Что такое процессор в компьютере и телефоне?

Сегодня у большинства людей есть сразу несколько устройств: компьютер, ноутбук, смартфон, планшет. Все они работают за счёт специальной микросхемы внутри – процессора. От него зависит, как быстро открываются программы, не тормозит ли игра, плавно ли идёт видео и насколько быстро откликается экран телефона.

Многие слышали фразы вроде «мощный процессор», «8 ядер», «частота 3,5 ГГц», но не до конца понимают, что это значит. В этом материале разберём простыми словами, что такое процессор, как он устроен, как работает и чем отличаются процессоры в компьютере и в телефоне. Обойдёмся без сложных формул, но постараемся объяснить суть понятно.

Статья подойдёт тем, кто только начинает интересоваться техникой: школьникам, родителям и просто пользователям, которые хотят понимать, за что они платят, покупая новое устройство или выбирая следующий телефон.

Терминология.

Этимология.

Слово «процессор» пришло в русский язык из английского слова processor. Оно образовано от глагола to process, который переводится как «обрабатывать». В технических текстах часто встречается аббревиатура CPU – от английского Central Processing Unit, что переводится как «центральное устройство обработки» или «центральный процессор».

Со временем слово «процессор» стало устойчивым термином. Им обозначают основную микросхему, которая занимается обработкой данных и выполнением команд программ в компьютерах, телефонах и других электронных устройствах.

Что такое процессор?

Процессор – это электронное устройство внутри компьютера или телефона, которое выполняет машинные команды программ и управляет работой других частей системы. Он получает команды, обрабатывает данные по определённым правилам и передаёт результат дальше, используя память, накопители и другие компоненты.

Современный процессор – это сложная микросхема из миллионов или даже миллиардов транзисторов. Они соединены так, чтобы можно было выполнять арифметические действия, логические операции, принимать решения по условиям и организовывать выполнение команд в нужном порядке.

Что такое процессор простыми словами?

Говоря простыми словами, процессор – это часть устройства, которая по шагам выполняет команды программ и заставляет компьютер или телефон делать нужные действия. Он принимает данные, обрабатывает их по заданным правилам и передаёт результат дальше, чтобы на экране появлялась картинка, сохранялся файл, запускалась игра или программа.

Очень кратко: процессор отвечает за выполнение всех вычислений и команд внутри устройства.

Где в наших устройствах находится процессор и за что он отвечает?

В обычном настольном компьютере процессор – это отдельная микросхема, которая устанавливается в специальный разъём на материнской плате. Сверху её обычно закрывает система охлаждения: радиатор и вентилятор. В ноутбуке тоже есть процессор, но он часто припаян к плате и может быть немного слабее по мощности, зато экономит энергию и меньше греется.

В телефоне и планшете всё устроено немного иначе. Там процессор чаще всего входит в состав системы на кристалле (часто пишут SoC – System on a Chip). В один чип объединяют центральный процессор, графический модуль, модули связи и другие блоки. Это позволяет уменьшить размеры платы и снизить расход энергии.4

Основные задачи процессора в любом устройстве:

Ключевые задачи, которые выполняет процессор:

• выполнение команд операционной системы и программ;
• обработка чисел, текстовой информации и других данных;
• участие в работе с графикой совместно с видеочипом;
• управление работой памяти, накопителей и других устройств;
• реакция на действия пользователя: нажатия клавиш, касания экрана, движения мыши.

Чем быстрее и продуманнее устроен процессор, тем комфортнее ощущается работа устройства: меньше ожидания, меньше «задумчивости» и зависаний.

Из каких частей состоит современный процессор?

Внутри процессора нет пустого места. Он состоит из множества блоков, и каждый блок выполняет свою роль. Чтобы не углубляться в слишком сложные схемы, выделим основные части, о которых полезно знать обычному пользователю.

Крупные части современного процессора:

• Ядра. Это повторяющиеся блоки, которые могут выполнять команды параллельно. Если у процессора 4 ядра, он может обрабатывать несколько задач одновременно. Чем больше ядер, тем легче устройству справляться с несколькими программами сразу, особенно если они умеют распределять нагрузку.
• Кэш-память. Это небольшая, но очень быстрая память внутри процессора. В неё попадают самые «часто используемые» данные и команды, чтобы не ждать их из более медленной оперативной памяти. Кэш работает как быстрая «рабочая зона» для вычислений.
• Блок управления. Следит за тем, в какой последовательности выполняются команды, какие данные нужно взять, куда передать результат. Он определяет общий порядок работы процессора.
• Арифметико-логический блок. Отвечает за арифметические действия (сложение, вычитание и другие операции) и логические операции (сравнения, проверки условий).
• Встроенная графика (есть не у всех моделей). В некоторых процессорах есть простой графический блок, который умеет выводить изображение на экран без отдельной видеокарты. В ноутбуках и офисных компьютерах этого часто достаточно для работы и просмотра видео.

Есть и другие внутренние узлы:

• буферы для временного хранения данных;
• специальные устройства прогнозирования, которые пытаются заранее угадать, какая команда будет нужна следующей;
• механизмы энергосбережения, которые снижают частоту и напряжение, когда нагрузка небольшая.

