Матричные и векторные процессоры МИНИСТЕРСТВО ПО РАЗВИТИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ФЕРГАНСКИЙ ФИЛИАЛ ТАШКЕНТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ МУХАММАДА АЛЬ-ХОРЕЗМИ Самостоятельная работа По предмету: Компьютерная организация Презентация на тему: Матричные и векторные процессоры. Студент группы 717-21: Турсунов Махмуджон План: Что такое процессор; История создания процессоров; Первый процессор; Матричные процессоры; Векторные процессоры; Виды процессоров; o Центральный процессор; o Графический процессор; o Физический процессор; o Цифровой сигнальный процессор; o Сетевой процессор; o Звуковой процессор; Как делают процессоры; Факты о процессорах; Использованная литература; Что такое процессор Процессор — это «мозг» компьютера. Процессором называется устройство, способное обрабатывать программный код и определяющее основные функции компьютера по обработке информации. Процессор выполняет основную работу в компьютере. Процессоры конструктивно могут выполняться как в виде одной большой интегральной микросхемы — чипа, так и в виде нескольких микросхем, блоков электронных плат н устройств. В настоящее время микропроцессоры и процессоры вмещают в себя миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют собой сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства. Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point. Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера. Что такое процессор Компьютеры с процессорами, поддерживающими систему команд Intel х86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta), на которых может исполнять операционная система Microsoft Windows, называются Wintelкомпьютерами (от Windows и Intel). Тактовая частота процессора определяет минимальный квант времени, за который процессор выполняет некоторую условную элементарную операцию. Тактовые частоты измеряются в мегагерцах и определяют количественные характеристики производительности компьютерных систем в целом. Чем больше (выше) тактовая частота, тем быстрее работает центральный процессор. Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая н логическая обработка данных. Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора. История создания процессоров Первые процессоры компьютеров 50-х гг. прошлого века работали на основе механического реле , позже появились модели задействовавшие электронные лампы, затем — транзисторы. Сами же компьютеры, использующие данные виды процессоров представляли собой огромные, очень дорогие и сложные устройства. История создания процессоров Первые процессоры компьютеров 50-х гг. прошлого века работали на основе механического реле , позже появились модели задействовавшие электронные лампы, затем — транзисторы. Сами же компьютеры, использующие данные виды процессоров представляли собой огромные, очень дорогие и сложные устройства. 1940–1960-е годы Прежде чем углубляться в историю развития центральных процессоров, необходимо сказать несколько слов о развитии компьютеров в целом. Первые CPU появились еще в 40-х годах XX века. Тогда они работали с помощью электромеханических реле и вакуумных ламп, а применяемые в них ферритовые сердечники выполняли роль запоминающих устройств. Для функционирования компьютера на базе таких микросхем требовалось огромное количество процессоров. Подобный компьютер представлял собой огромный корпус размером с достаточно большую комнату. При этом он выделял большое количество энергии, а его быстродействие оставляло желать лучшего. Первый процессор Первый процессор. Первым в мире компьютером был американский программируемый компьютер, который разработал и построил в 1941 году гарвардский математик Говард Эйксон при сотрудничестве четырёх инженеров компании IBM, по заказу которой компьютер и разрабатывался. Компьютер был создан на основе идей Чарльза Бэббиджа. Официальный запуск самого первого в мире компьютера под названием «Марк 1» был проведён после успешных тестов 7 августа 1944 года. Компьютер расположили в стенах Гарвардского университета. Первый процессор 15 ноября 1971 года вышла микросхема 4004 — первый микропроцессор, который при стоимости 200 долларов реализовывал на одном кристалле функции процессора большой ЭВМ. Первый в мире микропроцессор был анонсирован в ноябре 1971 года в журнале Electronic News. Центральный процессор представляет из себя сложную интегральную схему, которая является одним из ключевых составляющих элементов современного ПК. Первые компьютеры появились примерно в 40-х годах прошлого века, работая на электромеханических реле и вакуумных лампах. Они обеспечивали функционирование первых вычислительных машин. В 60-х годах появились первые интегральные микросхемы которые на долгое время стали неотъемлемой частью любого вычислительного устройства. Началом эпохи современных CPU можно смело назвать 1971-й год. Первым однокристальным микропроцессором считается 4-битный Intel 4004, вышедший 15 ноября 1971 года. Компания Intel только начинала свой путь становления и ее создатели, Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув, потратили немало сил на процесс развития. Благодаря вкладу итальянского физика Федерико Фаджина, инженерам компании удалось разместить ключевые компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004. Матричные