Cos'è un'unità di elaborazione centrale (CPU)?

• Con data storage si fa riferimento all'atto di conservare le informazioni in modo che possano essere facilmente accessibili in un secondo momento o persino conservate a tempo indeterminato. I computer si basano su due tipi di storage, classificati come storage primario o storage secondario. Lo storage primario (noto anche come memoria principale, o "the main") contiene le istruzioni operative o il recupero dei dati. La CPU interagisce regolarmente con lo storage primario per ottenere l'accesso a tali dati.
• La memoria è un'allocazione di file informatici da cui è possibile estrarre e utilizzare istruzioni operative specifiche o altre forme di informazioni digitali. La memoria di solito assume il ruolo di storage a breve termine per i file a cui si accede più spesso durante l'utilizzo del computer. Quando un dato entra per la prima volta in un sistema operativo, viene inserito nella memoria ad accesso casuale (RAM) di quel sistema operativo.

Anche in questo caso, la CPU assomiglia al cervello umano in quanto entrambi hanno una memoria a breve termine e una memoria a lungo termine. La memoria operativa standard di una CPU memorizza solo i dati RAM "sul momento", in modo simile alla memoria a breve termine di una persona, prima di eliminarli periodicamente dalla memoria cache del computer.

Lo storage secondario è simile alla memoria a lungo termine negli esseri umani e comporta la conservazione permanente o a lungo termine dei dati memorizzandoli su dispositivi di storage secondari, come i dischi rigidi. I dispositivi di output come i dischi rigidi offrono uno storage permanente. Lo storage permanente prevede una memoria di sola lettura (ROM), che consente di accedere ai dati ma non consente di modificarli.

La funzionalità della CPU è gestita dall'unità di controllo, mentre il clock del computer fornisce assistenza alla sincronizzazione. Il lavoro della CPU avviene secondo un ciclo stabilito, noto come ciclo di istruzioni della CPU, che richiede un certo numero di ripetizioni delle seguenti istruzioni di elaborazione di base, come consentito dalla potenza di elaborazione di quel computer:

• Fetch: i fetch si verificano ogni volta che i dati vengono recuperati dalla memoria.
• Decodifica: il decodificatore all'interno della CPU traduce le istruzioni binarie in segnali elettrici che coinvolgono altre parti della CPU.
• Esecuzione: l'esecuzione si verifica quando i computer interpretano ed eseguono l'insieme di istruzioni di un programma per computer.

Va detto che con alcune semplici modifiche, il clock del computer all'interno di una CPU può essere manipolato per far trascorrere il tempo più velocemente di quanto avvenga normalmente. Alcuni utenti lo fanno per far funzionare il proprio computer a velocità più elevate. Tuttavia, questa pratica è sconsigliata in quanto può causare l'usura precoce di alcune parti del computer e può persino invalidare la garanzia del produttore della CPU.

I computer sono ormai considerati una parte fondamentale della vita contemporanea, tanto che sembra che siano sempre stati con noi. Ma ovviamente non è così.

Si è detto che tutta la tecnologia poggia sulle spalle dei giganti. Ad esempio, nella storia dell'informatica ci sono stati dei primi visionari i cui vari esperimenti e scritti hanno contribuito a plasmare la successiva generazione di pensatori che hanno poi coltivato ulteriori idee sul potenziale dell'informatica e così via.

Nell'era moderna, la storia dell'informatica è iniziata durante un conflitto. La Seconda Guerra Mondiale era in pieno svolgimento quando il governo degli Stati Uniti assunse un gruppo della Moore School of Electrical Engineering presso l'Università della Pennsylvania. La loro missione prevedeva la costruzione di un computer completamente elettronico in grado di calcolare con precisione le distanze per le tabelle di gittata dell'artiglieria. I lavori iniziarono all'inizio del 1943, sotto la guida del fisico John Mauchly e dell'ingegnere J. Presper Eckert, Jr.

La macchina calcolatrice che completarono all'inizio del 1946 si chiamava ENIAC (link esterno a ibm.com) e rappresentò un'enorme innovazione.

Il costo di ENIAC fu pari a 400.000 USD (equivalenti a circa 6,7 milioni di USD nel 2024, se adeguati all'inflazione). Fu costruito in un seminterrato della Moore School, occupando ben 140 metri quadrati di superficie. Richiese un numero impressionante di componenti per computer, tra cui oltre 17.000 valvole termoioniche, 70.000 resistori, 10.000 condensatori, 6.000 interruttori e 1.500 relè. Le valvole termoioniche producevano così tanto calore che l'ENIAC richiedeva un proprio sistema di climatizzazione speciale.

