Железо цифровой экономики: процессоры

Цифровая экономика не витает в облаках, она не концепция, не идея и не образ. Всё, что связано с современными цифровыми бизнес-процессами, работает с помощью конкретных технологий, на совершенно определенном оборудовании. Данные, которые питают цифровую экономику, обрабатывают компьютеры, а передаются они по сетям. В серии статей мы расскажем, из чего состоят компьютеры, кто их производит и какие компании лидируют на рынке оборудования.

Что такое процессор

Центр любого компьютерного устройства; элемент, предназначенный для того, чтобы производить операции с данными; главная часть вычислительной системы — это процессор.

Его работа выглядит приблизительно так: получить из счетчика команд число, которое является адресом в памяти — найти содержимое этого адреса — выполнить записанную там команду — перейти к следующему числу из счетчика команд — повторить снова и снова. Каждое выполнение этого цикла в терминологии программистов и схемотехников — это процесс. Отсюда произошло название устройства: процессор.

Суть работы процессора не изменилась с середины XX века, когда возникли компьютеры, но исполнение, конструкция и технологии производства стали намного сложнее. Громоздкие схемы, состоящие из реле, ламп и катушек, сменились микросхемами, наполненными миллиардами электронных элементов. На порядки выросла и вычислительная мощность.

Трудные задачи

Разработчики современных процессоров, наряду с увеличением производительности и оптимизацией схем и алгоритмов, стремятся придать им возможности выполнения как можно большего объема параллельных вычислений. Другой тренд в производстве процессоров — «спрятать» в микросхему еще больше устройств, которые раньше были отдельными блоками, например, контроллеры шины данных и памяти, криптографические блоки, сетевые модули, графические адаптеры.

Это связано со спецификой стоящих перед нынешними компьютерными системами задач, например, таких:

• большие данные;
• высокопроизводительные вычисления (High Performance Computing, HPC);
• машинное обучение;
• блокчейн;
• обработка транзакций в реальном времени;
• искусственный интеллект;
• аналитические системы;
• потоковые сервисы;
• облачные системы;
• системы видеонаблюдения и управления доступом (surveillance);
• Интернет вещей;
• информационные системы предприятий.

Эти приложения требуют обработки гигантских объемов данных, часто на лету, in memory, что означает вычисления в быстродействующей памяти системы, вне довольно «медленных» устройств хранения (жестких дисков и других накопителей), параллельными потоками.

Для серверов

Серверные линейки процессоров крупнейших производителей (которых в настоящее время осталось всего два — Intel и AMD) активно развиваются в этих направлениях. Например, процессоры Xeon (давнее название серверного направления продукции Intel), оставив в прошлом линейки E3, E5 и E7, получили название Xeon Scalable, что означает «масштабируемый». Суть масштабирования — в возможности добавлять дополнительные процессоры в одной вычислительной системе, увеличивая количество одновременно и параллельно работающих вычислительных блоков.

Компания AMD — вечный соперник, всегда догоняющий лидера — тоже старается учесть требования актуальных задач нашего времени. Ее линейка серверных процессоров EPYC поражает воображение количеством вычислительных ядер — до 64 штук, а с учетом того, что каждое физическое ядро может обрабатывать до двух логических потоков данных, эта цифра увеличивается до 128.

Уже третье поколение серверной линейки представлено потребителям. И кажется, на этот раз успех сопутствует компании: к концу 2019 года продажи процессоров на базе микроархитектуры Zen (сюда входит линейка EPYC и ее настольные собратья линейки Ryzen) росли настолько динамично, что позволили AMD захватить более 30 процентов всего рынка процессоров.

Для десктопов

Наверное, нет смысла подробно рассматривать десктопные варианты современных процессоров. Одна из причин — политика производителей: бытовые процессоры — это облегченные и удешевленные версии серверных — меньше ядер, меньше тактовая частота, меньше кэш, меньше поддерживаемых функций и технологий.

Другая причина состоит в том, что в целом, несмотря на все еще значительное число любителей настольных компьютеров и ноутбуков, их доля падает и уже составляет менее половины всех пользователей. Процесс угасания рынка бытовых компьютеров заметен даже в США — в стране, где традиционно предпочитают десктопы и лэптопы.

На рынке оборудования для мобильных устройств лидеры другие, а гиганты, выпускающие мощные процессоры для больших компьютеров, — только в роли догоняющих. Например, AMD имеет 14,1 процента рынка процессоров для мобильных устройств, в который, кстати, при расчетах включены в том числе легкие ноутбуки и планшеты.

Для смартфонов

На деле же рынок мобильных устройств — это в основном смартфоны, в которых работают совсем другие процессоры. Как правило, они созданы на архитектуре ARM (или лицензированы и совместимы с ней) и выпускаются в виде «системы-на-чипе» — в микросхему процессора включено еще больше блоков и устройств обычного компьютера. Такие процессоры проще, дешевле, экономичнее и во многом эффективнее для бытовых приложений, чем их серверные и десктопные братья.

Главные участники рынка мобильных процессоров, или, как еще их называют, application processors (процессоры специального назначения): Qualcomm, Apple, Samsung, HiSilicon и MediaTek. Причем первой компании в середине 2019 года принадлежали солидные 40 процентов рынка.

Компания Qualcomm разрабатывает и продает собственные процессоры на архитектуре ARM. В этих чипах встроены графические ускорители, модули связи, спутникового позиционирования и другие. Последние модели, Snapdragon 865 и 765, поддерживают связь 5G, а в модели 765 модем включен в состав чипа процессора.

Мобильные ARM-процессоры компании Apple имеют название, состоящее из буквы А, индекса и слова Bionic. Последняя модель iPhone работает на шестиядерном A13 Bionic.

Samsung выпускает процессоры в виде «системы-на-чипе» не только для собственных устройств, но и по заказу других компаний. Один из лучших и самых современных ARM-процессоров производства Samsung — Exynos 9 Series. Он устанавливается на устройства серии Galaxy 10.

Графические процессоры не для графики

В следующей статье мы продолжим знакомство с начинкой электронных устройств и поговорим о графических процессорах и ускорителях — о том, какие компании их разрабатывают, какая доля рынка им принадлежит и как получилось, что слово «графический» в названии этого типа устройств стало лишним, но не исчезло.

Изображение: Engadget