процессоры Матричный процессор — процессор ЭВМ, представляющий собой сеть, состоящую из более простых процессоров, обладающих своей собственной памятью, работающих параллельно и обменивающихся информацией со своими ближайшими соседями. Преимуществами матричного процессора являются: отсутствие ограничения на быстродействие, обусловленного конечной скоростью распространения сигналов; устойчивость работы по отношению к повреждениям отдельных процессоров в узлах сети. Матричные процессоры используются для моделирования процессов теплопроводности, электродинамики, эволюции квантовых систем, обработки изображений. Матричные процессоры Основные характеристики матричных процессоров: 1) способ организации данных; 2) способ организации устройств; 3) класс решаемых задач. Под матричным процессором понимают устройство, предназначенное в основном для выполнения операции . Матричный процессор (МП) функционирует на основе арифметического конвейера. В МП для уменьшения стоимости и упрощения программирования арифметический конвейер значительно упрощен и выполнен конструктивно в виде автономного блока. МП подключен через стандартные каналы ввода-вывода к базовому компьютеру. Собственной ОП МП не имеет. Его программа и данные находятся в ОП базового компьютера. Структура МП и способ подключения его к базовому компьютеру (БК) Векторные процессоры Векторный процессор - это центральный процессор, который может работать с целым вектором в одной инструкции. Инструкция для процессора представлена в виде одного полного вектора вместо его элемента. Векторные процессоры используются потому, что они уменьшают отрисовку и интерпретируют пропускную способность из-за того, что нужно выбирать меньше инструкций. Векторный процессор также известен как матричный процессор. Векторные процессоры - это технология, используемая в современных компьютерах и центральных процессорах, поскольку в них применяется множество методологий оптимизации производительности. Для уменьшения задержки при хранении и загрузке используются банки памяти, а в случае больших мультимедийных приложений применяется параллелизм данных. Наборы векторных инструкций разработаны на основе инновационной архитектуры, которая экономит память и время машины. Микрочипы с большой встроенной памятью, используемые для векторной обработки, дороги, поэтому стоимость проектирования таких процессоров обычно очень высока. Векторные процессоры Основная идея векторных процессоров: операции с массивами данных. Первая архитектура, отличная от однопроцессорной появилась в конце 1960-х. Векторные процессоры - основа первых супер-ЭВМ. Основные области применения - задачи, в которых данные были бы записаны в матричной форме (прогноз погоды, ядерная физика). В большинстве современных микропроцессоров имеются векторные расширения (MMX, SSE или им подобные), кроме того, иногда современные видеокарты и платы-ускорители рассматривают как векторные сопроцессоры. Пути построения векторных процессоров: программный: пишется специальная библиотека программ, выполняющих векторные операции, ориентированная под конкретную имеющуюся платформу; аппаратный: проектируется сначала скалярный компьютер+добавляются микрокоды векторных операций изначально разрабатывалась векторная машина (с векторными командами). Виды процессоров Виды процессоров. Промышленность производит несколько десятков видов процессоров, которые предназначены для решения различных универсальных и специализированных задач. Центральный процессор; Графический процессор; Физический процессор; Цифровой сигнальный процессор; Сетевой процессор; Звуковой процессор; Центральный процессор В современном компьютере может быть один или несколько Центральных процессоров и Графический процессор. Центральный процессор (ЦП) является наиболее распространённым термином. Зачастую под термином процессор подразумевается именно Центральный процессор. В англоязычной литературе для обозначения центрального процессора используются термины CPU - Central Processing Unit, что дословно можно перевести как основное вычислительное устройство. Центральный процессор В широком смысле процессор ― это устройство, которое выполняет вычислительные и логические операции с данными. Чаще всего этот термин используется для обозначения центрального процессора устройства. Расшифровка CPU ― Central Processing Unit (центральное обрабатывающее устройство). Это самая важная часть компьютера. Его мозг. Он выглядит как квадрат размером приблизительно 5x5 см Функции CPU Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU: получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции, передаёт их на внешние устройства, формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств, временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных, принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их. Графический процессор В отношении Графического процессора (ГП) в англоязычной литературе используется термин Graphics Proccesing Unit(англ.: GPU). Графический процессор выполняет специфические функции по обработке графической информации. Он обычно монтируется на видеокарте или материнской плате. Графический процессор Графический процессор (GPU или Graphics Processing Unit) — это один из видов микропроцессоров. Он