Esplorazione delle CPU: architetture, tecnologie e prestazioni

La CPU(Central Processing Unit), è considerata il cervello del computer.

A volte ci si riferisce ad essa con il termine processore. La maggior parte delle operazioni di calcolo hanno luogo all'interno della CPU. In termini di potenza di calcolo, è l'elemento principale del computer.

Architetture e connessioni della CPU

Esiste in vari formati, ognuno dei quali richiede uno specifico slot o socket sulla motherboard. I produttori più comuni di CPU sono Intel e AMD.

Il socket o slot della CPU rappresenta la connessione tra la motherboard e il processore stesso. La maggior parte dei socket e dei processori della CPU in uso oggi sono costruiti solitamente attraverso l'architettura a matrice di griglia dei pin (PGA - Pin Grid Array) e a LGA (Land Grid Array).

In un'architettura PGA, i pin sul lato del processore sono inseriti nel socket, di solito con forza di inserzione zero (ZIF - Zero Insertion Force). Il termine ZIF fa riferimento alla quantità di forza necessaria per installare una CPU nello slot o nel socket della motherboard.

In un'architettura LGA, i pin si trovano nel socket anziché sul processore. I processori basati su slot hanno la forma a cartuccia e sono inseriti in una scanalatura che sembra simile a uno slot di espansione.

Esecuzione e memorizzazione delle istruzioni

La CPU esegue un programma, che è una sequenza di istruzioni memorizzate. Ogni modello di processore possiede un set di istruzioni che esegue. La CPU esegue il programma elaborando ogni singolo dato come previsto dal programma e dal set di istruzioni. Mentre la CPU sta eseguendo una porzione del programma, le istruzioni restanti e i dati sono memorizzati in una memoria speciale chiamata cache.

In relazione ai set di istruzioni, esistono due architetture principali della CPU:

• Reduced Instruction Set Computer (RISC) - Queste strutture usano un set di istruzioni relativamente piccolo. I chip RISC sono progettati per eseguire queste istruzioni molto rapidamente.

• Complex Instruction Set Computer (CISC) - Queste strutture usano un set di istruzioni ampio, con il risultato che eseguono meno passi per compiere un'operazione.

Tecnologie avanzate delle CPU

Alcune CPU Intel incorporano la tecnologia hyperthreading per migliorare le proprie prestazioni. Con la tecnologia hyperthreading, nella CPU sono eseguite simultaneamente porzioni multiple di codice (threads). Per un sistema operativo, una singola CPU con hyperthreading si comporta come se ci fossero due CPU quando più thread sono in fase di elaborazione.

Alcuni processori AMD usano la tecnologia hypertransport per migliorare le prestazioni della CPU. Hypertransport è una connessione ad alta velocità e a bassa latenza fra la CPU e il chip del Northbridge.

Misurazione delle prestazioni della CPU

La potenza di una CPU è misurata dalla velocità e dalla quantità di dati che riesce a elaborare. La velocità di una CPU è misurata in cicli al secondo, come milioni di cicli al secondo, detti megahertz (MHz), o miliardi di cicli al secondo, detti gigahertz (GHz). La quantità di dati che una CPU riesce a elaborare in una unità di tempo dipende dalle dimensioni del front side bus (FSB). Questo viene anche detto CPU bus o bus dati del processore. Quando la dimensione del FSB aumenta, è possibile ottenere prestazioni più elevate. La larghezza del FSB è misurata in bit. Un bit è la più piccola unità di dati all'interno di un computer e rappresenta il formato binario in cui sono elaborati i dati. I processori attuali utilizzano un FSB a 32 bit o 64 bit.

Tecniche di overclocking e throttling

L'overclocking è una tecnica usata per far sì che un processore lavori a una velocità maggiore rispetto alle sue specifiche originali. L'overclocking non è un metodo affidabile per migliorare le prestazioni del computer e può danneggiare la CPU. L'opposto dell'overclocking è il throttling della CPU. Il throttling della CPU è una tecnica usata quando il processore lavora a una velocità inferiore a quella necessaria, per risparmiare energia o produrre meno calore. Il throttling è comunemente utilizzato su computer portatili e altri dispositivi mobili.

Evoluzione delle CPU multicore

La più recente tecnologia di processori ha permesso ai produttori di CPU di trovare modi di incorporare più di un nucleo di CPU su un singolo circuito integrato. Queste CPU sono capaci di elaborare simultaneamente istruzioni multiple:

• CPU Single Core - Un nucleo all'interno di un singola CPU che gestisce tutta l'elaborazione. Un fornitore di motherboard potrebbe fornire socket per più di un singolo processore, fornendo la capacità di costruire un potente calcolatore con multiprocessore.

• CPU Dual Core - Due nuclei all'interno di singola CPU in cui entrambi i nuclei possono elaborare contemporaneamente le informazioni.

• CPU Triple Core - Tre nuclei all'interno di una singola CPU che è in realtà un processore a quattro nuclei di cui uno è disabilitato.

• CPU Quad Core - Quattro nuclei all'interno di una singola CPU.

• CPU Hexa-Core - Sei nuclei all'interno di una singola CPU.

• CPU Octa-Core - Otto nuclei all'interno di una singola CPU.