В старинном компьютере hp обнаружен загадочный прозрачный процессор

## Чипсет: что это такое и как его определить
Современные компьютеры построены по модульному принципу: за разные функции отвечают разные комплектующие. Чтобы эта система работала слаженно, работу процессора и других устройств-модулей синхронизирует чипсет.
От него зависит, какой процессор можно использовать, какой тип оперативной памяти получится установить, сколько устройств можно подключить одновременно.
## Функции чипсета
Чипсет — это главный элемент материнской платы. Он представляет собой набор микросхем, который обеспечивает совместимость и координирует работу процессора и тех устройств, которые подключаются к материнской плате по разным шинам: PCIExpress, SATA, USB и прочих. У него есть основные и дополнительные функции.
## Краткая история появления и развития чипсетов
Перенесёмся на сорок лет назад, когда персональные компьютеры только-только стали появляться на рынке.
Чтобы избежать такого варианта, они создали основную плату — материнскую, и расположили на ней множество портов и микроконтроллеров, обеспечивающих обмен данными с процессором. Их стали называть словом чипсет. Это понятие придумали в забытой ныне компании Amiga. К середине девяностых этот производитель ПК разорился, а его разработки растащили разные компании.
Сейчас увидеть такие материнки вживую можно разве что в музее — концепция многих компонентов, в том числе чипсета, развилась и сильно видоизменилась.
## Задача со звездочкой: найди микросхемы чипсета
В 1991 году инженеры Intel представили универсальную шину PCI, и с этого момента в составе чипсета появляются два основных компонента: северный и южный мосты.
Северный мост обеспечивал работу с устройствами, требующими быстрого обмена данными: RAM, видеокартой, устройствами на PCI-шине, а южный — с более медленными: винчестером, дисководами и прочей периферией.
Около двадцати лет архитектура чипсета оставалась неизменной, но в процессоры новых поколений стали интегрировать поддержку прямой работы с памятью и встроенную графику, поэтому северный мост оказался не нужен. Сейчас чипсет — это чаще всего один контроллер.
Южный мост стал единственным
## Как определить, какой чипсет у вас
Если вам понадобится выяснить, какой чипсет на вашей материнской плате, есть несколько способов это сделать:
Эта информация может пригодиться, например, для того, чтобы установить новые драйверы набора микросхем.
## Линейки чипсетов
Когда Intel или AMD выпускают по-настоящему новый процессор, как правило, в нём реализуются самые передовые технологии. Если вы захотите себе такой, вам придётся менять материнскую плату с более новым чипсетом.
Прорывные процессоры не выпускаются каждый год, поэтому чипсеты развиваются постепенно и совмещаются не с одним, а с несколькими процессорами.
У обоих производителей есть свои линейки этих элементов, которые отличаются по функциональным возможностям. Линейки обозначаются латинскими буквами, идущими в названии чипсета первыми.
Intel (сокеты LGA 1200, LGA 1700) AMD (сокеты AM4, AM5)

Материнские платы

Материнские платы на чипсете этих линеек обладают урезанным функционалом; например, на материнских платах с процессором Intel нет поддержки PCIExpress 4.0 и меньше USB-портов. Относятся к бюджетному сегменту, подойдут для сборки компьютера, перед которым будут ставиться несложные задачи — офисная работа, домашнее использование.

H A

Материнские платы этого класса предоставляют базовые возможности. Крепкие середнячки.

B B

Материнские платы для высокопроизводительных компьютеров. На их основе собирают игровые машины и рабочие станции. Чипсеты этой линейки от AMD хорошо разгоняются, у Intel с этим чуть похуже.

W X

Как всегда, у Intel есть особая линейка 🙂 Это суперпроизводительные материнки. Здесь возможности разгона ограничены только фантазией и прямыми руками.

Компания AMD более последовательна в маркировке своих продуктов и чётко разграничивает категории чипсетов. У Intel границы между разными линейками более размыты, особенно для устройств среднего и высшего класса.

Модель чипсета

В названии чипсетов содержится трехзначное число, где первая цифра обозначает поколение чипсета, а две следующие — модель. Решает зачастую именно модель. Вот ещё одна табличка, в которой сравним основные характеристики нескольких моделей чипсетов:

Чипсет базового уровня Intel H670 выигрывает по числу портов и поддерживаемых линий PCIExpress у старшего брата.

Разница между чипсетом и материнской платой

Многие смешивают понятия чипсет и материнская плата. Чипсет — главный управляющий элемент материнской платы, но он определяет общие возможности системы лишь отчасти.

Один и тот же чипсет может использоваться на материнских платах разного уровня, например, отличающихся количеством портов и слотов. Данные, которые указывают в даташитах, обозначают только их максимальное число.

