XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

ЦПУ или, как его чаще называют, процессор – это центральный элемент системы, отвечающий за все информационные преобразования и управляющий вычислительным процессом. Выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Это один из трех аппаратных составляющих, который вместе с видеокартой и оперативной памятью определяет, насколько быстро будет работать устройство. Вплоть до начала второго тысячелетия все производственные мощности в области изготовления процессоров были сосредоточенны преимущественно в направлении персональных компьютеров. Но с появлением в 1994 году первого карманного персонального компьютера от компании IBM для производителей ЦПУ открылось новое направление. На сегодняшний день существует огромное количество процессоров с различными характеристиками.

Процессоры КПК, а затем смартфонов и планшетов отличались от процессоров ПК и ноутбуков своей архитектурой, спроектированной компанией ARM. Данная архитектура обеспечивала низкое энергопотребление, предохраняло устройство от перегрева и обеспечивала работу в автономном режиме более 12 часов при активном использовании. Такие крупные компании как LG, Samsung, Sony Ericsson, AMD и др. приобрели лицензии на производство ARM-процессоров, а некоторые из них, такие как Qualcomm, MediaTek и Apple создают собственные варианты ядер на основе ARM структуры, что позволяет им держать лидирующие позиции рейтинга мобильных процессоров. Необходимо также отметить еще одно важное отличие построения, заключающееся в объединение с другими компонентами устройства, такие как графический ускоритель и установке их на одну микросхему. Данная система получила название System on a Chip(SoC).

Функциональность и скорость работы устройства зависит в большой степени зависит от характеристик процессора, а не от его архитектуры. К основным характеристикам процессора относят: частота, количество ядер, объем кэш памяти, а также техпроцесс.

Частота - количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение одной секунды. Частота измеряется в герцах(Гц) и непосредственно влияет на то, как быстро будет работать устройство. Современные мобильные устройства оснащены способностью понижать или повышать собственную частоту в зависимости от нагрузки, поэтому производитель та частота, что указывается производителем при реализации устройства является его наивысшим пределом.

От количества ядер зависит с какой скоростью процессор способен обрабатывать ту или иную задачу, так как в процессе выполнения происходит разбиение задачи(потока) на имеющиеся ядра, которых в современных устройствах насчитывается от 2 и более.

Объем кэш памяти - количество памяти, предназначенное для сохранения данных при закрытии, удалении, а также переключении с одной задачи(приложения) на другое. Резервирование данных происходит для того, чтобы пользователь, например, в любой момент времени после мог рассчитывать на быструю загрузку недавно закрытой веб-страницы, данные с которой копируются в специально отведенное для этого места, чаще всего в отдельную папку.

Техпроцесс -характеристика технологии производства процессоров для видеокарт, смартфонов и ноутбуков. Чем выше разрешающая способность светового луча, высекающего транзисторы на кремниевой подложке, тем мельче они получаются. Маленький размер транзисторов позволяет расположить на микросхеме большее их количество. Измеряется в нанометрах(нМ).

Для более детального рассмотрения работы и эволюции устройств обратимся к одному из лидеров в области производства быстродействующих смартфонов – компании Apple.

7 сентября 2016 компания Apple во время презентации своего нового устройства IPhone 7го поколения показала график изменения производительности своих устройств в период с 2007 по 2016. Согласно данному графику компании удалось увеличить мощность своих устройств в 120 раз. Apple IPhone 2G, произведенный в 2007 году, имел одноядерный процессор, разработанный компанией Samsung, с частотой 400 МГц и объемом кэш памяти 128 мБ, изготовлен по технологии 65 нМ. Данные технические характеристики позволили компании установить на смартфон собственную операционную систему, сенсорный экран, которым может пользоваться без применения стилуса, что являлось неоспоримым преимуществом перед конкурентами. Но тем не менее имелись и недостатки, в частности невозможность работы 3G связи и установки каких-либо приложений. Через десять лет, в 2017 году, компания выпускает очередное устройство, получившее название IPhone X. Данное поколение устройств превосходила предыдущее(седьмое) по производительности более чем на 25%, что обозначает превосходство над первым уже более чем в 150 раз. Смартфон был выполнен на базе собственного процессора A11 bionic, имеющего транзисторы длинной 10 нМ, с частотой 2390 МГц, 6 ядер обеспечивали выполнение тяжелых графических задач, 2 из которых были исполнены в высокоэнергетивном исполнении, за счет чего появилась возможность установить такие революционные технологии, как искусственный интеллект, предназначенный для улучшения качества фотографий и распознавания владельца устройства по лицу. В 2008 году появился собственный магазин приложений, который на данный момент насчитывает более 1 млн. приложений, среди которых не только игры, но и различные редакторы графических, текстовых и музыкальных файлов, для работы которых необходимы значительные вычислительные мощности и A11 обеспечивает это в полной мере.

Сравнительные данные, указанные выше отлично показывают эволюцию ЦПУ компактных устройств. И если 10 лет назад функционал смартфонов и планшетов был ограничен, то уже сегодня производительности вполне хватает, чтобы в некоторых случаях (а то и совсем) заменить ПК и ноутбуки. Прогресс не стоит на месте, и производители с каждым своим новым устройством приближаются к тому, чтобы смартфоны стали главным помощником человека во всех сферах его жизнедеятельности.