CPU คืออะไรและทำหน้าที่อะไร?

ส่วนที่สำคัญที่สุดของคอมพิวเตอร์ของคุณหากคุณต้องเลือกเพียงอย่างเดียวคือหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) เป็นศูนย์กลางหลัก (หรือ "สมอง") และประมวลผลคำสั่งที่มาจากโปรแกรมระบบปฏิบัติการหรือส่วนประกอบอื่น ๆ ในพีซีของคุณ

1 และ 0

ด้วยซีพียูที่ทรงพลังมากขึ้นทำให้เราไม่สามารถแสดงภาพบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ไปยัง Netflix วิดีโอแชทสตรีมมิ่งและวิดีโอเกมที่เหมือนจริงมากขึ้น

ซีพียูเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรม แต่ที่สำคัญยังคงอาศัยแนวคิดพื้นฐานในการตีความสัญญาณไบนารี (1 และ 0) ความแตกต่างในตอนนี้คือแทนที่จะอ่านการ์ดเจาะหรือคำแนะนำในการประมวลผลด้วยชุดหลอดสุญญากาศซีพียูสมัยใหม่จะใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กเพื่อสร้างวิดีโอ TikTok หรือกรอกตัวเลขในสเปรดชีต

พื้นฐานของ CPU

การผลิตซีพียูมีความซับซ้อน ประเด็นสำคัญคือซีพียูแต่ละตัวมีซิลิกอน (ชิ้นเดียวหรือหลายชิ้น) ซึ่งมีทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กหลายพันล้านตัว

ตามที่เรากล่าวถึงก่อนหน้านี้ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ใช้ชุดของสัญญาณไฟฟ้า (ปัจจุบัน "เปิด" และ "ปิด" ปัจจุบัน) เพื่อแสดงรหัสไบนารีของเครื่องซึ่งประกอบด้วย 1 และ 0 เนื่องจากมีทรานซิสเตอร์เหล่านี้จำนวนมากซีพียูจึงสามารถทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นด้วยความเร็วที่สูงขึ้นกว่าเดิม

จำนวนทรานซิสเตอร์ไม่ได้แปลว่า CPU จะเร็วขึ้น อย่างไรก็ตามมันยังคงเป็นเหตุผลพื้นฐานที่โทรศัพท์ที่คุณพกอยู่ในกระเป๋าของคุณมีพลังในการประมวลผลมากกว่าที่ดาวเคราะห์ทั้งโลกทำเมื่อเราไปดวงจันทร์ครั้งแรก

ก่อนที่เราจะก้าวไปสู่ขั้นตอนแนวคิดของซีพียูต่อไปเรามาพูดถึงวิธีที่ CPU ดำเนินการตามคำแนะนำตามรหัสเครื่องที่เรียกว่า "ชุดคำสั่ง" ซีพียูจาก บริษัท ต่างๆสามารถมีชุดคำสั่งที่แตกต่างกันได้ แต่ก็ไม่เสมอไป

ตัวอย่างเช่นพีซี Windows ส่วนใหญ่และโปรเซสเซอร์ Mac ในปัจจุบันใช้ชุดคำสั่ง x86-64 ไม่ว่าจะเป็น CPU Intel หรือ AMD ก็ตาม อย่างไรก็ตาม Macs ที่เปิดตัวในปลายปี 2020 จะมี CPU ที่ใช้ ARM ซึ่งใช้ชุดคำสั่งที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังมีพีซี Windows 10 จำนวนเล็กน้อยที่ใช้โปรเซสเซอร์ ARM

ที่เกี่ยวข้อง: ไบนารีคืออะไรและทำไมคอมพิวเตอร์ถึงใช้มัน?

คอร์แคชและกราฟิก

ตอนนี้เรามาดูตัวซิลิกอนกัน แผนภาพด้านบนมาจากเอกสารไวท์เปเปอร์ของ Intel ที่ตีพิมพ์ในปี 2014 เกี่ยวกับสถาปัตยกรรม CPU ของ บริษัท สำหรับ Core i7-4770S นี่เป็นเพียงตัวอย่างของลักษณะของโปรเซสเซอร์ตัวหนึ่ง - โปรเซสเซอร์อื่น ๆ มีเค้าโครงที่แตกต่างกัน

เราจะเห็นว่านี่คือโปรเซสเซอร์สี่คอร์ มีช่วงเวลาที่ซีพียูมีเพียงคอร์เดียว ตอนนี้เรามีหลายคอร์จึงประมวลผลคำสั่งได้เร็วขึ้นมาก คอร์ยังสามารถมีสิ่งที่เรียกว่าไฮเปอร์เธรดหรือมัลติเธรดพร้อมกัน (SMT) ซึ่งทำให้คอร์หนึ่งดูเหมือนเป็นสองคอร์สำหรับพีซี ตามที่คุณอาจจินตนาการได้จะช่วยเร่งเวลาในการประมวลผลให้เร็วยิ่งขึ้น

