Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) иархитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц[1] и стоил 300 долл.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Каждый современный процессор состоит из устройств нескольких типов.
Исполнительные устройства, которые и осуществляют вычисления.
Устройства управления служат для того, чтобы исполнительные устройства получали и обрабатывали данные и команды в правильной последовательности.
Регистры (представляющие собой очень быстрые ячейки памяти) используются для хранения промежуточных результатов. Большинство команд процессора оперируют именно содержимым регистров.
Шина данных - это канал, предназначенный для связи с другими компонентами компьютера. Через него процессор получает нужную информацию и выдает результаты вычислений.
Кэш необходим для ускорения доступа процессора к часто используемым командам и данным. Он представляет собой очень быструю память, расположенную непосредственно на кристалле процессора.
Кроме того, у процессора есть дополнительные вычислительные модули (специализированные конвейеры), которые отвечают за выполнение специальных задач, например, при обработке видео.
 

Производители

Advanced Micro Devices, Inc. (AMD, дословный перевод «Передовые микроустройства»

Intel изначально было Integrated Electronics Спонсоры завтрашнего дня. 

НТЦ «Модуль» разработал и предлагает микропроцессоры семейства NeuroMatrix

ГУП НПЦ ЭЛВИС разрабатывает и производит микропроцессоры серии «Мультикор»

Семейство Loongson (Godson)

Семейство ShenWei (SW)

NEC VR (MIPS, 64 bit)

Hitachi VR (RISC)

россия Эльбрус

Гордон мур основатель intel вывел закон по которому кол-во транзисторов увеличивается в 2 раза каждые 18 месяцев. Транзисторы это как «переключатели» контролирующие маршруты электро импульсов внутри схемы

сегодгя транзисторов больше миллиарда на кристалле

двухтысячные

Архитектура NetBurst разрабатывалась, в первую очередь, с целью достижения высоких тактовых частот процессоров. Характерными особенностями архитектуры NetBurst являются гиперконвейеризация и применение кэша последовательностей микроопераций вместо традиционного кэша инструкций.АЛУ процессоров архитектуры NetBurst также имеет существенные отличия от АЛУ процессоров других архитектур. Также возможно применение технологии Hyper-threading.

Гиперконвейеризация (англ. Hyper Pipelining).

Процессоры Pentium 4 на ядрах Willamette и Northwood имеют конвейер глубиной 20 стадий, а процессоры на ядрах Prescott и Cedar Mill — 31 стадию. При этом стадии декодирования инструкций не учитываются: в связи с применением кэша последовательностей микроопераций, декодер (англ. Instruction decoder) вынесен за пределы конвейера. Это позволяет процессорам Pentium 4 достигать более высоких тактовых частот по сравнению с процессорами, имеющими более короткий конвейер при одинаковой технологии производства. Так, например, максимальная тактовая частота процессоров Pentium III на ядре Coppermine (180 нм. технология) составляет 1333 МГц, а процессоры Pentium 4 на ядре Willamette способны работать на частоте, превышающей 2000 МГц.

КЭШ 1 го уровня

Sandy Bridge 

— микроархитектура центральных процессоров, разработанная фирмой Intel. Основана на 32-нм технологическом процессе, содержит встроенный видеоускоритель. Анонсирована 3 января 2011 года. Процессоры этой архитектуры продаются на рынке под торговыми марками Core i7/Core i5/Core i3/Pentium/Celeron.

Первый дизайн ядер на основе этой архитектуры представляет сочетание CPU с частотой до 3,5 ГГц, обладающего 2-4 ядрами и высокопроизводительногоGPU с частотой до 1,35 ГГц (Intel HD Graphics 2000, для K серии — HD Graphics 3000), также в чип интегрирован северный мост набора системной логики(контроллер PCI Express 2.0 и двухканальный контроллер памяти стандарта DDR3 SDRAM с частотой до 1333 МГц). Каждое ядро имеет по 256 КБ кэша второго уровня и до 8 МБ объединенного кэша третьего уровня. Процессор, графика, кэш-память и контроллеры выполнены на единой кремниевой подложке площадью 216 мм². Энергопотребление данного дизайна не выходит за пределы 130 Вт для топовых моделей.

CPU Package - Упаковка процессора

Рассмотрим современный процессор - например, AMD Duron, работающий на тактовой частоте 1ГГц.

В центре чипа находится то, что обычно называется "ядром". Это тот кусок кремния, в котором и происходят все вычисления, запросы на загрузку и хранение, ветвления.

В нашем случае, кремний связан с остальной частью чипа (обычно обозначаемой термином "упаковка") по технологии flip-chip - "перевернутое ядро". Технология получила такое название потому, что видимая часть ядра на самом деле является его дном, ядро процессора перевернуто вверх тормашками, чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи - важной детали с учетом того количество тепла, которое выделяет современный процессор.

С невидимой стороны находится сам "интерфейс" - соединение кристалла и упаковки. Представьте, на крошечной пластине кремния нашего Duron находится 25, 18 миллионов транзисторов, и часть из них надо соединить с упаковкой, где находятся ножки процессора - для связи с внешним миром. Соединение ядра процессора с его упаковкой в нашем случае выполнено с помощью столбиковых выводов ("Solder Bumps"). Часто их просто называют выводами (bumps). В нашем конкретном случае таких выводов на нижней части кремния - около трех тысяч. Для сравнения в Pentium 4 таких выводов около пяти тысяч, а в Intel Itanium - около семи с половиной тысяч выводов. Конечно же, размер выводов крайне мал, а их расположение точно вымерено. С увеличением сложности самого процессора, сложнее становится и размещать эти выводы. Запомните этот факт, впоследствии мы еще вернемся к нему.

Так как вся работа процессора выполняется на кристалле, здесь рассеивается довольно большое количество тепла. Если во время работы процессора прикоснуться к его упаковке, она не покажется вам слишком горячей, но если бы вы задели ядро процессора - вы бы почувствовали разницу. Такая разница в температуре становится причиной некоторых проблем. Как вы знаете, в зависимости от температуры, тела имеют обыкновение сжиматься и расширяться. Поэтому если ядро работает при температуре 50 градусов, а упаковка нагрета лишь до 27, скорее всего возникнут проблемы - ядро будет расширяться с одной скоростью, а упаковка - с другой. Если не принять это во внимание, что-нибудь может просто-напросто треснуть.

Настал черед поговорить о голубом или красном веществе, окружающем ядро. Можно заметить, что оно закрывает ядро со всех сторон, и даже "размазано" несколько дальше. Это вещество называется недоливком (Underfill). Вещество это предназначено для уменьшения давления, и находится оно между ядром и упаковкой, а также вокруг основания соединения ядра с упаковкой - для компенсации разницы температур. Так как это недоливок играет определенную роль при соединении ядра с упаковкой, проблемы с этим веществом могут стать причиной дефекта процессора. Это как раз тот случай, когда на качество ядра жаловаться не приходится, но качество самого процессора оказывается удручающим.

И, наконец, мы добрались до материала, из которого выполнена сама упаковка или подложка. В нашем случае, упаковка выполнена из керамики, но в процессорах Intel начиная с P54C (последние версии Pentium Classic) упаковка сделана из органических веществ - от этого она становятся легче, кроме того, у них появились и другие преимущества. Но об этом позднее.