Открытый урок по теме: «Обзор современных процессоров. Процессоры нетрадиционной архитектуры»
план-конспект урока

Открытый урок по теме: «Обзор современных процессоров. Процессоры нетрадиционной архитектуры»

Цели урока:

• Учебная: сформировать понятие о современном уровне развития процессоров и о состоянии их рынка продаж.
• Развивающая: развитие исследовательской компетентности учащихся, логического мышления, расширение кругозора, развитие навыков ориентирование на рынке продаж вычислительной техники
• Воспитательная: развитие познавательного интереса, воспитание информационной культуры.

Программно-дидактическое обеспечение: мультимедийный компьютерный класс, ПК, мультимедийный проектор, ОС Windows, ПО MS PowerPoint.

Ключевые понятия учебного занятия:

• Центральный процессор
• Производитель центрального процессора
• Характеристики процессоров
• Технологии процессоров
• Процессоры нетрадиционной архитектуры
• ДНК-процессоры
• Клеточные процессоры
• Коммуникационные процессоры
• Процессоры с нечеткой логикой

Ход урока

Организационный момент (10 мин)

Слайд. 1 Слайд 2.

Приветствие группы. Проверка отсутствующих. Актуализация знаний. Объявление темы и цели урока. Объявление плана урока.

Объяснение нового материала (презентации преподавателя и студентов) (65 мин)

Слайд 3.

Центральный процессор - CPU (central processing unit, что дословно значит "центральное процессорное устройство") - это главный вычислительный электронный блок компьютера. Именно процессор отвечает за обработку всех данных в системе и глобально управляет работой аппаратного обеспечения компьютера.

Из чего состоит процессор? Внешне - это небольшая четырехугольная пластина, с одной стороны оснащенная рядами "штырьков" или "ножек" - электрических контактов, которые вставляются в процессорный разъем (сокет) на материнской плате. Внутреннее устройство представляет собой миллионы микроскопических транзисторов, объединенных в единый комплекс - сложнейшую электрическую цепь. Именно они, подобно мозговым клеткам, и выполняют всю вычислительную работу. Транзисторы (переключатели электрического тока в микросхеме) размещаются на подложке из чистого кремния, и всю эту конструкцию иначе называют кристаллом или камнем процессора. Кажется удивительным, что число транзисторов на участке, площадью с булавочную головку, может достигать 200 миллионов - настолько они малы. Процессор - одно из самых сложных технических устройств, производимых человеком.

Как работает процессор? Говоря простым языком - последовательно выполняет арифметические операции с данными, загруженными из памяти, согласно определенному алгоритму. Алгоритм команд соответствует логике выполняемой программы.

Видов процессоров существует много, выпускаются они для различных целей и разными производителями.

Слайд 4.

Рассмотрим те основные фирмы, которые занимали хоть какое-то заметное положение на рынке продаж

Основных производителей процессоров для РС (кроме Intel) было немного: AMD, Cyrix, Centaur (TI и IBM не в счет, так как занимались только выпуском, а не разработкой). С 386 и 486 процессорами почти все ясно – это клоны Intel. Но дальше все пошли своим путем. Конкуренцию ЦП Pentium  еще составили все из перечисленных фирм.

Процессоры AMD были достаточно качественными и дешевыми, однако к тому времени как AMD разработала оптимальный по конкурентоспособности процессор, Intel уже представила Pentium 2.

Компания Cyrix  разработала два малопроизводительных процессора для офисных применений. На большее фирмы Cyrix не хватило, она прекратила свое существование и была скуплена фирмой VIA (Very Innovative Architecture («очень передовая архитектура»).

Centaur Winchip C6 изначально создавался как дешевый вариант процессора и следовательно уступал своим конкурентам в производительности. Как и фирма Cyrix, Centaur была куплена фирмой VIA, и ее разработки мы видим теперь в процессорах VIA. Но процессоры данной фирмы в настоящее время не могут представить ничего интересного с точки зрения вычислительных мощностей. Ее процессоры минимальны по размеру, минимальны по энергопотреблению, но в остальном – стабильные середнячки, которые не дают возможности фирме выйти на лидирующие позиции на рынке продаж. И в настоящее время фирма в основном выживает за счет поставки комплектующих для других фирм. Ее услугами пользуются NVidia, Intel, AMD и др.

В итоге, основными игроками на рынке процессоров остались только две фирмы: AMD и Intel.

Слайд 5.