управляет памятью видеокарт и ускоряет вывод графики на экран устройства. Графические процессоры используются в видеокартах персональных компьютеров, ноутбуках, смартфонах, игровых консолях и суперкомпьютерах Графический и центральный процессор Графический процессор (GPU) — небольшой полупроводник на видеокарте. Внешне он похож на центральный процессор (CPU), но его архитектура отлична от архитектуры CPU: В GPU содержатся несколько сотен вычислительных ядер, с помощью которых сложные расчеты выполняются очень быстро. Энергии при таких вычислениях потребляется значительно меньше, чем при работе CPU. В GPU обработка графики в видеороликах, графических программах, играх выполняется быстрее и эффективнее благодаря разделению процессов. Это позволяет разгрузить CPU для других задач. GPU может взять на себя некоторые вычисления вместо процессора. Он позволяет выполнять расчеты с плавающей точкой или расчеты с одинаковой или сходной формулой. Физический процессор Физический процессор (англ.: Physics Processing Unit, PPU) – специализированный процессор, предназначен для выполнения математических вычислений при моделировании различных физических процессов, таких как расчёт динамики тел, обнаружение столкновений и пр. Физический процессор Физический процессор (англ. Physics Processing Unit — англ. PPU, «физический ускоритель», «ускоритель физики») — специализированный микропроцессор, предназначенный для вычисления физических взаимодействий объектов преимущественно в физических движках видеоигр. Физический процессор (англ. Physics Processing Unit — англ. PPU, «физический ускоритель», «ускоритель физики») — специализированный микропроцессор, предназначенный для вычисления физических взаимодействий объектов преимущественно в физических движках видеоигр. Примерами физических вычислений, использующих физический процессор, могут быть: динамика твёрдых тел (англ. rigid body dynamics), динамика мягких тел (англ. soft body dynamics), обнаружение столкновений (англ. collision detection), динамика жидкостей (гидрогазодинамика), симуляция движения волос, меха и ткани, анализ конечных элементов (англ. finite element analysis), разломы объектов. Цифровой сигнальный процессор Цифровой сигнальный процессор (сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени). Данное понятие в англоязычной литературе обозначается термином Digital signal processor (DSP). Цифровой сигнальный процессор Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) — это специализированный микропроцессорный (или SIP-блок) чип, архитектура которого оптимизирована для оперативных нужд цифровой обработки сигналов. ЦСП изготавливаются на МОП-интегральных микросхемах. Они широко использованы в обработке звукового сигнала, радиосвязи, цифровой обработке изображений, радиолокации, сонаре и системах распознавания речи, в общих электронных устройствах потребителя, таких как мобильные телефоны, приводы диска и телевидении высокой четкости (HDTV). Цель DSP обычно заключается в измерении, фильтрации или сжатии непрерывных аналоговых сигналов. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов, но могут не успевать за такой обработкой в реальном времени. Кроме того, ЦСП обычно обладают лучшей энергоэффективностью, поэтому они больше подходят для портативных устройств, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений энергопотребления. ЦСП часто используют специальные архитектуры памяти, которые способны извлекать несколько данных или команды одновременно. ЦСП часто реализуют технологию сжатия данных, в частности — дискретное косинусное преобразование (DCT), это широко используемая технология сжатия для ЦСП. Сетевой процессор Сетевой процессор (англ.: network processor) – это микропроцессор, размещаемый в сетевых устройствах, выполняющий специализированные операции, которые востребованы при передаче данных по сетям. Как правило, сетевой процессор размещается в сетевом устройстве: сетевых платах, маршрутизаторах, коммутаторах и пр. Сетевой процессор Сетевой процессор (англ. Network Processing Unit, NPU) — это программируемый микропроцессор, архитектура которого оптимизирована для использования в сетевых устройствах и обеспечения устойчивого режима обработки пакетов (packet processing). Сетевые процессоры, как правило, это интегральная схема с характеристиками, аналогичными центральным процессорам общего назначения. Сетевая плата (в англоязычной среде NIC — англ. network interface controller/card), также известная как сетевая карта, сетевой адаптер (в терминологии компании Intel), Ethernetадаптер — по названию технологии — дополнительное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время в персональных компьютерах и ноутбуках контроллер и компоненты, выполняющие функции сетевой платы, довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства, Звуковой процессор В различных современных музыкальных системах применяются Звуковые сигнальные процессоры (ЗСК) или просто Звуковые процессоры (ЗП), которые обрабатывают звуки и музыку, например, создают эффект эха. В англоязычной литературе для обозначения таких устройств применяют термин Audio signal processor или audio processor Звуковой процессор Звуковой процессор Функции звукового процессора Устройство позволяет с высокой точностью настроить