Чипсет один и тот же, материнские платы разные, характеристики тоже разные, но не выше тех, которые задаются чипсетом.

Таким образом, производитель материнской платы опирается на технические характеристики чипсета, но может урезать часть его функций. Поэтому при выборе материнской платы ориентируйтесь не только на показатели чипсета, но и данные для конкретного устройства.

Игровые компьютеры HYPERPC – март 2024

Можно вникать во все тонкости самостоятельно, а можно доверить сборку людям, которые занимаются это профессионально и досконально разобрались в вопросе.

Компьютеры HYPERPC отлично сбалансированы и оптимизированы, а все их компоненты работают слаженно и чётко, как часы.

• Выберите разрешение Вашего монитора
• На заказ, сроки 6 — 9 дней
• На заказ, сроки 2 — 7 дней

Серия Katana

Серия Katana может похвастать таким же безупречным мастерством изготовления, с каким куются боевые клинки. С Katana 17 B13V геймеры будут чувствовать себя уверенно в любой схватке.

На заказ, сроки 5 — 8 дней

На заказ, сроки 1 — 2 дня

Ноутбук HYPERPC PLAY 17

Ноутбук HYPERPC PLAY 17 – производительный лэптоп, который можно взять с собой куда угодно для отдыха, работы и учёбы. Содержит установленную ОС Windows 11 Home.

Ноутбук HYPERPC PLAY 17

Ноутбук HYPERPC PLAY 17 – мощный современный лэптоп, который без труда справиться с любыми современными играми, требовательными к качеству графики. Содержит установленную ОС Windows Home 11.

HYPERPC TERRA ULTRA

HYPERPC TERRA ULTRA погрузит вас в мир высокой детализации и плавности игр. Самые современные компоненты и оптимизированная система охлаждения обеспечивают стабильную работу даже при максимальных нагрузках.

На заказ, сроки 4 — 6 дней

Ноутбук HYPERPC 17

Ноутбук HYPERPC 17 – это универсальный современный мобильный компьютер, который подойдет как для игр, так и для работы во множестве современных приложений. Содержит предустановленную ОС Windows 11 Home.

Исследование старинного компьютера HP

В компьютере HP, выпущенном в далёком 1977 году, любители компьютерной старины обнаружили загадочный прозрачный чип. Дальнейшее изучение этого чипа показало, что он представляет из себя кремниевую микросхему на сапфировой подложке. Предназначение чипа оказалось гораздо более приземлённым, чем можно было ожидать — чип выполнял вспомогательную функцию в контроллере гибких дисков.

Исследователь истории компьютеров и энтузиаст реверс-инжиниринга микросхем Кен Ширрифф обнаружил интересную микросхему при изучении старинного компьютера HP. Этот чип был найден в скромной печатной плате контроллера флоппи-дисковода. Чип отвечал за обработку протокола передачи и буферизацию данных.

Микросхема, изготовленная по технологии кремний на сапфире, может показаться несколько футуристической, но Ширрифф рассказал, что полупроводники изготавливались таким методом как минимум с 1963 года. Ярким примером микросхемы кремний-на-сапфире является процессор RCA 1802, использовавшийся на космическом зонде Галилею, изучавшей Юпитер и его спутники.

Ширрифф подробно описал некоторые особенности подобных микросхем, подчеркнув, что сапфировая подложка является эффективным изолятором для разделения различных областей кремния. По его словам, такая конструкция уменьшает утечки между транзисторами, улучшая производительность. Более того, изоляционные свойства сапфира могут предотвращать блуждающие токи и защищать от короткого замыкания и воздействия радиации — отсюда его использование в космической электронике.

Источник изображений: Ken Shirriff

Источник изображений: NASA

Центральный процессор: технология и развитие

Исследователь особо отметил, что эта микросхема кремний-на-сапфире интересна как пример технологии будущего, которая не совсем оправдала себя. По своим характеристикам такие микросхемы превосходили обычные кремниевые чипы, но выход годных микросхем по технологии кремний-на-сапфире у компании HP составил всего 9 %. Развитие технологий могло бы пойти по другому пути, если бы эти прозрачные микросхемы производились массово с большей производительностью и меньшими производственными затратами.

Запросы Процессор и ЦП перенаправляются сюда; см. также другие значения терминов Процессор и ЦП.

Центральный процессор (ЦП)

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, , дословно — центральное обрабатывающее устройство, часто просто процессор) — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда этот компонент называют просто процессором.

