Написание простого процессора и окружения для него

Основные характеристики процессоров

Мы рассмотрели, что такое процессор компьютера, как он работает

Ознакомились с тем, что из себя представляют два основных их вида, время обратить внимание на их характеристики

Итак, для начала их перечислим: бренд, серия, архитектура, поддержка определенного сокета, тактовая частота процессора, кэш, количество ядер, энергопотребление и тепловыделение, интегрированная графика. Теперь разберем с пояснениями:

Бренд – кто производит процессор: AMD, или Intel. От данного выбора зависит не только цена приобретения, и производительность, как можно было бы предположить из предыдущего раздела, но также и выбор остальных комплектующих ПК, в частности, материнской платы. Поскольку процессоры от АМД и Интел имеют различную конструкцию и архитектуру, то в сокет (гнездо для установки процессора на материнской плате) предназначенный под один тип процессора, нельзя будет установить второй;
Серия – оба конкурента делят свою продукцию на множество видов и подвидов. (AMD — Ryzen, FX,. Intel- i5, i7);
Архитектура процессора – фактически внутренние органы ЦП, каждый вид процессоров имеет индивидуальную архитектуру. В свою очередь один вид можно разделить на несколько подвидов;
Поддержка определенного сокета — очень важная характеристика процессора, поскольку сам сокет является «гнездом» на материнской плате для подсоединения процессора, а каждый вид процессоров требует соответствующий ему разъем. Собственно об этом было сказано выше. Вам либо нужно точно знать какой сокет расположен на вашей материнской плате и под нее подбирать процессор, либо наоборот (что более правильно);
Тактовая частота – один из значимых показателей производительности ЦП. Давайте ответим на вопрос что такое тактовая частота процессора. Ответ будет простым для этого грозного термина — объем операций выполняющихся в единицу времени, измеряющийся в мегагерцах (МГц);
Кэш — установленная прямо в процессор память, её ещё называют буферной памятью, имеет два уровня — верхний и нижний. Первый получает активную информацию, второй – неиспользуемую на данный момент. Процесс получения информации идет с третьего уровня во второй, а потом в первый, ненужная информация проделывает обратный путь;
Количество ядер — в ЦП их может быть от одного до нескольких. В зависимости от количества процессор будет называться двухъядерных, четырех ядерным и т.д. Соответственно от их числа будет зависеть мощность;
Энергопотребление и тепловыделение

Тут все просто – чем выше процессор «съедает» энергии, тем больше тепла он выделит, обращайте внимание на этот пункт, чтобы выбрать соответствующий кулер охлаждения и блок питания.
Интегрированная графика – у AMD первые такие разработки появились в 2006, у Intel с 2010. Первые показывают больший результат, чем конкуренты

Но все равно, до флагманских видеокарт пока ни один из них не смог дотянуть.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.
Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Уроки химии

Первоначально берется SiO 2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

технический
электронным кремнием

Слиток шкурят «нулёвкой»:) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка:) Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном;) Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

Замена процессора на ПК

Допустим, что процессор уже куплен, но как же его заменить? Что делать и с чего начать? Пугаться неизвестного не стоит, так как данная операция выполняется довольно просто и одинаково на любом компьютере с минимальными отличиями. Если кратко – то нужно снять систему охлаждения, заменить процессор в сокете (разъеме), и установить охлаждение обратно. Рассматривать пример будем на процессорах Intel и материнской платы под них.

Материнская плата под процессор Intel

Этап 1: Снятие системы охлаждения

Сначала стоит разобраться, что для радиаторов охлаждения процессоров Intel и AMD существует по одному основному типу крепления, и оба они снимаются проще простого. В случае с Intel это четыре поворотные защелки:

Четыре поворотные защелки для снятия процессора Intel

Собственно, поворачиваем их до упора, после чего каждую слегка подтягиваем вверх, дабы освободить пазы.

У AMD же это прижимной рычаг, подняв который, вы моментально ослабите тягу крепления.

Прижимной рычаг для снятия процессора AMD

После снятия крепежа не забудьте отключить питание вентилятора на материнской плате, после чего просто снимите радиатор.

