Co je procesor?

Co je to procesor? – OBSAH

1. K čemu slouží procesor a jak funguje?
2. Co je frekvence CPU?
3. Co je taktování procesoru?
4. Co je boost frekvence?
5. Co jsou jádra procesoru?
6. Jak procesory dělíme?
7. Jaké jsou další parametry procesoru?
8. Jaký typ procesoru vybrat?

Jak funguje a k čemu slouží procesor?

Princip veškerých dnešních výpočetních systémů, a tedy i procesoru, je založen na zpracování binárních operací. Binární neboli dvojková soustava má samozřejmě pouze dva stavy, 0 a 1, které lze v procesoru díky jejich jednoduchosti snadno reprezentovat napěťovými úrovněmi.

V tento moment se přenášíme na nižší úrovně elektronických zapojení. Základní stavební jednotkou procesoru je tranzistor zapojený jako spínač. Jeho úkolem je měnit stav mezi logickou nulou a jedničkou. Jeden samotný tranzistor by příliš výpočtů realizovat nemohl, proto jich v dnešních procesorech nalezneme miliardy, díky čemuž je možné provádět i nejsložitější operace.

Jednotlivé operace dohromady skládají instrukce, jejichž svazky se nazývají programy. Program je zpracováván sekvenčně, což znamená, že jeho instrukce procesor provádí jednu po druhé v takzvaných instrukčních cyklech.

Co je frekvence CPU?

Pokud funkčnost procesoru velmi zjednodušíme, můžeme tvrdit, že se jedná pouze o početnou soustavu tranzistorů, které velmi rychle mění své stavy podle toho, jak to prováděné operace vyžadují. Interval mezi dvěma pulsy z oscilátoru se nazývá frekvenční cyklus. V takovém čase je procesor schopen své tranzistory přepnout do jedničky a poté zpět do nuly. O změně stavu z nuly do jedničky referujeme jako o náběžné hraně a o změně jedničky na nulu jako o hraně sestupné. Množství těchto cyklů za jednu sekundu se nazývá frekvence procesoru. Jednotkou je Hertz (Hz), a jelikož dnešní procesory vykazují frekvence v řádech miliard hertzů, používáme v tomto spojení často předponu giga (GHz), případně mega (MHz, milion hertzů). Frekvence se také často označuje jako kmitočet či takt procesoru.

Frekvence je jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují výkon procesoru. Zjednodušený vztah říká, že čím vyšší frekvence, tím vyšší výkon. Toto tvrzení však musíme brát s rezervou. Pokud se dva jinak naprosto stejné procesory liší pouze frekvencí, ten s vyšší bude skutečně výkonnější. Celkový výkon procesoru však ovlivňují i jiné faktory, jako například jeho architektura, počet jader aj., pouze vyšší frekvence tedy výkonnostní převahu nezajistí. O těchto dalších parametrech procesoru si povíme později.

Co je taktování procesoru?

Taktování procesoru je proces zvyšování, ale i snižování jeho výsledné frekvence. Ta se rovná součinu základního taktu (BCLK) a hodnoty frekvenčního násobiče procesoru. BCLK (zkratka anglického výrazu Base Clock) je frekvence generovaná oscilátorem na základní desce, kromě procesoru ovlivňuje také řadu dalších frekvencí, například takt pamětí, a zpravidla je její výchozí hodnota nastavena na 100 MHz. Frekvenci procesoru je ve většině případů možné ovlivnit. Buď změnou právě BCLK, což se však z důvodu snížené stability často nedoporučuje a mnoho základních desek touto možností ani nedisponuje, nebo úpravou hodnoty násobiče.

Pomineme-li jeho elektronické zapojení, reprezentuje násobič pouze číslo, jehož změnou můžeme ovlivnit celkovou frekvenci procesoru. Na rozdíl od BCLK je násobič věcí CPU a hodnota se u jednotlivých modelů liší. Uvažujeme-li desktopové procesory od výrobců Intel a AMD, procesory jejich portfolií lze z tohoto hlediska rozdělit na dvě části, na ty s odemčeným násobičem a na ty se zamčeným. Zamčený násobič znamená, že výrobce neumožňuje jakoukoliv modifikaci jeho hodnot a vzhledem k povaze takových technologií ho není možné dodatečně odemknout. Pokud však zakoupíte procesor s odemčeným násobičem, bude vám při kombinaci se správnou základní deskou, respektive čipsetem, umožněna změna jeho hodnoty, a tedy i frekvence.

