Cos'è una CDN?
Una unità di elaborazione centrale (CPU), è un componente hardware che rappresenta l'unità computazionale principale di un server. I server e altri dispositivi intelligenti convertono i dati in segnali digitali ed eseguono operazioni matematiche su di essi. La CPU è il componente principale che elabora i segnali e rende possibile il calcolo. Agisce in qualità di cervello in qualsiasi dispositivo informatico. Recupera le istruzioni dalla memoria, esegue le attività richieste e rimanda l'output alla memoria. Gestisce tutte le attività informatiche necessarie per l'esecuzione del sistema operativo e delle applicazioni.
Come si è evoluta la tecnologia delle CPU nel tempo?
I primi computer utilizzavano tubi a vuoto per l'elaborazione. Macchine come l'ENIAC e l'UNIVAC erano grandi e ingombranti, consumavano molta energia e generavano un notevole calore. L'invenzione dei transistor alla fine degli anni '40 ha rivoluzionato la tecnologia delle CPU. I transistor hanno sostituito i tubi a vuoto, rendendo i computer più piccoli, più affidabili e più efficienti dal punto di vista energetico. A metà degli anni '60, furono sviluppati circuiti integrati (IC, Integrated Circuit) che combinavano più transistor e altri componenti in un singolo chip per computer. Le CPU sono diventate ancora più piccole e veloci, portando alla nascita dei microprocessori.
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Microprocessori
I microprocessori combinavano l'intera CPU su un singolo chip IC, il che rese i computer più accessibili e portò allo sviluppo dei personal computer. Inizialmente, le CPU potevano gestire da 16 a 32 bit di dati alla volta. All'inizio degli anni 2000 sono apparse le CPU a 64 bit, che hanno consentito un indirizzamento della memoria più ampio e hanno supportato un'elaborazione dei dati più estesa.
Con l'aumento della densità dei transistor, è diventato difficile aumentare ulteriormente le prestazioni della CPU single-core. I produttori di CPU hanno invece iniziato a utilizzare architetture di processori multi-core per integrare più core in un singolo chip.
Processori moderni
Con la diffusione dei dispositivi mobili, l'efficienza energetica è diventata fondamentale. I produttori ora sviluppano CPU a basso consumo ed efficienti dal punto di vista energetico per dispositivi portatili moderni come smartphone e tablet.
Vista la crescente diffusione dell'intelligenza artificiale (IA) e delle attività ad alta intensità grafica, per gestire i carichi di lavoro ora vengono utilizzate CPU specializzate come le unità di elaborazione grafica (GPU) e gli acceleratori di IA.
La continua ricerca e lo sviluppo nel campo delle nanotecnologie e della scienza dei materiali hanno aperto la strada a transistor microscopici e a CPU più potenti. Il calcolo quantistico e altre tecnologie emergenti hanno il potenziale per sviluppare ulteriormente la tecnologia dei processori per computer.
Quali sono i componenti di una CPU?
Una CPU è un circuito elettronico complesso che comprende diversi componenti chiave che elaborano i dati ed eseguono le istruzioni. Di seguito vengono indicati i componenti principali di una CPU.
Unità di controllo
L'unità di controllo gestisce l'elaborazione delle istruzioni e coordina il flusso di dati all'interno della CPU e tra altri componenti del computer. Dispone di un componente di decodifica delle istruzioni che interpreta le istruzioni recuperate dalla memoria e le converte in microoperazioni eseguibili dalla CPU. L'unità di controllo indirizza gli altri componenti della CPU a eseguire le operazioni richieste.
Registri
I registri sono piccole locazioni di memoria ad alta velocità all'interno della CPU. Contengono i dati su cui la CPU sta attualmente lavorando e facilitano l'accesso rapido ai dati. Le CPU hanno diversi tipi di registri, come questi:
- Registri generici che contengono dati operativi
- Registri delle istruzioni che contengono l'istruzione corrente in fase di elaborazione
- Un program counter che contiene l'indirizzo di memoria dell'istruzione successiva da recuperare
I registri offrono tempi di accesso più rapidi rispetto ad altri livelli di memoria come la RAM o la memoria cache.
ALU
L'unità logica aritmetica (ALU) esegue operazioni aritmetiche di base (addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione) e operazioni logiche (E, O e NO) sui dati. Riceve i dati dai registri all'interno della CPU, li elabora in base alle istruzioni dell'unità di controllo e produce il risultato.
Unità di gestione della memoria
A seconda dell'architettura della CPU, potrebbe esserci un'unità di interfaccia bus o un'unità di gestione della memoria separata. Questi componenti gestiscono attività relative alla memoria, come la gestione dell'interazione tra CPU e RAM. Gestiscono anche la memoria cache, una piccola e veloce unità di memoria situata all'interno della CPU, e la memoria virtuale richiesta dalla CPU per l'elaborazione dei dati.
