний процесор, ми отримуємо два процесори в одному комп'ютері. Intel’овська технологія Hyper-Threading працювала схожим чином.

Два процесори в комп'ютері – ідея не нова, але тільки в 2005 році ми отримали подібні продукти. В принципі, всі переваги і недоліки традиційних двопроцесорних систем перенеслися і на двоядерні.

Почнемо з багатозадачності. Сучасні операційні системи підтримують роботу декількох програм. Як це забезпечується? Адже ЦП може виконувати тільки одну програму цієї миті. Все просто: програми виконуються по черзі. Якщо ви граєте, а у фоні працює антивірус, то гра непомітно, але постійно переривається, щоб процесор обробив і інше завдання. При цьому швидкість падає, відгук теж. Перехід на два процесори вирішує проблему: система здатна виконувати дві програми одночасно, не в режимі імітації багатозадачності, а фізично.

З програмою чітко асоціюється потік коду. Традиційно він один у кожній програмі. Тому хай в системі буде хоч двадцять процесорів, потік все одно зможе використовувати тільки один з них. При такому розкладі приросту швидкості не отримати. Інша справа, якщо програма розбиває себе на декілька потоків. У такому разі кожен потік оброблятиме окремий ЦП.

Виникає резонне питання: які програми сьогодні підтримують багатопоточність? Їх немало, кількість тільки росте: Adobe Photoshop CS 2, ABBYY FineReader 9.0, 3D Studio Max 8, кодер DIVX, кодер Windows Media Encoder 9 і тощо. У іграх теж є приклади: «Периметр», Peter Jackson's King Kong [7].

2.2.5 NX/XD-BIT. Набори інструкцій

Випускаючи нові процесори (рис. 2.6), виробники зазвичай прагнуть ввести якомога більше нових функцій. Одні в міру корисні, інші, як повелося, в міру непотрібні...

Почнемо з NX/XD-bit (AMD/Intel). У пам'яті є ділянки з кодом і даними. Деякі шкідливі програми використовували «дірки» в системі, створюючи переповнювання буфера. Зрозуміти ідею просто: чаша розрахована на літр рідини, а вливають туди два літри. Ясна річ, що половина води вийде за вінця, але вся, так або інакше, пройде через чашу. Також і у процесора – після переповнювання буфера процесор покірно обробить все. Апаратна підтримка NX/XD-bit прикриває цей пролом. Але якщо ваш антивірус справляється з роботою, то від цієї функції – ані гаряче, ані холодно.