Pokud z naší strany dochází k takovým úpravám, bavíme se o „taktování“. Neoplýváte-li v tomto oboru alespoň základním množstvím zkušeností, je dobré si téma nastudovat. Neznalost vás procesor pravděpodobně stát nebude, protože moderní procesory jsou vybaveny celou řadou bezpečnostních pojistek, které je nutné nejdříve odstavit, nicméně pokoušet se taktovat bez znalostí by mohlo zanechat nepříjemné zkušenosti.

Co je boost frekvence?

Velká část procesorů Intel i AMD dokáže svou frekvenci přizpůsobovat automaticky. Zajišťují to technologie Turbo Boost (Intel) a Turbo Core (AMD), přičemž obě mají obdobný efekt. Když je váš procesor intenzivně vytěžován, zvýší dočasně frekvenci až po mezní „boost“ limit, čímž si zajistí dostatek výkonu. Pokud takový výkon není potřeba, frekvence zůstane nižší, a ve výsledku se ušetří energie.

AMD do svých procesorů odlišených X na konci modelového čísla implementovalo novou technologii Extended Frequency Range, zkráceně XFR, která by měla při výrazné teplotní rezervě CPU automaticky přetaktovat ještě nad úroveň boost limitu. Modely s touto technologií jsou určeny výhradně pro uživatele s výkonnějším chlazením, než jaké je obvykle součástí balení procesorů, proto k nim AMD ani žádné chladiče nedodává, stejně jako to nedělá Intel u modelů s otevřeným násobičem. V tuto chvíli je dobré zmínit, že všechny procesory AMD Ryzen mají otevřený násobič.

Co jsou jádra procesoru?

O jádrech se dá s čistým svědomím prohlásit, že se jedná o samostatné výpočetní jednotky, a vícejádrový procesor lze považovat za vysoce integrované zapojení více jednojádrových. Jádra jsou na sobě výpočetně nezávislá, díky čemuž je procesor schopen v jednu chvíli zpracovávat několik různých instrukcí a obsluhovat tak několik programů najednou. Tato schopnost je stěžejní v otázce účinného multitaskingu. V dnešní době dokáže více jader využít čím dál větší množství aplikací, včetně her.

Z pohledu operačního systému se instrukce dělí na vlákna, která jsou vůči sobě zpracovávána paralelně, což při efektivním naprogramování dané aplikace umožňuje jejich rychlejší provádění. Dokud před několika lety nepřišla firma Intel s technologií Hyper-Threading, bylo standardem, že jedno procesorové jádro mohlo zpracovávat pouze jedno softwarové vlákno. Nyní je velká část procesorů vybavena technologií, která umožňuje, aby jedno fyzické jádro zpracovávalo vlákna dvě. Z toho důvodu se o těchto procesorových vláknech mluví také jako o virtuálních nebo logických jádrech.

Důležité je poznamenat, že procesorová vlákna výkonnostně nezastupují plnohodnotná fyzická jádra, protože s nimi sdílí hardwarové prostředky, čímž je jejich výkon omezen. Přestože se taková technologie považuje za efektivní, nemůžeme tvrdit, že dvoujádrový procesor se čtyřmi vlákny může být roven plnohodnotnému čtyřjádrovému procesoru. Jak již bylo zmíněno, technologie firmy Intel se nazývá Hyper-Threading, procesory AMD využívají technologii SMT (Simultaneous multithreading).

Typy procesorů: Jak dělíme procesory?

Na světě existují dva hlavní výrobci desktopových procesorů, kteří si dělí takřka sto procent tohoto trhu. Prvním je Intel, druhým AMD. Oba dva své produkty dělí na řady a konkrétní modelová označení. Řady slouží k hrubšímu rozdělení celé nabídky podle účelu a výkonu procesoru (a samozřejmě také podle ceny).