Отключение кулера от материнской платы

Внимание! Если после открытия защелок радиатор не снимается с материнской платы, проверьте крепления еще раз. Если вы убеждены, что все было сделано правильно, но охлаждение по-прежнему не поддается, стоит нагреть радиатор домашним феном, периодически подталкивая его в стороны

Через пару минут таких процедур устройство поддастся и без проблем снимется. Не тяните радиатор вверх дабы избежать повреждения процессора!

На процессоре и радиаторе вы увидите следы старой термопасты, которые обязательно нужно удалить салфеткой или кусочком ненужной сухой ткани.

Старая термопаста на процессоре

Этап 2: Замена процессора

На сокете расположен маленький рычажок, который нужно чуть отогнув в сторону поднять до упора и (в случае с Intel) открыть стальной зажим, после чего можно без труда извлечь старый процессор.

Снятие процессора на Intel

Снятие процессора на AMD

Внимание! У процессоров фирмы AMD присутствуют распаянные ножки, и дабы их не погнуть, сразу же уберите его в безопасное место.

Берем в руки новый процессор. Для определения правильного положения устройства в разъеме используем оставленные производителями подсказки. То есть, на материнской плате, рассчитанной на установку AMD процессоров, нужно совместить ключи, изображенные как на сокете материнской платы, так и на одном из углов устройства.

Определение правильного положения для установки процессора AMD на материнскую плату

В случае же с Intel совмещаем пазы, проделанные с двух сторон в процессоре с ключами, размещенными внутри сокета материнской платы.

Определение правильного положения для установки процессора Intel на материнскую плату

Внимание! Опускать процессор в разъем следует ровно и аккуратно. Не возите его по сокету, чтобы не повредить компоненты.

Этап 3: Нанесение термопасты

Смачиваем спиртом кусочек чистой, сухой ткани и протираем поверхность процессора обезжиривая его. После чего термопасту наносим в центр в небольшом количестве.

Нанесение небольшого количества новой термопасты на процессор

Затем размазываем ее по поверхности процессора пальцем, обернутым в целлофан или ненужной пластиковой картой. Главное, чтобы слой получился более-менее однородным.

Распределение новой термопасты по процессору

Внимание! Слишком много термопасты могут ухудшить теплообмен между центральным процессором и радиатором охлаждения.

Этап 4: Установка системы охлаждения

Возьмите в руки радиатор, и прицелившись, ровно поставьте его на процессор, после чего вставьте защелки в пазы и закройте их (в случае с Intel), или зажмите рычагом на пластине (AMD). Не забудьте подключить обратно питание вентилятора.

Все! Материнская плата с новым процессором готова к работе. На этом наша статья подходит к концу, надеемся, что она была вам полезна.

Настройка в Windows

Большинство современных процессоров обладают несколькими ядрами – двумя и более. Это позволяет одновременно производить расчеты для нескольких программ.

В системах Windows 7 и 10 есть встроенная возможность включать и отключать отдельные ядра, задействованные при обработке данных конкретных приложений (кроме некоторых системных).

Это нужно, например, если система начинает «тормозить» при выполнении какой-либо «прожорливой» программы. Это касается, скажем, дефрагментатора, распаковщика (при работе с крупными архивами). В таких случаях можно ограничить вручную использование подобными программами ядер процессора, освободить ресурсы для выполнения других задач.

1. «Диспетчер задач» вызывается при помощи правого клика мышью в свободной области панели задач и выборе пункта «Запустить диспетчер задач».

   Правым кликом мышки щелкаем на пустом месте в панели задач, выбираем пункта «Запустить диспетчер задач»

2. В области «Приложения» навести указатель мыши на нужной программе, пускай это будет «Скайп», щелкнуть правой кнопкой, вызвав контекстное меню. Выбрать опцию «Перейти к процессу».

   Наводим указатель мыши на нужное название приложения, щелкаем правой кнопкой, вызвав контекстное меню, выбираем опцию «Перейти к процессу»

3. Откроется окно «Процессы», где будет выделен нужный пункт, следует навести на него указатель и еще раз щелкнуть правой клавишей мыши, а в появившемся меню выбрать опцию «Задать соответствие».