Clock
La CPU si basa su un segnale clock per sincronizzare le sue operazioni interne. Clock genera un impulso costante a una frequenza specifica e questi cicli di clock coordinano le operazioni della CPU. La velocità clock viene misurata in hertz (Hz) e determina quante istruzioni la CPU può eseguire al secondo. Le CPU moderne hanno velocità clock variabili, che si regolano in base al carico di lavoro per bilanciare prestazioni e consumo energetico.
Come funziona una CPU?
I processori dei computer interagiscono con altri componenti hardware e programmi software per elaborare i dati e gestire il flusso di informazioni all'interno dei dispositivi elettronici. In genere funzionano in cicli, con ogni ciclo di istruzioni che rappresenta tre fasi principali.
Ciclo del processore core
Di seguito vengono riportati i passaggi fondamentali di un ciclo di istruzioni.
Recupero delle istruzioni
La CPU recupera le istruzioni dalla memoria. Le istruzioni sono codici binari che rappresentano attività od operazioni specifiche per la CPU. L'unità di controllo interpreta le istruzioni e determina l'operazione da eseguire. Identifica inoltre i componenti specifici della CPU necessari per l'attività.
Elaborazione delle istruzioni
La CPU esegue l'operazione specificata sui dati recuperati. Esegue calcoli matematici, confronti logici, manipolazione di dati o trasferimento di dati tra registri o posizioni di memoria.
Archiviazione dei risultati
Dopo aver eseguito le istruzioni, la CPU potrebbe dover archiviare i risultati in memoria o aggiornare registri specifici con i nuovi dati. Il program counter (PC) viene aggiornato per puntare all'indirizzo dell'istruzione successiva da recuperare. La CPU ripete il ciclo e recupera, decodifica ed esegue le istruzioni in sequenza.
Funzioni aggiuntive del processore
La CPU può anche gestire istruzioni del flusso di controllo come salti e diramazioni insieme a interruzioni, segnali generati da dispositivi esterni o eventi che richiedono attenzione immediata. Quando si verifica un'interruzione, la CPU sospende temporaneamente l'attività corrente, ne salva lo stato e passa a una routine di servizio di interruzione. Dopo aver elaborato l'interrupt, la CPU riprende l'attività precedente.
Le CPU moderne utilizzano spesso tecniche come il parallelismo e la pipelining delle istruzioni per migliorare le prestazioni. Più istruzioni possono trovarsi contemporaneamente in diverse fasi del ciclo, il che consente un uso più efficiente delle risorse della CPU.
Quali sono alcune funzionalità avanzate della CPU?
La migliore CPU eccelle in termini di prestazioni, efficienza e flessibilità, consentendole di gestire efficacemente un'ampia gamma di attività di calcolo. Successivamente illustriamo alcune funzionalità avanzate.
Core
Mentre in passato un processore single-core era lo standard, oggi tutte le CPU hanno più core fisici. Un core è una singola unità di elaborazione all'interno di una CPU. Più core consentono alla CPU di gestire più thread (sequenze di istruzioni) in parallelo, migliorando significativamente le prestazioni complessive. Le applicazioni possono sfruttare il design multi-core suddividendo le attività in sottoattività più piccole che possono essere completate contemporaneamente.
Hyper-threading
L'hyper-threading è un'implementazione del multithreading simultaneo, sviluppata da Intel, che consente a ciascun core della CPU di eseguire più thread contemporaneamente. Consente a ciascun core fisico di apparire come due core virtuali nel sistema operativo. Il software utilizza le risorse hardware disponibili in modo più efficiente.
Set di istruzioni avanzate
Le moderne CPU dispongono anche di set di istruzioni e tecnologie avanzate progettate per accelerare attività specifiche. Questi set di istruzioni vanno oltre le operazioni aritmetiche e logiche fondamentali, fornendo funzionalità aggiuntive per gestire calcoli complessi in modo più efficiente.
Ad esempio, le CPU possono includere set di istruzioni specifici per queste attività:
- Attività multimediali, come la decodifica video, la codifica audio e l'elaborazione delle immagini.
- Algoritmi di crittografia e decrittografia, come Advanced Encryption Standard (AES) e Secure Hash Algorithm (SHA).
- Attività SIMD (Single Instruction, Multiple Data) che richiedono alla CPU di eseguire contemporaneamente la stessa operazione su set di dati di grandi dimensioni. Si tratta di attività come il rendering grafico, le simulazioni scientifiche e l'elaborazione digitale dei segnali.
- Virtualizzazione, che consente alle macchine virtuali (VM) di funzionare in modo più efficiente.
- Carichi di lavoro di intelligenza artificiale come le operazioni di rete neurale.
In che modo AWS può supportare i requisiti del processore?
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