Итак, основными производителями процессоров в настоящее время являются Intel и AMD. Каковы же доли продаж различных фирм-производителей ЦП в настоящее время. Давайте посмотрим на диаграмму на слайде, которая представляет состояние данного рынка с 2007 по 2010 год. Как видим, все же конкуренцию фирме Intel составить достаточно трудно, даже компания AMD занимает достаточно малую часть рынка, остальные же фирмы производители, можно сказать, играют роль статистов, хотя в настоящее время с развитием микрокомпьютер, они заняли свою нишу и их продажи увеличиваются.

Слайд 6.

Мы с Вами рассмотрели рынок продаж процессоров, обозначили основных производителей. Но на что все же обращать внимание, когда Вы покупаете процессор. Существуют определенные характеристики, которые мы сравниваем при выборе процессора. Часть из них мы уже знаем. Это тактовая частота, частота системной шины, объем кэш-памяти и работа в защищенном режиме.

Давайте вспомним, что означают данные характеристики.

Тактовая частота

Эта характеристика указывает на то, сколько операций выполняет процессор в единицу времени. Многие привыкли считать, что тактовая частота - это показатель производительности, и чем она выше, тем "шустрее" процессор. Утверждение справедливо, если сравнивать между собой поколения CPU одной марки, однако сопоставлять по этому показателю процессоры разных производителей нельзя - при одинаковой тактовой частоте они работают с различной скоростью, поскольку на нее влияют в не меньшей степени и другие характеристики.

Частота системной шины

Характеристика, показывающая скорость обмена данными между процессором и чипсетом материнской платы. Измеряется количеством переданных данных за единицу времени. Чем выше частота системной шины, тем выше производительность компьютера. Больше относится к характеристикам материнской платы, но все же влияет на производительность процессора.

Объем кэш-памяти

Кэш-память процессора - это сверхпроизводительная память, откуда процессор получает доступ к обрабатываемым данным. Объем ее очень мал и не позволяет вместить в себя исполняемую программу целиком, поэтому в кэш обычно загружены только часто используемые данные. Разумеется, чем кэш больше, тем к большему объему информации процессор может получить быстрый доступ. Поэтому от величины кэш-памяти зависит скорость исполнения программы.

Кэш процессора поделен на 3 уровня. Кэш-память первого уровня - самая быстрая, но имеет и самый малый объем. Кэш второго уровня - средний по скорости и объем его больше первого. Кэш третьего уровня - самый медленный и самый большой по объему. Понятие "медленный" здесь условно, и дается только для сравнения этих уровней между собой, поскольку относительно скорости работы оперативной памяти, кэш-память процессора несравнимо выше.

Объем кэша процессора значительно влияет на его стоимость.

Слайд 7.

Те характеристики, которые мы с Вами рассмотрели выше – это базовые характеристики процессоров, однако в настоящее время при покупке процессора нам недостаточно учитывать только их, необходимо учитывать еще и другие характеристики, такие как: Технология производства или техпроцесс CPU, Сокет, или процессорный разъем, Число ядер, Поддержка 64-битных вычислений, TDP (thermal design power), Архитектура APU

Технология производства или техпроцесс CPU

Эта характеристика показывает размер наименьшего отдельного элемента базы транзистора, умещаемого на кристалле. Понятно, что чем элемент мельче, тем больше их можно разместить на единице площади, тем самым увеличив производительность. Единицей измерения техпроцесса служит нанометр - настолько малы частицы. Выпущенные в 2011- 2012 годах процессоры имеют величину техпроцесса всего 22 нм, в то время как, например, в 2005 году выпускались процессоры по 50-нанометровому технологическому процессу. Поэтому можно проследить тенденцию развития этой технологии в сторону еще большего уменьшения элементов кристалла, и производителям это хорошо удается.

Сокет, или процессорный разъем

Сокет расположен на материнской плате - это непосредственно то место, куда вставляется процессор. Поскольку материнские платы производятся для определенных, не взаимозаменяемых видов процессоров, их сокеты (от англ. Socket) имеют разные параметры. Например, сокеты для процессоров марок Intel и AMD отличаются и по форме, и электрически.

Процессоры по типу сокета условно объединяют в классы, то есть, к одному классу относят CPU, одинаковые по форме разъема. Их можно, при условиях поддержки, устанавливать в одну и ту же материнскую плату. Поэтому при выборе комплектующих для компьютера следует подбирать матплату и процессор с одинаковым типом сокета.

Касательно Intel 1155, 1156, 1366, которые пришли на замену Intel 775. Однако касательно будущего какого-то из этих сокетов сказать трудно, поскольку компания Intel уже анонсировала либо замену, либо преемника каждому из них. Например, 1155 заменил 1156, на 2013 год запланирована его замена на 1150, а сокет 1366 в этом году должен быть заменен на 2011.