   Щелкаем правой клавишей мыши по выделенному процессу, в появившемся меню выбираем опцию «Задать соответствие»

4. Некоторые системные программы не позволят изменять этот параметр, о чем будет сообщено пользователю. В открывшемся окне можно ограничить число ядер, которыми сможет пользоваться приложение. Нажать «ОК».

   Снимаем галочки с нужных пунктов «ЦП», нажимаем «ОК»

Теперь процесс не будет перегружать систему. Однако при перезапуске программы она снова будет использовать все ресурсы.

Подготовка к замене процессора

Для работы понадобятся:

• отвертки (маленький набор);

  Маленький набор отверток

• небольшая малярная кисточка с мягким или средним ворсом;

  Малярная небольшая кисточка с мягким или средним ворсом

• термическая паста (приобретается в магазине компьютерных запчастей).

  Тюбик термической пасты

Шаг 1. Системный блок следует поставить на чистый стол. Предварительно нужно отключить все внешние устройства и кабели:

• шнур монитора;
• мыши и клавиатуры;
• модема или роутера;
• принтера;

• питающего кабеля.

  Отключаем от системного блока все внешние устройства и кабели

Шаг 2. Следует отметить, что корпуса системных блоков выглядят по-разному. Для того чтобы понять, как разбирать конкретный «системник», нужно внимательно его осмотреть с задней и боковой части.Чаще всего демонтировать нужно одну из боковых крышек, они крепятся на нескольких шурупах.

Откручиваем фиксирующие винты боковой крышки и сдвигаем ее назад

Шаг 3. После снятия крышки можно будет увидеть материнскую плату с установленными комплектующими. Процессор находится примерно в центре МП, обычно он скрыт кулером (вентилятором) и радиатором. На мощных игровых ПК может устанавливаться жидкостное охлаждение (ЖКО), тогда вентилятор, скорее всего будет отсутствовать, устройство ЖКО работает по иному принципу.

Аккуратно извлекаем комплектующие материнской платы, которые мешают извлечению процессора

Теперь следует оценить, какие элементы смогут помешать замене ЦП, их придется аккуратно демонтировать. Чаще всего это:

• сам кулер;
• радиатор;
• система ЖКО;
• вентилятор охлаждения блока (обычно присутствует в мощных моделях и ставится на одну из стенок «системника»);
• видеоплата;
• звуковая карта;
• кабели, идущие к жестким дискам и CD/DVD.

Аккуратно отклоняем фиксаторы для извлечении видеокарты и звукового устройства

Шаг 4. Если планируется замена модулей оперативной памяти, извлечь нужно и ее. Планки стоят перпендикулярно МП, для их освобождения следует отвести защелки в стороны, утопленные модули свободно выйдут наружу. Их теперь можно аккуратно вытащить.

Для освобождения планок оперативной памяти отводим аккуратно защелки в стороны и извлекаем их

Теперь, когда все лишнее убрано, можно приступить к демонтажу ЦП.

Человеческое тело — это микрокосмос внутри нас. Взгляните на себя в многократном увеличении.

А вы знали, что тело человека содержит в себе около 30 триллионов клеток? К такому выводу пришли в 2016 году эксперты из Канады и Израиля. А всего годом ранее британский ученый Колин Солтер выпустил свою книгу «Наука прекрасна», в которой опубликовал удивительные снимки человеческого тела, сделанные с помощью микроскопа. Особая прелесть фотографий состоит в том, что все они раскрашены в разные цвета и оттого больше похожи на произведение искусства.

Убедитесь в этом сами! Ниже вы найдете 15 фотографий человеческого тела + один бонусный снимок, которые помогут вам узнать себя и свою «химию» немного ближе.