Označení	Vysvětlení
Intel Celeron	Rodina procesorů Intel Celeron zastupuje nejnižší výkonnostní a cenovou kategorii. Jedná se o dvoujádra bez HyperThreadingu a s pevnou frekvencí, která je zpravidla nižší než 3 GHz.
Intel Pentium	Dnes se na trhu pod tímto jménem vyskytují čipy nižší třídy se dvěma jádry a až na výjimky bez technologií HyperThreading nebo Turbo Boost. Frekvence současné generace se pohybuje kolem 3,5 GHz.
Intel Core i3	Řada obsahuje čipy nižší střední třídy, které poslouží při každodenní kancelářské práci, ale také při hraní nenáročných her. Dvě fyzická jádra s HyperThreadingem a frekvence držící se kolem úrovně 4 GHz bez technologie Turbo Boost.
Intel Core i5	Zlatá střední cesta s dostatkem výkonu i na náročné aplikace. Čtyři fyzická jádra bez HyperThreadingu a frekvence přes 4 GHz s technologií Turbo Boost. Standardně je v každé generaci alespoň jeden model s odemčeným násobičem.
Intel Core i7	To nejlepší, co si může běžný smrtelník dopřát. Čtyři fyzická jádra s HyperThreadingem, technologií Turbo Boost a frekvencí přes 4 GHz. Stejně jako u i5, i zde se vyskytuje model s otevřeným násobičem.
Intel Core i9	Novinka nastupující do segmentu HEDT (high-end desktop), který dosud ovládaly extrémní verze řady Core i7. Nabídne až 18 jader s HyperThreadingem a vysoké frekvence s Turbo Boost. Otevřený násobič je samozřejmostí u všech modelů této řady.
Intel Xeon	Serverová řešení společnosti Intel. Specifikace se mezi jednotlivými modely v nabídce často znatelně liší, ale za pravidlo lze považovat vyšší počet jader, nižší frekvenci a mnohonásobně větší vyrovnávací paměť v porovnání s desktopovými procesory. Standardem jsou také technologie HyperThreading a Turbo Boost.

Výhodou procesorů Intel oproti konkurenci je přítomnost integrovaného grafického jádra u všech modelů (kromě serverových Xeonů), což z nich dělá mnohem zajímavější produkt z pohledu zákazníka, který nepotřebuje samostatnou grafickou kartu.

AMD jakožto výrobce procesorů si před nějakou dobou nechalo svou konkurenci ztělesněnou Intelem technologicky utéct, v důsledku čehož také klesl jeho podíl na trhu. Dlouhá léta tedy platilo, že pro technologicky vyspělý a výkonný procesor je nutné zamířit do modré stáje. To se však nyní mění, protože AMD podpořilo vývoj a letos přišlo s procesory Ryzen, které díky 14nm výrobnímu procesu, jímž jsou procesory Intel již nějakou dobu vyráběny, přineslo na trh zdravou konkurenci. Procesory byly pojmenovány příhodně jako přímá odpověď na řady Intelu, tedy Ryzen 3, 5, 7 a 9. Také AMD má své zástupce pro segment HEDT značené jako Ryzen 9 Threadripper.

V létě roku 2019 však AMD zařazuje ještě vyšší rychlost a s architekturou Zen 2 přechází na 7nm výrobní proces. Procesory jsou označované jako AMD Ryzen 3000 „Matiss“. Vynikající zprávou je, že pro jejich použití vám stále stačí základní deska s paticí AM4, jen je nutné upgradovat BIOS na poslední verzi.