различные характеристики звукового сигнала. Он координирует работу всей акустической системы автомобиля. При этом ее элементы продолжают находиться на своих местах: изменение параметров звуковой волны происходит с помощью электроники К основным функциям процессора относятся: Равномерное распределение звуковой волны. Динамики в салоне автомобиля расположены на разном расстоянии от водителя или пассажира. Так, один из них будет всегда находиться ближе другого. Таким образом, звук будет неравномерным, поскольку один динамик всегда подавляет другой. Процессор способен скорректировать временные задержки звуковых волн. Он также может «сместить» один или несколько динамиков относительно пассажира или водителя, чтобы сконцентрировать звук четко на уши. Это усиливать впечатление от прослушивания музыки. Фильтрация частот. Процессору под силу ограничивать сигналы, которые не способен воспроизводить источник звука. Иными словами, он способен отсечь низкие сигналы, предназначенные для высокочастотного устройства. . Как делают процессоры: Как делают процессоры. Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа? Итак, когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час. Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Как делают процессоры: Самый первый коммерческий микропроцессор в истории, Intel 4004, был представлен в 1971 году. Тогда это была революция — на его площади размещалось целых 2250 транзисторов. Всего через 7 лет, в 1978-ом, был представлен Intel 8086 с 29 тысячами транзисторов. И ровно через 42 года, в 2020-м, у нас есть Apple M1 — без прикрас революционный чип с 16 миллиардами транзисторов. А всё благодаря техпроцессу. Сегодня такие производители, как TSMC освоили производство чипов, а вернее сказать транзисторов, по 5-нанометровой технологии. Чтобы вы наглядно понимали, насколько малы такие транзисторы — волос человека имеет толщину 80 тысяч нанометров — выходит, на его разрезе в теории можно разместить 16 тысяч транзисторов. Вирус COVID19 имеет размер 110 нм и на нём можно разместить целых 22 транзистора от Apple M1. Однако есть теории, что производители нам немного врут и за этими значениями нанометров, как правило, скрываются другие цифры. В этом материале мы разберём с вами в том, как вообще устроен техпроцесс, что в нём измеряют, затронем производство чипов, поймём преимущества уменьшения размеров транзисторов и заглянем в будущее. Факты о процессорах Годовая стоимость электроэнергии, необходимой для питания современного ноутбука, составляет около 25 евро. Если бы потребление энергии было таким, как в 1971 г., современный ноутбук потреблял бы в 4 000 раз больше – что обходилось бы владельцу в 100 000 евро в год. За такую сумму далеко не каждый смог бы позволить себе домашний компьютер Выпущенный в 1971 г., Intel 4004 содержал 2 300 транзисторов. Процессор Intel Core второго поколения, выпущенный в 2011 г., содержит почти миллиард транзисторов. Это как сравнивать жителей большой деревни с населением Китая. Если бы процессор Intel Core второго поколения (216 мм2) был изготовлен с применением старой 10-мкм технологии, его размер составлял 21 м2. Это пластина со сторонами 7 x 3 м. Можете представить такого монстра внутри вашего ноутбука? Современный процессор Intel Core имеет 995 млн. транзисторов. Если бы каждый транзистор был рисовым зерном, зерна было бы достаточно, чтобы накормить всех жителей в Познани (Польша), Штутгарте, Дюссельдорфе (Германия), Глазго (Великобритания) или в любом другом городе с населением примерно в 567 000 человек. Современный процессор Intel Core имеет 995 млн. транзисторов. Если бы каждый транзистор был рисовым зерном, зерна было бы достаточно, чтобы накормить всех жителей в Познани (Польша), Штутгарте, Дюссельдорфе (Германия), Глазго (Великобритания) или в любом другом городе с населением примерно в 567 000 человек. По сравнению с первым микропроцессором Intel – 4004 – современный процессор Intel, выполненный на базе 32-нм технологии, почти в 5 000 раз быстрее, а каждый транзистор потребляет примерно в 5 000 раз меньше энергии. За прошедшие годы стоимость транзистора упала бы примерно в 50 000 раз. Первый транзистор, созданный Bell Labs в 1947 г., был настолько большим, что его собирали из деталей вручную. Сейчас более 100 млн. 3D-транзисторов, выполненных на базе 22-нм технологии, могут вместиться в булавочное ушко (димаетр которого 1,5 мм.) Сравнивать скорость первого транзистора в первом процессоре с транзисторами в современном процессоре – это как сравнивать скорость улитки (5 м/ч) со скоростью кенийского бегуна Патрика Макау Мусиоки, который установил мировой рекорд в марафоне в Берлине в сентябре (он пробежал 42 195 м за 2:03:38 часа, передвигаясь со средней скоростью 20,6 км/ч). Самые быстрые процессоры в мире достигают значения тактовой частоты примерно в 4 ГГц. Они настолько быстрее 4004, насколько спринтер Усэйн Болт быстрее улитки. Использованные литературы: https://ru.wikipedia.org/wiki/Центральныйпроцессор https://wikiversity.fandom.com/ru/wiki/ https://www.hostcomp.ru/osnovnye-vidy-processorov.html https://www.gpntb.ru/win/book/3/Doc6.HTML https://compress.ru/ https://kartaslov.ru/ https://studfile.net/preview/5682698/page:5/ https://ru.theastrologypage.com/vector-processor