Nonostante avesse una CPU primitiva, l'ENIAC era una meraviglia per l'epoca ed era in grado di elaborare fino a 5.000 equazioni al secondo. Alla fine della Seconda Guerra Mondiale, l'ENIAC fu immediatamente arruolato dagli americani nella Guerra Fredda che stava iniziando. Il suo primo incarico fu quello di eseguire calcoli relativi alla costruzione di una nuova arma: la bomba all'idrogeno, dotata di un impatto esplosivo mille volte superiore a quello della bomba atomica.

L'ENIAC aveva dimostrato cosa poteva fare un computer applicato in ambito militare. Ben presto, lo stesso team di Eckert e Mauchly fondò la propria azienda per mostrare al mondo come un computer potesse avere un impatto positivo sul mondo degli affari.

La creazione di punta della Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC), l'UNIVAC 1 (di solito chiamato semplicemente "UNIVAC"), era una versione più piccola ed economica dell'ENIAC con vari miglioramenti che riflettevano la tecnologia in evoluzione di quel tempo.

Per prima cosa, rendeva l'immissione dei dati più semplice ed espressiva, includendo dispositivi I/O come la tastiera di una macchina da scrivere elettrica, fino a 10 unità nastro UNISERVO per l'archiviazione dei dati e un convertitore da nastro a scheda che avrebbe consentito alle aziende di utilizzare schede perforate oltre ai nastri di archiviazione magnetici.

Come il suo predecessore, l'UNIVAC (link esterno a ibm.com) richiedeva ancora una grande quantità di spazio (35 metri quadrati), ma si trattava di una notevole riduzione delle dimensioni rispetto all'ENIAC. Tuttavia, l'UNIVAC, con tutti i suoi extra, costava notevolmente di più dell'ENIAC, ovvero circa 1,5 milioni di USD (che corrispondono a circa 11,6 milioni di USD attuali).

Tuttavia, per quella cifra, l'UNIVAC era in grado di fare cose sorprendenti. In particolare, CBS News lo utilizzò per prevedere con precisione le elezioni presidenziali degli Stati Uniti del 1952. I sondaggi Gallup convenzionali avevano previsto un'elezione serrata, ma l'UNIVAC sbalordì tutti i giornalisti anticipando una vittoria schiacciante di Dwight D. Eisenhower, che è esattamente ciò che accadde. Nessuno se lo aspettava, tranne l'UNIVAC. L'evento sbalordì il pubblico, che da un giorno all'altro iniziò ad apprezzare le incredibili capacità di analisi e previsioni che i computer potevano offrire.

Nonostante l'aspetto più elegante, l'UNIVAC era comunque imponente: pesava poco più di 8 tonnellate e richiedeva 125 kW di energia. L'UNIVAC 1 fu presentato nel 1951, con il primo modello acquistato dall'Ufficio del Censimento degli Stati Uniti. Sfortunatamente, l'uso dell'UNIVAC fu complicato da un grave difetto di progettazione: le valvole termoioniche in vetro che utilizzava erano soggette a vari tipi di rotture e producevano notevoli quantità di calore in eccesso.

Fortunatamente, la rivoluzione successiva delle CPU avrebbe affrontato direttamente questo problema.

Sia i creatori dell'ENIAC che i creatori dell'UNIVAC avevano affrontato gli stessi problemi con le valvole termoioniche, perché all'epoca non c'era alcuna alternativa praticabile. Tutto cambiò nel 1953, quando un ricercatore dell'Università di Manchester dimostrò di aver trovato un modo per costruire un computer completamente basato su transistor (link esterno a ibm.com). La creazione di Richard Grimsdale era una macchina a 48 bit che conteneva 92 transistor e 550 diodi e nessuna valvola termoionica in vetro.

I transistor avevano iniziato a essere prodotti in serie all'inizio degli anni '50, ma il loro uso era originariamente complicato dal materiale utilizzato: il germanio, che era difficile da purificare e doveva essere conservato entro un intervallo di temperatura preciso.

All'inizio del 1954, gli scienziati dei Bell Laboratories iniziarono a sperimentare con il silicio, che alla fine sarebbe stato adottato per la produzione di chip per computer. Ma le cose non decollarono davvero finché Mohamed Atalia e Dawon Kahng dei Bell Laboratories non perfezionarono ulteriormente l’uso del silicio e crearono il metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (o MOSFET, o transistor MOS).

I due ingegneri costruirono un prototipo funzionante alla fine del 1959 e all'inizio del 1960 fu presentato al mondo, inaugurando l'era dei transistor che sarebbe iniziata con il nuovo decennio. Verso la fine di quel decennio, il transistor era ampiamente utilizzato ovunque.

In effetti, il MOSFET è diventato così universalmente popolare e adottato a livello globale nel corso dei decenni che da allora è stato celebrato come "il dispositivo più prodotto della storia" (link esterno a ibm.com) dal Computer History Museum. Secondo una stima del 2018, il totale di transistor MOS prodotti ammontava a 13 sestilioni.