Označení	Vysvětlení
AMD Sempron	Procesory AMD Sempron jsou tím nejlevnějším, co můžete v nabídce AMD najít. K dispozici je dvoujádrová a čtyřjádrová verze obsahující integrované grafické jádro. Obě pracují na velmi nízkých taktech a jsou založeny na staré výrobní technologii 28 nm.
AMD Athlon X4	Tyto modely mají základ taktéž v zastaralé 28nm výrobní technologii, jedná se o čtyřjádra s frekvencemi až kolem 4 GHz a technologií Turbo Core. Nedisponují grafickým jádrem.
AMD FX	Tvář temné doby pro AMD: procesory, jež si nechaly technologicky utéct řadu Core od Intelu. Produkovány jsou zastaralou technologií 32 nm ve verzích se čtyřmi, šesti a osmi jádry. Otázka jader je v tomto případě kvůli sdílení některých zdrojů kontroverzní téma, protože vnitřní topologie procesorů AMD FX odpovídá spíše polovičnímu počtu jader se schopností zpracovávat více vláken.
AMD Ryzen 3	Novinka od společnosti AMD, jejíž výroba, stejně jako všech procesorů Ryzen, probíhá moderním 14nm procesem. Jedná se o čtyřjádrové procesory bez SMT, s Turbo Core a frekvencemi přes 3 GHz.
AMD Ryzen 5	Odpověď společnosti AMD na populární procesory Intel Core i5. V této cenové kategorii se však jedná o premiérové modely se šesti jádry, které společně s těmi čtyřjádrovými sdílí technologie Turbo Core a SMT, díky čemuž se dostalo celých 12 výpočetních vláken do kategorie procesorů střední třídy.
AMD Ryzen 7	Procesory Ryzen vyšší třídy. Osm jader s SMT, tedy celkem 16 vláken. Samozřejmostí je technologie Turbo Core pro automatické přetaktování a absence grafického jádra.
AMD Ryzen 9	S nástupem třetí generace procesorů AMD Ryzen se nabídka rozrůstá o kategorii Ryzen 9. Společnost AMD totiž na trh pošle dokonce až 16jádrový procesor AMD Ryzen 9 3950X. Jeho předběžné výkonnostní testy jsou opravdu nádherná a s naprostým přehledem se stane nejvýkonnějším dostupným CPU, pokud samozřejmě nebudeme počítač procesory postavené spíše pro serverovou platformu.
AMD Threadripper	HEDT řešení v podání AMD. Dnes jsou dostupné dva modely AMD Ryzen Threadripper. Oba samozřejmě sdílí moderní technologie, včetně té výrobní, a frekvence kolem 4 GHz po aplikaci Turbo Core. Jejich doménou v portfoliu AMD je 12 a 16 fyzických jader s SMT, takže nižší z těchto modelů má celkem 24 výpočetních vláken, zatímco vyšší jich má 32.

Momentálně má AMD mnohem širší nabídku v oblasti nejnižší třídy. Jedná o řady FX, Athlon X4 nebo Sempron, které však po nástupu modelů Ryzen rychle ztrácí na atraktivitě. Zajímavé jsou však stále ještě modely řady A-series, které obsahují v porovnání s čipy Intelu výkonnější integrované grafické jádro. To jim hraje do karet ve chvíli, kdy se snaží oslovit zákazníka s omezeným rozpočtem, protože i přes jejich starší technologii si na nich bez dedikované grafické karty zahrajete o něco lépe než na procesorech Intelu.

Jaké jsou další parametry procesoru?

Co je to cpu, frekvence a co jsou jeho jádra a vlákna jsme si již vysvětlili. Procesor má však kromě těchto parametrů také řadu dalších, a i když lze tvrdit, že čím více jader a čím vyšší frekvence, tím výkonnější procesor, ignorování některých z nich by vás mohlo stát výhodný kup.

Mikroarchitektura procesoru

Inovace v portfoliích výrobců procesorů jsou ztělesněny generacemi procesorů. Pokaždé, když výrobce svou nabídku obohatí o nové čipy, jsou to také čipy nové generace. Každá generace je značena pořadovým číslem a kódovým označením. Například Intel v dnešních dnech nabízí devátou generaci procesorů Core, pojmenovanou Coffee Lake Refresh, a AMD druhou generaci procesorů Ryzen 2, kterou značí jako Zen +.

Socket procesoru

Socket neboli patice je jeden ze základních parametrů při výběru procesoru ve vztahu k základní desce. Jedná se o konektor, do kterého se pouzdro procesoru vloží a zamkne. Na označení je třeba dbát, a pokud se socket desky a procesoru neshoduje, nejenže spolu nebudou tyto dvě komponenty pracovat, ale ani se vám je nepodaří propojit. Můžeme mluvit o dvou hlavních provedeních socketů.