У компании AMD Сейчас стандартно развивается сокет 940 для ПК и сокет 1207 для серверных процессоров. Причем для компании AMD в отличие от Intel характерна совместимость ЦП с одинаковым сокетом.

Число ядер

Чем больше у процессора ядер, тем большее число операций он может выполнять одновременно без потери производительности. Одноядерные процессоры для персональных компьютеров сегодня уже не выпускаются - наступила эра многоядерности. Именно за счет увеличения числа ядер ведущие производители планируют наращивать мощность процессоров в дальнейшем. Сегодня на персональные рабочие станции устанавливаются, как правило, 2-8 ядерные CPU, а для серверных систем уже существуют и 16-ядерные. В экспериментальных условиях проходят апробирование процессоры, оснащенные более чем 20 ядрами.

Поддержка 64-битных вычислений

Появилась в 2004 году и с тех пор стала важна при выборе процессора. Практически все современные CPU для персональных компьютеров поддерживают 64-разрядность, что позволяет им использовать оперативную память в размере больше, чем 4 Гб

TDP (thermal design power)

Это величина, которую следует учитывать при выборе системы охлаждения процессора. То есть численный показатель TDP указывает на то, какое количество тепла (Вт) может отвести от процессора система охлаждения при неких "нормальных", то есть приближенных к штатным условиям.

Архитектура APU

В процессорах последних поколений часто реализована архитектура, называемая APU (Accelerated Processing Unit), суть которой заключается в объединении в одном кристалле центрального процессора и графического ядра. Использование этой технологии в целом удешевляет системы на основе таких процессоров, поскольку отпадает потребность в отдельном видеочипе на материнской плате или видеокарте.

Слайд 8.

Процессоры Intel.

Intel CORE I

Core i7 – на данный момент топовая линия компании

Core i5 – отличаются высокой производительностью

Core i3 – невысокая цена, высокая/средняя производительность

Все процессоры Core i серии построены на основе ядра Sandy Bridge (32 нм) и относятся ко второму поколению процессоров Intel Core. Названия большинства моделей начинаются с цифры 2, а более современные модификации, созданные на основе последнего ядра Ivy Bridge (22нм), маркируются цифрой 3. 

Теперь очень легко определить, какого поколения тот или иной процессор, и на основе какого ядра он создан. К примеру, Core i5-3450 принадлежит к третьему поколению на ядре Ivy Bridge, а Core i5-2310 – соответственно второе поколение на основе ядра Sandy Bridge. 
Когда вы знаете тип ядра процессора, то уже можете приблизительно судить не только о его возможностях, но и о потенциальном тепловыделении при загрузке. Представители третьего поколения греются намного меньше своих предшественников благодаря более современному техпроцессу. 

Помимо цифр, в названиях процессоров иногда используют суффиксы: 

К - для процессоров с разблокированным коэффициентом умножения (это дает опытным пользователям, разбирающимся в компьютерах, самостоятельно разгонять процессор)

S -для продуктов с повышенной энергоэффективностью,

Т - для самых экономичных процессоров.

(2 и 3 серия, суффиксы K, S, T)

Core i5-3450  или Core i5-2310

Core i5-2310K, Core i5-2310S, Core i5-2310T

Intel Core 2 Quad

Линия популярных четырехьядерных процессоров на базе уже устаревшего ядра Yorkfield (техпроцесс 45 нм), благодаря привлекательной низкой цене и достаточно высокой производительности, линия этих процессоров актуальна и в сегодняшние дни.

Intel Pentium и Celeron

При маркировке бюджетных процессоров Pentium и Celeron используют обозначения G860, G620 и некоторые другие. Чем выше число после буквы, тем соответственно процессор производительнее. Если маркировочные числа отличаются незначительно, то, скорее всего, речь идет о различных модификациях чипов в одной производственной линейке, обычно разница между ними небольшая и заключается только в нескольких сотнях мегагерц тактовой частоты ядра. Иногда различаются и объем кэш-памяти, и даже в количество ядер, а это уже намного сильнее влияет на различия в мощности и производительности. 
Поэтому, лучше, если не полагаться на маркировку чипов, а уточнить все технические характеристики на официальном сайте продавца или производителя, ведь это займет мало времени, но поможет сохранить нервы и деньги.

