Πώς τοποθετούνται και συνεργάζονται τα συστατικά της CPU και συνεργάζονται σε τσιπ;

Τα συστατικά μιας CPU είναι απίστευτα πυκνά συσκευασμένα σε ένα μόνο τσιπ χρησιμοποιώντας μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει πολλαπλά στρώματα και εξελιγμένες τεχνικές κατασκευής. Δεν κάθονται απλά ο ένας στον άλλο. Είναι περίπλοκα διασυνδεδεμένα μέσω ενός δικτύου μικροσκοπικών καλωδίων και οδών. Ακολουθεί μια κατανομή του τρόπου με τον οποίο έχουν διευθετηθεί και συνεργάζονται:

Βασικά στοιχεία και η διασύνδεσή τους:

1. πυρήνες: Αυτοί είναι οι εγκέφαλοι της επιχείρησης, εκτελώντας οδηγίες. Οι σύγχρονες CPU έχουν συνήθως πολλούς πυρήνες, που εργάζονται ανεξάρτητα ή συνεργατικά σε διαφορετικά καθήκοντα. Είναι φυσικά κοντά στο DIE (το πλακίδιο πυρίτιο), που συνδέεται με διασυνδέσεις υψηλής ταχύτητας.

2. μνήμη cache (L1, L2, L3): Τα διαφορετικά επίπεδα κρυφής μνήμης τοποθετούνται στρατηγικά κοντά στους πυρήνες για να παρέχουν εξαιρετικά γρήγορη πρόσβαση σε συχνά χρησιμοποιούμενα δεδομένα. Το L1 cache είναι η μικρότερη και ταχύτερη, συνήθως ενσωματωμένη απευθείας σε κάθε πυρήνα. Η προσωρινή μνήμη L2 είναι μεγαλύτερη και μοιράζεται από πυρήνες μέσα σε ένα μόνο σύμπλεγμα (συχνά μια ομάδα πυρήνων σε μία μόνο μήτρα). Το L3 cache είναι η μεγαλύτερη και πιο αργή, που συχνά μοιράζεται από όλους τους πυρήνες στο τσιπ. Η ιεραρχία έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε η CPU να ελέγχει πρώτα L1, στη συνέχεια L2, και τελικά L3 πριν από την πρόσβαση στην κύρια μνήμη (RAM), η οποία είναι σημαντικά πιο αργή. Η φυσική εγγύτητα με τους πυρήνες είναι ζωτικής σημασίας για την ταχύτητα.

3. Μονάδα λήψης εντολών (IFU):Αυτή η μονάδα ανακτά τις οδηγίες από τη μνήμη (ή την προσωρινή μνήμη) και τις προετοιμάζει για εκτέλεση. Συνεργάζεται στενά με τους πυρήνες και την προσωρινή μνήμη.

4. Αυτές οι μονάδες εκτελούν τους πραγματικούς υπολογισμούς και λογικές λειτουργίες. Είναι ενσωματωμένα απευθείας στους πυρήνες. Οι πολλαπλές μονάδες εκτέλεσης εντός ενός πυρήνα επιτρέπουν την παράλληλη επεξεργασία οδηγιών (Pipelining, Superscalar Execution).

5. Μονάδα ελέγχου: Αυτή η μονάδα διαχειρίζεται τη ροή των οδηγιών μέσω της CPU, συντονίζοντας τις δραστηριότητες άλλων εξαρτημάτων.

6. Καταχωρήσεις: Αυτές είναι μικρές τοποθεσίες αποθήκευσης υψηλής ταχύτητας εντός του πυρήνα που κατέχουν τα δεδομένα που επεξεργάζονται επί του παρόντος. Είναι εξαιρετικά γρήγορα και είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική εκτέλεση διδασκαλίας.

7. Ελεγκτής μνήμης: Αυτό διαχειρίζεται την επικοινωνία με τη μνήμη RAM (κύρια μνήμη). Η θέση του στην CPU (on-die ή off-die) επηρεάζει την απόδοση. Ένας ελεγκτής on-die επιτρέπει ταχύτερη πρόσβαση στη μνήμη.

8. διασυνδέσεις (λεωφορεία): Πρόκειται για μικροσκοπικές οδούς που συνδέουν όλα τα εξαρτήματα του τσιπ. Είναι σχολαστικά σχεδιασμένα για να εξασφαλίζουν αποτελεσματική μεταφορά δεδομένων μεταξύ διαφορετικών μονάδων. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι λεωφορείων, όπως αυτοί για τη μεταφορά οδηγιών, δεδομένων και διευθύνσεων.

9. Ενσωματωμένη μονάδα επεξεργασίας γραφικών (GPU) (μερικές φορές): Πολλές σύγχρονες CPU ενσωματώνουν μια GPU απευθείας στο τσιπ, μοιράζοντας πόρους και βελτιώνοντας την απόδοση για την επεξεργασία γραφικών.

Πώς λειτουργεί μαζί:

Η διαδικασία ακολουθεί γενικά αυτά τα βήματα:

1. Fetch: Το IFU λαμβάνει οδηγίες από τη μνήμη.

2. Αποκάλυψη οδηγιών: Η εντολή αποκωδικοποιείται για να καθορίσει ποια λειτουργία πρέπει να εκτελεστεί.

3. Τα απαιτούμενα δεδομένα (τελεστές) λαμβάνονται από καταχωρητές ή cache.

4. Εκτέλεση: Η ALU ή η FPU εκτελούν τη λειτουργία.

5. Αποθήκευση αποτελεσμάτων: Το αποτέλεσμα αποθηκεύεται σε ένα μητρώο.

6. Επαναλάβετε: Αυτός ο κύκλος επαναλαμβάνεται για κάθε εντολή.

Κατασκευή:

Η διαδικασία της τοποθέτησης αυτών των εξαρτημάτων συνεπάγεται απίστευτα ακριβή φωτοβολιτογραφία, χάραξη και τεχνικές εναπόθεσης. Πολλαπλά στρώματα τρανζίστορ και διασυνδέσεις δημιουργούνται πάνω στο δίσκο πυριτίου, δημιουργώντας μια τρισδιάστατη δομή. Η όλη διαδικασία είναι εξαιρετικά αυτοματοποιημένη και απαιτεί εξαιρετικά καθαρά περιβάλλοντα δωματίων.

Συνοπτικά, η CPU δεν είναι μόνο μια συλλογή εξαρτημάτων, αλλά ένα εξαιρετικά ολοκληρωμένο σύστημα όπου η τοποθέτηση και η διασύνδεση των εξαρτημάτων βελτιστοποιούνται για ταχύτητα και αποτελεσματικότητα. Η εγγύτητα της προσωρινής μνήμης στους πυρήνες, το εξελιγμένο δίκτυο διασύνδεσης και οι παράλληλες δυνατότητες επεξεργασίας συμβάλλουν στην αξιοσημείωτη απόδοση των σύγχρονων CPU.