แกนในแผนภาพนี้แชร์สิ่งที่เรียกว่าแคช L3 นี่คือรูปแบบของหน่วยความจำออนบอร์ดภายใน CPU ซีพียูยังมีแคช L1 และ L2 ที่อยู่ในแต่ละคอร์เช่นเดียวกับรีจิสเตอร์ซึ่งเป็นรูปแบบของหน่วยความจำระดับต่ำ หากคุณต้องการเข้าใจความแตกต่างระหว่างรีจิสเตอร์แคชและแรมของระบบโปรดดูคำตอบนี้ใน StackExchange

ซีพียูที่แสดงด้านบนยังมีตัวแทนระบบตัวควบคุมหน่วยความจำและส่วนอื่น ๆ ของซิลิกอนที่จัดการข้อมูลที่เข้ามาและออกไปจากซีพียู

ในที่สุดก็มีกราฟิกออนบอร์ดของโปรเซสเซอร์ซึ่งสร้างองค์ประกอบภาพที่ยอดเยี่ยมทั้งหมดที่คุณเห็นบนหน้าจอของคุณ ซีพียูบางตัวไม่มีความสามารถด้านกราฟิกของตัวเอง ตัวอย่างเช่นซีพียูเดสก์ท็อป AMD Zen จำเป็นต้องใช้การ์ดกราฟิกแยกเพื่อแสดงอะไรก็ได้บนหน้าจอ ซีพียูเดสก์ท็อป Intel Core บางรุ่นยังไม่มีกราฟิกออนบอร์ด

CPU บนเมนบอร์ด

ตอนนี้เราได้ดูว่าเกิดอะไรขึ้นภายใต้ฝากระโปรงของ CPU มาดูกันว่ามันรวมเข้ากับพีซีที่เหลือของคุณอย่างไร CPU อยู่ในสิ่งที่เรียกว่าซ็อกเก็ตบนเมนบอร์ดพีซีของคุณ

เมื่อเสียบเข้ากับซ็อกเก็ตแล้วส่วนอื่น ๆ ของคอมพิวเตอร์จะสามารถเชื่อมต่อกับ CPU ผ่านสิ่งที่เรียกว่า "บัส" ยกตัวอย่างเช่น RAM เชื่อมต่อกับซีพียูผ่านบัสของตัวเองในขณะที่ส่วนประกอบของพีซีจำนวนมากใช้บัสชนิดหนึ่งที่เรียกว่า“ PCIe”

CPU แต่ละตัวมีชุด“ PCIe lanes” ที่สามารถใช้ได้ ตัวอย่างเช่นซีพียู Zen 2 ของ AMD มี 24 เลนที่เชื่อมต่อโดยตรงกับซีพียู ช่องทางเหล่านี้ถูกแบ่งโดยผู้ผลิตเมนบอร์ดพร้อมคำแนะนำจาก AMD

ตัวอย่างเช่นโดยทั่วไปแล้ว 16 เลนจะใช้สำหรับสล็อตการ์ดกราฟิก x16 จากนั้นจึงมีสี่เลนสำหรับการจัดเก็บเช่นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่รวดเร็วเช่น M.2 SSD อีกทางเลือกหนึ่งคือสี่เลนนี้สามารถแยกได้ สามารถใช้สองเลนสำหรับ M.2 SSD และสองเลนสำหรับไดรฟ์ SATA ที่ช้ากว่าเช่นฮาร์ดไดรฟ์หรือ SSD ขนาด 2.5 นิ้ว

นั่นคือ 20 เลนโดยอีกสี่เลนสงวนไว้สำหรับชิปเซ็ตซึ่งเป็นศูนย์การสื่อสารและตัวควบคุมการจราจรสำหรับเมนบอร์ด จากนั้นชิปเซ็ตจะมีชุดการเชื่อมต่อบัสของตัวเองทำให้สามารถเพิ่มส่วนประกอบลงในพีซีได้มากขึ้น อย่างที่คุณคาดหวังส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าจะมีการเชื่อมต่อโดยตรงกับ CPU มากขึ้น

อย่างที่คุณเห็นซีพียูทำหน้าที่ประมวลผลคำสั่งเป็นส่วนใหญ่และบางครั้งแม้แต่กราฟิกก็ทำงานได้ (หากสร้างมาเพื่อสิ่งนั้น) อย่างไรก็ตาม CPU ไม่ใช่วิธีเดียวในการประมวลผลคำแนะนำ ส่วนประกอบอื่น ๆ เช่นการ์ดแสดงผลมีความสามารถในการประมวลผลบนบอร์ดของตัวเอง GPU ยังใช้ความสามารถในการประมวลผลของตัวเองเพื่อทำงานร่วมกับ CPU และรันเกมหรือทำงานที่ต้องใช้กราฟิกมาก ๆ

ความแตกต่างที่สำคัญคือโปรเซสเซอร์คอมโพเนนต์ถูกสร้างขึ้นโดยคำนึงถึงงานเฉพาะ อย่างไรก็ตามซีพียูเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานทั่วไปที่สามารถทำงานคอมพิวเตอร์ได้ทุกอย่างตามที่ขอให้ทำ นั่นเป็นเหตุผลที่ซีพียูครองตำแหน่งสูงสุดในพีซีของคุณและส่วนที่เหลือของระบบต้องอาศัยมันในการทำงาน