Показательным примером может являться то, что различающиеся по цене лишь на 200 рублей процессоры Celeron G440 и Celeron G530 на самом деле имеют разное количество ядер (Celeron G440 – одно, Celeron G530 - два), разную тактовую частоту ядра (у G530 на 800 МГц больше), также у G530 вдвое больший кэш. Однако тепловыделение у последнего процессора почти в два раза больше, хотя оба процессора созданы на основе одного ядра Sandy Bridge.

Intel Atom

Процессоры для микрокомпьютеров

Intel Xeon, Itanium и др.

Процессоры для серверов и суперкомпьютеров

Слайд 9.

Технологии процессоров Intel.

Процессоры от компании Intel, сегодня считаются самыми производительными, благодаря семейству Core i7 Extreme Edition. В зависимости от модели они могут иметь до 6 ядер одновременно, тактовую частоту до 3300 МГц и до 15 Мб кэш памяти L3.

Также как и у конкурентов, в процессорах компании Intel применяются фирменные технологии собственной разработки для повышения эффективности работы системы.
1. Hyper Threading - За счет этой технологии, каждое физическое ядро процессора способно обрабатывать по два потока вычислений одновременно, получается, что число логических ядер фактически удваивается.

2. Turbo Boost - Позволяет пользователю совершить автоматический разгон процессора, не превышая при этом максимально допустимый предел рабочей температуры ядер.
3. Intel QuickPath Interconnect (QPI) - Кольцевая шина QPI соединяет все компоненты процессора, за счет этого сводятся к минимуму все возможные задержки при обмене информацией.
4. Visualization Technology - Аппаратная поддержка решений виртуализации.
5. Intel Execute Disable Bit - Практически антивирусная программа, она обеспечивает аппаратную защиту от возможных вирусных атак, в основе которых лежит технология переполнения буфера.

6. Intel SpeedStep-Инструмент позволяющий изменять уровень напряжения и частоты в зависимости от создаваемой нагрузки на процессор.

Слайд 10.

Процессоры AMD

AMD FX

(4, 6 и 8 серия)

Топовая линейка компьютерных многоядерных процессоров со специально снятым ограничением на множитель (ради возможности самостоятельного разгона) для обеспечения высокой производительности при работе с требовательными приложениями. Исходя из первой цифры названия, можно сказать, сколько ядер установлено в процессор: FX-4100 - четыре ядра, FX-6100 соответственно шесть ядер и FX-8150 имеет восемь ядер.

AMD А

Линия со встроенным внутрь процессора графическим ядром. Цифровое обозначение в названии указывает на принадлежность к конкретному классу производительности: АС - производительность, достаточная для подавляющего большинства стандартных ежедневных задач, А6 - производительность, достаточная для создания видеоконференции в высоком разрешении HD, А8 - производительность, достаточная для уверенного просмотра Blu-ray-фильмов с эффектом 3D или запуска современных 3D-игр в мультидисплейном режиме (с возможностью одновременного подключения четырех мониторов).
AMD Phenom II и Athlon II

Самые ранние процессоры из линейки AMD Phenom II были официально выпущены еще в далеком 2010 году, но благодаря низкой цене и достаточно большой производительности они и сегодня пользуются определенной популярностью.

На количество ядер у процессора указывает цифра в названии следующая сразу после символа X. К примеру, маркировка процессора AMD Phenom II Х4 Deneb говорит нам, что он принадлежит к семейству процессоров Phenom II, имеет четыре ядра и создан на базе ядра Deneb. Полностью аналогичные правила маркировки можно увидеть и в серии Athlon.
AMD Sempron 

Под этим названием производитель выпускает бюджетные процессоры, предназначенные для настольных офисных компьютеров.

AMD Phenom (Athlon, Sempron) Mobile.

Серия для мобильных телефонов

AMD Opteron

Линейка для серверов и суперкомпьютеров

Слайд 11.

Технологии процессоров AMD

Самые топовые модели процессоров из линейки AMD FX, созданные на основе нового ядра Zambezi, могут предложить требовательному пользователю восемь ядер, 8-мегабайтный кэш L3 и тактовую частоту процессора до 4200 М Гц.

Большинство современных процессоров созданных компанией AMD по умолчанию поддерживают следующие технологии:

1. AMD Turbo CORE - Эта технология призвана автоматически регулировать производительность всех ядер процессора, за счет управляемого разгона (подобная технология у компании Intel имеет название TurboBoost).

2. AVX (Advanced Vector Extensions), ХОР и FMA4 - Инструмент, имеющий расширенный набор команд, специально созданных для работы с числами с плавающей точкой. Однозначно полезный инструментарий.

3. AES (Advanced Encryption Standard) - В программных приложениях использующих шифрование данных, повышает производительность. 