Этапы установки процессора на материнскую плату

Перед началом самого монтирования обязательно стоит учитывать некоторые детали при выборе комплектующих

Самое важное – совместимость системной платы и CPU. Давайте по порядку разберем каждый аспект подбора

Этап 1: Выбор процессора для компьютера

Изначально нужно выбрать ЦП. На рынке присутствуют две популярные конкурирующие компании Intel и AMD. Каждый год они выпускают новые поколения процессоров. Иногда они совпадают разъемами со старыми версиями, однако требуют обновления BIOS, но часто разные модели и поколения CPU поддерживаются только определенными материнскими платами с соответствующим сокетом.

Выберите производителя и модель процессора, исходя из своих потребностей. Обе компании предоставляют возможность подобрать подходящие комплектующие для игр, работы в сложных программах или выполнения несложных задач. Соответственно, каждая модель находится в своей ценовой категории, от бюджетных до самых дорогих топовых камней. Подробнее о правильном выборе процессора рассказано в нашей статье.

Подробнее: Выбираем процессор для компьютера

Этап 2: Выбор материнской платы

Следующим шагом будет выбор материнской платы, поскольку ее необходимо подобрать в соответствии с выбранным CPU

Особое внимание следует уделить сокету. От этого зависит совместимость двух комплектующих

Стоит обратить внимание, что одна материнская плата не может поддерживать одновременно AMD и Intel, поскольку у этих процессоров совершенно разное строение сокета.

Кроме этого существует ряд дополнительных параметров, не связанных с процессорами, ведь системные платы отличаются по размеру, количеству разъемов, системе охлаждения и интегрированных устройствах. Об этом и остальных подробностях выбора системной платы вы можете узнать в нашей статье.

Подробнее: Подбираем материнскую плату к процессору

Этап 3: Выбор охлаждения

Их присутствует большое количество от популярных и не очень фирм. На некоторых моделях установлены термотрубки, радиаторы, а вентиляторы могут быть разных размеров. Все эти характеристики напрямую связаны с мощностью кулера

Особое внимание стоит обратить на крепления, они должны подходить к вашей материнской плате. Производители системных плат часто делают дополнительные отверстия для больших кулеров, поэтому с креплением не должно возникнуть проблем

Подробнее о выборе охлаждения вы рассказано в нашей статье.

Подробнее: Выбираем кулер для процессора

Этап 4: Монтирование процессора

После подбора всех комплектующих следует перейти к установке необходимых компонентов

Важно отметить, что сокет на процессоре и материнской плате должны совпадать, иначе вы не сможете совершить установку или повредите комплектующие. Сам процесс монтирования происходит следующим образом:

1. Возьмите материнскую плату и положите ее на специальную подкладку, которая идет в комплекте. Нужно это для того, чтобы снизу не повредились контакты. Найдите место для процессора и откройте крышку, вытащив крюк из паза.

На процессоре в углу отмечен треугольный ключ золотого цвета. При установке он должен совпасть с таким же ключом на материнской плате. Кроме этого присутствуют специальные прорези, поэтому вы не сможете установить процессора неправильно. Главное не прилагать слишком большую нагрузку, иначе погнутся ножки и комплектующее не будет работать. После установки закройте крышку, поместив крюк в специальный паз. Не бойтесь немного сильнее надавить, если не получается довести до конца крышку.

Нанесите термопасту только в том случае, если кулер был куплен отдельно, поскольку в боксовых вариантах она уже нанесена на кулер и будет распределена по процессору во время установки охлаждения.

Подробнее: Учимся наносить термопасту на процессор

Сейчас лучше поместить материнскую плату в корпус, после чего установить все остальные комплектующие, а в последнюю очередь прикрепить кулер, чтобы не мешалась оперативная память или видеокарта. На материнской плате есть специальные разъемы для кулера. Не забудьте после этого подключить соответствующее питание вентилятора.

На этом процесс установки процессора на материнскую плату окончен. Как видите, в этом нет ничего сложного, главное все делать аккуратно, внимательно, тогда все пройдет успешно

Еще раз повторимся, что с комплектующими нужно обращаться максимально осторожно, особенно с процессорами от Intel, поскольку ножки у них хлипкие, и неопытные пользователи гнут их во время установки из-за неправильных действий

Опишите, что у вас не получилось.
Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.