Характеристики ЦПУ:

• Тактовая частота
• Производительность
• Энергопотребление
• Нормы литографического процесса
• Архитектура

Кристалл процессора

Intel i9 14900K, вид сверху. Кристалл процессора защищён крышкой, между кристаллом и крышкой передача теплоты теплопроводностью осуществляется посредством легкоплавкого сплава — галинстана

Intel Core i7 2600K Socket LGA1155, вид снизу, контактные площадки текстолитовой платформы и цепи питания с конденсаторами и резисторами SMD.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ тридцатилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляло процессор. Отличительными особенностями были низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержавшие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала — элементарные ключи и логические элементы, затем — более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач) либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешёвый 8088, упрощенная версия 8086 с 8-разрядной шиной данных.

Затем последовала его модификация, 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже — в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактных модулей (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём (socket), находящийся на материнской плате.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основано на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, описанного Джоном фон Нейманом.

В июле 1946 года Бёрксом, Голдстайном и фон Нейманом была написана знаменитая монография под названием «Предварительное рассмотрение логического устройства электронного вычислительного прибора», которая подробно описала устройство и технические характеристики будущего компьютера, которые позднее стали носить название «архитектура фон Неймана». Эта работа развивала идеи, изложенные фон Нейманом в мае 1945 года в рукописи под названием «Первый проект отчёта о EDVAC».

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура (англ. ) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

После освобождения -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в ступеней займёт единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт единиц времени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку, дешифровку и т. д.), и для исполнения команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения команд понадобится всего лишь единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что повышает производительность процессора, но, однако, приводит к увеличению длительности простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путём увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определённый предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы является, например, технология Hyper-threading.

Основная статья: CISC

Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП), исполняемые RISC-ядром).

Основная статья: RISC

Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым (сокращённым) набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. Крайне широко распространены ARM-процессоры, применяются практически повсеместно — сетевое оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы и так далее), цифровые фотоаппараты и видеокамеры, видеорегистраторы, мобильные телефоны, планшетные компьютеры, телевизоры, игровые консоли, электронные книги, умные колонки, и очень многое другое.

Основная статья: MISC

Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие RISC догнал и обогнал многие CISC-процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20—30 команд).

Основная статья: VLIW

Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для CISC-процессоров загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше).

Например, Intel Itanium, Transmeta Crusoe, Efficeon и Эльбрус.

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра.

В октябре 2004 года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

9 мая 2005 года AMD представила первый двухъядерный процессор на одном кристалле для пользовательских ПК — Athlon 64 X2 с ядром Manchester. Поставки новых процессоров официально начались 1 июня 2005 года.

14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

5 января 2006 года Intel представила двухъядерный процессор на одном кристалле Core Duo, для мобильной платформы.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield, но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

К 1—2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (так называемого кэша — англ. , от фр. — «прятать») для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня — самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

Цифровые сигнальные процессоры

Для цифровой обработки сигналов, особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры (англ. digital signal processor, ) с параллельной архитектурой.

AMD Turion 64 Lancaster MT-34

Основная масса ноутбуков выпускается, на 2023 год, с процессорами на архитектуре x86 Основные производители: Intel (Celeron, Atom и пр. — 63,5 % рынка) и AMD (Turion 64, Sempron и пр. — 36,4 % рынка).

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой проверяются электрические и временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости (например, при практически рядовой тактовой частоте в 1 ГГц отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны).

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и редко когда требуется компромиссы со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Ряд производителей заказных микросхем (foundry) предлагает разработчикам (дизайн-центру или бесфабричной компании) компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков (Standard cell). Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

8-дюймовая кремниевая пластина с несколькими чипами

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния электронного качества (, ) либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, невыгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Одновременно с разработкой универсальных микропроцессоров разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. ) представляет задачу не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора (подробнее см.: Система на кристалле).

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление.

Первые процессоры архитектуры x86 потребляли очень малое (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели потребляют 130 и более ватт. Фактор энергопотребления, несущественный на первых порах, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:

Рабочая температура процессора

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры. Для лучшего контакта с радиатором на поверхность процессора наносится термопаста.

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят:

Процессоры Intel: 8086, 80286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Core i9, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др.

AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 — Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Ryzen, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

Большинство процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов Intel-совместимо по системе команд. Большинство процессоров, используемых в настоящее время в мобильных устройствах, ARM-совместимо, то есть имеет набор инструкций и интерфейсы программирования, разрабатываемые в компании ARM Limited.

Рыночные доли продажи процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов по годам:

Миф о мегагерцах

Среди потребителей распространено заблуждение, что процессоры с более высокой тактовой частотой всегда имеют более высокую производительность, чем процессоры с более низкой тактовой частотой. На самом деле, сравнение производительности на основании сравнения тактовых частот справедливо лишь для процессоров, имеющих одинаковую архитектуру и микроархитектуру.