4. AMD Visualization (AMD-V) - Эта технология виртуализации, помогает обеспечить разделение ресурсов одного компьютера между несколькими виртуальными машинами.

5. AMD PowcrNow! - Технология управления питанием. Она помогают пользователю добиться повышения производительности, за счет динамической активации и деактивации части процессора.

6. NX Bit - Уникальная антивирусная технология, помогающая предотвратить инфицирование персонального компьютера определенными видами вредоносных программ.

Слайд 12.

Давайте рассмотрим все же еще одну фирму-производителя процессоров, которая постоянно развивает свои технологии и постоянно находится у всех на слуху.

Процессоры Apple

Данные процессоры компания использует в различных производимых ею устройствах.

Apple  4. Анонсирован 27 января 2010 года, работает на частоте 1 ГГц, имеет максимальную потребляемую мощность 500—800 мВт (приблизительная оценка на основе функциональных тестов), кэш L2 объёмом 512 Кбайт, интегрированное графическое ядро. Производится по 45-нанометровому технологическому процессу.

Процессор, с высокой степенью вероятности разработан микропроцессорным подразделением Apple, сформированным из приобретённой корпорацией фирмы P.A. Semi. Конкретных заявлений на этот счёт, кроме общедоступной маркетинговой информации о собственной разработке/доработке компонента, со стороны Apple не было, равно как и какой-либо информации из достоверных источников, однозначно подтверждающей данное предположение. Однако, отсутствие маркировки посторонних компаний на кристалле процессора (например, компании Samsung — как это было в остальной портативной продукции корпорации Apple), — выявленное при исследовании компонента, доказывает, что Apple осуществляла непосредственный контроль над его разработкой. Несмотря на отсутствие какой-либо непосредственно подтверждающей это маркировки на кристалле, данный факт удалось установить в результате анализа внутренней структуры и технологических особенностей процессора. Кроме того, ранее во взломанной микропрограмме iPad было обнаружено указание на версию чипа — s5l8930, — соответствующую маркировке других выпускаемых компанией Samsung процессоров. Это не удивительно, учитывая предыдущие партнёрские отношения Apple и Samsung в области производства электронных компонентов и конкретно процессоров для мобильных устройств. Устройства на базе данного процессора:

1. Apple iPad — выпущен в январе 2010;
2. Apple iPhone 4 — выпущен в июне 2010;
3. Apple iPod touch 4th gen — выпущен в сентябре 2010;

Apple A5 разработан в качестве замены процессора Apple A4. Производится на фабриках компании Samsung (неподтвержденная информация). Был представлен 2 марта 2011 года вместе с выпуском Apple iPad 2.

A5 содержит два основных ядра, более мощный  графический сопроцессор. Apple утверждает, что процессор в два раза мощнее, чем A4.

Процессор Apple A5 установлен в изделиях:

1. Apple iPad 2 — март 2011;
2. Apple iPhone 4S — (частота занижена программно до 800 Mhz) октябрь 2011;
3. Apple iPod touch 5-го поколения — выпущен в октябре 2012;
4. Apple iPad mini — представлен 23 октября 2012 года.

Apple A6 — двухъядерный микропроцессор компании Apple. Работает на частоте до 1,3 ГГц. Считается, что в нем Apple впервые использовала процессорное ядро полностью собственной разработки.

По неофициальным данным, производится по 32-нм технологическому процессу на фабрикe компании Samsung Electronics.

Установлен в iPhone5

Слайд 13.

На этом я завершаю свой рассказ, однако это не все, о чем мы говорим сегодня. Продолжат мою тему по рассмотрению рынка современных процессоров наши товарищи.

(презентация студентов на тему «Обзор рынка продаж процессоров»)

До этого мы все время говорили про стандартные процессоры, в которыми мы с Вами встречаемся каждый день, однако существуют еще различные типы процессоров нетрадиционной архитектуры. Послушаем доклады про такие процессоры

1. Коммуникационные процессоры
2. Процессоры с нечеткой логикой
3. Клеточные процессоры
4. ДНК-процессоры

Рефлексия (10 мин)

Спасибо всем за подготовленные доклады. Было очень интересно. Давайте теперь ответим на следующие вопросы:

1. Что нового Вы узнали на сегодняшней паре?
2. Как Вы думаете, в чем недостатки занятия?
3. Какие вопросы еще следовало бы рассмотреть?
4. Пригодятся ли Вам в будущем эти знания? Если да, то в чем? Если нет – то почему?

Подведение итогов (3 мин)

Выставление оценок

Домашнее задание (2 мин)

Доклады по теме «Вычислительные системы».