Per quanto riguarda la progettazione delle CPU, i transistor hanno rappresentato una vera svolta, liberando l'informatica dalle sue origini ingombranti e sovradimensionate e consentendo la creazione di computer dal design più elegante, che richiedevano meno spazio e funzionavano in modo più efficiente.

L'UNIVAC è stato una rivelazione per i suoi tempi, nonostante i suoi difetti e le sue enormi dimensioni. Una fase successiva ha visto la creazione di schede madri più piccole e l'utilizzo di diversi chip per computer. Questo ha portato infine allo sviluppo del chipset, un singolo chip con molteplici usi. Ormai, le CPU moderne sono state miniaturizzate così bene che la CPU stessa, nella sua interezza, è alloggiata all'interno di un piccolo chip a circuito integrato, noto come microprocessore.

I microprocessori sono classificati in base al numero di core che supportano. Un core CPU è il "cervello nel cervello", che ha funzione di unità di elaborazione fisica all'interno di una CPU. I microprocessori possono contenere più processori. Un core fisico, invece, è una CPU integrata in un chip, ma che occupa solo un socket, consentendo così ad altri core fisici di attingere allo stesso ambiente di elaborazione.

È opportuno precisare che il termine "microprocessore" non va confuso con "microcontrollore". Un microcontrollore è un computer molto piccolo basato su un singolo circuito integrato. I microcontrollori in genere contengono almeno una CPU, insieme alla relativa memoria e ai dati I/O programmabili.

Ecco alcuni degli altri termini principali utilizzati in relazione ai microprocessori:

• Processori single-core: i processori single-core contengono una singola unità di elaborazione. In genere sono caratterizzati da prestazioni più lente, vengono eseguiti su un singolo thread ed eseguono il ciclo di istruzioni della CPU uno alla volta.
• Processori dual-core: i processori dual-core sono dotati di due unità di elaborazione contenute in un circuito integrato. Entrambi i core vengono eseguiti contemporaneamente, raddoppiando di fatto le prestazioni.
• Processori quad-core: i processori quad-core contengono quattro unità di elaborazione all'interno di un singolo circuito integrato. Tutti i core vengono eseguiti contemporaneamente, quadruplicando le prestazioni.
• Processori multi-core: i processori multi-core sono circuiti integrati dotati di almeno due core di processore, che consentono loro di fornire prestazioni eccezionali utilizzando meno energia.

I thread possono essere considerati sequenze virtuali di istruzioni inviate a una CPU. Principalmente, sono un modo per dividere i workload e condividere tali responsabilità tra diversi processori.

Due termini correlati sono multithreading e hyper-threading. Nel primo caso, i compiti vengono suddivisi in thread distinti ed eseguiti in parallelo. L'hyper-threading consente di ottenere vantaggi in termini di prestazioni ancora maggiori perché i processori vengono utilizzati per eseguire due thread contemporaneamente.

Le unità di elaborazione grafica (GPU) sono progettate per accelerare e migliorare la grafica del computer e le immagini elaborate. La GPU è uno speciale circuito elettronico che può essere utilizzato sulle schede madri, ma anche nei PC e nelle console di gioco.

A volte si pensa che la tecnologia delle CPU, essendo ben consolidata, sia ormai stagnante. Tuttavia, è evidente che l'innovazione è costante: vengono creati sempre nuovi prodotti che cercano di offrire la migliore CPU (o microprocessore) possibile. Le seguenti aziende si impegnano in modo continuo in tal senso:

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD produce microprocessori Ryzen sin dalla sua fondazione nel 2017. I prodotti AMD Ryzen più noti (ad esempio Ryzen 7 e Ryzen 9) sono stati apprezzati dai videogiocatori per la loro affidabilità nell'esecuzione di azioni di gioco ad alta velocità, mentre il processore Ryzen 5 1600 ha ottenuto ottimi risultati tra coloro che lavorano nello sviluppo software.
• Qualcomm: in termini di produzione pura, Qualcomm è attualmente in testa a un gruppo numeroso di produttori che operano tutti nel settore delle CPU. A maggio 2024, i dati delle percentuali di clic sui computer indicavano che Qualcomm deteneva un'impressionante quota di clic del 37,4%, più del doppio della quota del suo rivale più vicino.
• Arm: in questo mercato, la velocità è una virtù trainante. E sebbene Arm non produca effettivamente microprocessori, offre un modo per ottenere in licenza e utilizzare la sua tecnologia di chip, in modo che aziende terze possano assicurarsi di beneficiare dei tempi di elaborazione incredibilmente rapidi offerti dai microprocessori progettati da Arm.
• Intel: Intel è un nome leader nella produzione di chip per computer da decenni, avendo iniziato a produrre chip nel 1975. Processori come l'Intel Core i5 (introdotto nel 2009) hanno dimostrato una perfetta compatibilità con programmi che richiedono una maggiore potenza di elaborazione, come i programmi di editing video e i programmi di sviluppo software.