Все эти части работают вместе, чтобы выполнять команды максимально быстро и при этом не тратить лишнюю энергию.

Как работает процессор шаг за шагом?

Любая программа – это набор команд. Эти команды хранятся в памяти, а процессор должен их по очереди выполнять. На уровне электроники всё происходит очень сложно, но в общих чертах работу процессора можно описать так.

Упрощённые шаги работы процессора:

1. Процессор получает адрес очередной команды в памяти.
2. Команда считывается из памяти и попадает во внутренний буфер.
3. Блок управления расшифровывает команду: что нужно сделать – сложить числа, сравнить значения, записать данные или перейти к другой части программы.
4. При необходимости процессор берёт нужные данные из кэша или из оперативной памяти.
5. Арифметико-логический блок выполняет действие.
6. Результат записывается обратно в регистры, кэш или оперативную память.
7. Процессор переходит к следующей команде.

Эти шаги происходят с огромной скоростью и постоянно повторяются. Скорость работы процессора часто описывают через тактовую частоту. Это количество условных «шагов» в секунду. Например, частота 3 ГГц (гигагерца) – это примерно три миллиарда тактов в секунду.

Важно понимать, что высокая частота не всегда означает, что процессор «в два раза быстрее». На скорость влияют сразу несколько факторов.

Факторы, которые влияют на реальную скорость процессора:

• количество ядер и их эффективность;
• объём и скорость кэша;
• то, насколько хорошо программы умеют использовать несколько ядер;
• архитектура процессора – внутреннее устройство, набор команд и оптимизации;
• ограничения по нагреву и энергопотреблению.

Если устройство сильно греется, процессор может автоматически снижать свою частоту, чтобы не перегреться. В телефонах это особенно заметно в тяжёлых играх: сначала всё идёт очень плавно, а через некоторое время скорость падает, и игра начинает работать менее комфортно.

Чем отличается процессор в компьютере и в телефоне?

На первый взгляд кажется, что процессор в компьютере и телефоне делает одно и то же: выполняет команды. Это верно, но есть важные отличия в том, как эти процессоры устроены и для чего они оптимизированы.

Главные различия между процессорами в компьютере и телефоне:

• Энергопотребление. Процессоры для телефонов изначально создаются с жёсткими ограничениями по энергии. Телефон работает от батареи и должен проработать хотя бы день. Поэтому такие процессоры стараются тратить как можно меньше энергии, даже если из-за этого снижается максимальная скорость.
• Тепловыделение. В настольном компьютере большой корпус, мощный кулер и хороший воздухообмен. Там можно поставить процессор, который сильно греется, но обеспечивает высокую производительность. В телефоне так сделать нельзя: корпус маленький и тонкий, поэтому допустимый нагрев сильно ограничен.
• Архитектура. В большинстве настольных и многих портативных компьютеров используются процессоры семейства x86 (например, Intel и AMD). В смартфонах почти всегда стоят процессоры на архитектуре ARM. Эти архитектуры по-разному устроены внутри и имеют различный набор команд, но конечная задача у них общая – выполнять программы.
• Система на кристалле. В телефоне центральный процессор – только часть единого чипа, в который также входят графический модуль, модем связи, контроллеры памяти, модули работы с камерой и другое. В настольном компьютере многие из этих компонентов существуют как отдельные устройства.

В результате компьютерный процессор обычно мощнее, но потребляет больше энергии и сильнее греется, а телефонный процессор слабее по максимальной скорости, зато гораздо более экономичный и компактный.

Основные характеристики процессора, на которые смотрят пользователи.

Когда человек выбирает новый компьютер или телефон, он часто видит в описании сложные строки: количество ядер, частота, потоки, кэш и так далее. Разберём самые важные характеристики простыми словами.

Основные характеристики процессора:

• Количество ядер. Показывает, сколько задач процессор может обрабатывать одновременно. Для обычной работы с документами и интернетом достаточно 2–4 ядер. Для игр, монтажа видео и сложных программ обычно выбирают 6–8 ядер и больше.
• Тактовая частота. Примерно показывает, как быстро одно ядро выполняет свои команды. Частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Сравнивать частоту корректно только между процессорами одного поколения и одной архитектуры.
• Кэш-память. Чем её больше и чем она быстрее, тем реже процессору приходится ждать данные из более медленной оперативной памяти. Для обычного пользователя этот параметр не так заметен, но он сильно влияет на итоговую скорость работы.
• Теплопакет. Часто обозначается как TDP. Это условный показатель того, сколько тепла выделяет процессор при нагрузке. Чем выше этот показатель, тем мощнее должна быть система охлаждения.
• Технологический процесс. Иногда пишут, например, «5 нм», «7 нм», «10 нм». Это условная характеристика размеров элементов внутри чипа. Чем меньше это число, тем обычно ниже энергопотребление и выше эффективность, но на практике всё также зависит от архитектуры и качества разработки.
• Наличие встроенной графики. Если у процессора есть встроенный видеомодуль, компьютер может работать без отдельной видеокарты. Для офисных задач, учёбы и просмотра видео этого обычно достаточно.