Rozšířenějším LGA, který spojuje desku s procesorem kontaktními plochami a dnes ustupujícím PGA, jehož princip spočívá v uzamykání procesoru pomocí pinů přesně pasujících do otvorů v patici. Jednotlivé sockety se od sebe však liší hlavně samotným označením, které je popravdě vše, co vás musí při výběru procesoru zajímat.

Nejaktuálnější paticí Intelu je LGA1151 a u AMD je to AM4. V případě, že byste měli zájem o procesor ze segmentu HEDT, nejenže jsou tyto čipy často založeny na odlišných architekturách, ale mnohdy disponují také jiným socketem. AMD pro své procesory Threadripper vytvořilo patici TR4, zatímco Intel s mnohaletými zkušenostmi pouze aktualizoval starší HEDT patice a novou pojmenoval LGA2066.

TDP procesoru

TDP je zkratka anglického výrazu Thermal Design Power, který referuje o maximálním tepelném výkonu procesoru čili o množství tepla, které při svém maximálním zatížení může produkovat. TDP je parametr používaný především ve spojení s dimenzováním chlazení a jedná se spíše o jakýsi strop než střední hodnotu. Tato hodnota však nemůže, jak si mnoho lidí myslí, přímo reflektovat spotřebu procesoru, je vůči ní ale přímo úměrná a nižší TDP se tedy rovná nižší spotřebě procesoru.

L3 cache procesoru

Paměti cache, v češtině vyrovnávací, mají za úkol právě vyrovnávat rychlostní rozdíly mezi jednotlivými komponentami. Jsou velmi rychlé a v procesoru se dělí podle vrstev, anglicky layer, proto je také písmeno L před samotnou číslovkou vrstvy. L3 cache je v procesoru nejpomalejší, nejobjemnější a sdílí ji všechna jádra. Čím je úroveň paměti nižší, tím menší je její objem, vyšší její rychlost a zároveň má blíže k samotnému procesoru.

Paměti L2 a L1 jsou tedy implementovány přímo v jádře. Zpravidla platí, že čím větší paměť L3 cache, tím lépe. Nemusí to však být zcela pravda, například Intel u svých posledních HEDT procesorů architektury Skylake-X zrevidoval návrh vyrovnávacích pamětí a redukoval velikost L3 ve prospěch L2 cache.

Výrobní technologie procesoru

Chceme-li něco prohlásit za stěžeň při mezigeneračním výkonnostním pokroku, je to právě výrobní technologie. V současnosti se udává v nanometrech a její hodnota informuje o rozměrech tranzistorů v procesoru. Čím menší tranzistory jsou, tím více jich je možné na čip umístit a zároveň zmenšit jeho prostorovou náročnost. Menší tranzistory mají nižší spotřebu a dokážou spínat rychleji, což se pozitivně projevuje na zvyšování frekvencí procesorů. I když lze každou novou generaci procesorů prohlásit za technologický úspěch, často dochází jen k minoritním změnám v architektuře a inovace ve výrobní technologii je vždy významnou událostí IT světa.

Jaký procesor si mám vybrat?

Pokud vás hlubší technologické principy a detailní popisy procesorů neoslovují, mějte při výběru vždy na paměti správný socket, od kterého se musí odvíjet výběr základní desky. Také si ujasněte, k čemu máte v plánu počítač používat. Je-li to běžná kancelářská práce, poslouží procesory Intel Core i3, některé modely Intel Core i5 nebo AMD Ryzen 3. Míříte-li spíše směrem herního počítače, zvolte Intel Core i5 nebo i7 či jejich AMD protějšky v podobě Ryzen 5 a Ryzen 7. Na místo srdce pracovní stanice pro grafiky, architekty či editory multimediálního obsahu se pak nejlépe hodí standardní procesory Intel Core i7 a AMD Ryzen 7 nebo HEDT kousky AMD Threadripper a Intel Core i9.

Podtrženo, sečteno, procesor je a ještě i dlouho bude vůbec nejdůležitější součástí počítače. A vzhledem k tomu, že kromě počítačů dnes najdeme procesor prakticky v každém chytrém zařízení, měli bychom mít alespoň základní povědomí o tom, jak funguje, k čemu slouží, a hlavně co to procesor vlastně je.