При выборе процессора важно смотреть не на одну цифру, а на сочетание всех характеристик и на реальные тесты устройств.

Как выбрать процессор для компьютера и телефона?

Большинство пользователей не планируют самостоятельно менять процессор в телефоне и редко занимаются заменой в ноутбуке. Но общие принципы выбора знать полезно, чтобы не переплачивать и не брать слишком слабое устройство.

Выбор процессора для компьютера.

Для настольного компьютера процессор обычно выбирают отдельно. Чтобы было проще, разделим задачи по условным группам.

Условные группы задач и общие рекомендации:

• Учёба, офис, интернет. Подойдут недорогие процессоры с 4–6 ядрами и умеренной частотой. Важно, чтобы архитектура была относительно современной и чтобы в системе было достаточно оперативной памяти.
• Игры. Здесь важно сочетание процессора и видеокарты. Часто выбирают модели с 6–8 ядрами и высокой производительностью на одно ядро. Слабый процессор может ограничивать даже очень мощную видеокарту.
• Профессиональная работа. Монтаж видео, 3D-графика, работа с большими базами данных и сложными инженерными программами требуют процессоров с большим количеством ядер и поддержкой современных технологий многопоточной обработки.

Также нужно учитывать, какая платформа у процессора (производитель, поколение, разъём) и подходит ли он к выбранной материнской плате. Нельзя просто так взять любой процессор и установить в любую плату – они должны совпадать по типу разъёма и поддерживаемым технологиям.

Выбор процессора в смартфоне.

В телефоне пользователь почти всегда выбирает не сам процессор, а готовую модель устройства. Однако в описании часто указывают название чипа, например линейки Snapdragon, Dimensity, Exynos и другие.

Простые ориентиры при выборе телефона по процессору:

• для звонков, мессенджеров, браузера, социальных сетей и простых игр подойдут чипы начального и среднего уровня;
• для тяжёлых трёхмерных игр и активного использования лучше смотреть на процессоры среднего и верхнего уровня с более мощным графическим блоком;
• если важно время работы от батареи, имеет смысл выбирать модели с энергоэффективными чипами, даже если они немного слабее по пиковой скорости.

Хороший способ оценить смартфонный процессор – посмотреть обзоры и тесты именно той модели телефона, которую вы собираетесь покупать, а не ориентироваться только на название чипа и количество ядер.

Распространённые мифы о процессорах.

Вокруг процессоров существует множество упрощений и мифов. Они мешают трезво оценивать технику и иногда приводят к лишним расходам. Разберём несколько типичных заблуждений.

Примеры распространённых мифов:

• «Чем больше ядер, тем лучше». Это не всегда так. Для простых задач дополнительные ядра могут почти не давать выигрыша. Важно, насколько одно ядро быстро выполняет команды и умеет ли программа использовать несколько ядер сразу.
• «Частота – главный показатель». Нельзя сравнивать процессоры только по частоте, особенно если они разных поколений и разных архитектур. Более современный процессор на меньшей частоте может работать быстрее старого на более высокой частоте.
• «Все тормоза – из-за слабого процессора». На практике устройство может тормозить из-за медленного накопителя, малого объёма оперативной памяти, вирусов, перегрева или неудачной прошивки. Процессор – только один из элементов системы.
• «Если в телефоне мощный процессор, он всегда будет холодным». Мощный чип почти всегда сильнее греется под нагрузкой. Поведение зависит от настроек, системы охлаждения и того, как долго устройство работает на максимальной скорости без пауз.

Чтобы понять, насколько удобным будет устройство, важно смотреть на всю систему в целом, а не на одну характеристику процессора.

Заключение.

Процессор – это центральная часть компьютера или телефона, которая выполняет команды программ и обрабатывает данные. От его устройства и характеристик зависит, насколько быстро работает система, как она реагирует на действия пользователя и сколько энергии тратит в процессе работы.

Мы разобрали, откуда появилось само слово «процессор», дали точное определение и упрощённое объяснение, рассмотрели основные внутренние части и общий принцип работы. Отдельно посмотрели, чем отличаются процессоры в компьютере и смартфоне, какие параметры стоит учитывать при выборе и какие мифы мешают объективно оценивать технику.

Понимая базовые принципы работы процессора, легче выбирать устройства, избегать лишних расходов и лучше понимать, почему компьютер или телефон ведут себя именно так, а не иначе.

Источники.

1. Паттерсон Д., Хеннесси Дж. «Организация и проектирование компьютерных систем».
2. Тэненбаум Э., Остин Т. «Архитектура компьютера. Современный подход».
3. «Как работает центральный процессор (How a CPU Works)» – статья на сайте HowStuffWorks: https://computer.howstuffworks.com/computer-hardware.htm.
4. «Центральный процессор (Central Processing Unit)» – статья в онлайн-энциклопедии Britannica: https://www.britannica.com/technology/microprocessor.
5. «Руководство по архитектуре процессоров Intel 64 и IA-32» – техническая документация компании Intel: https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-sdm.html.