Tipi di unità di elaborazione centrale (CPU)

L'unità centrale di elaborazione (CPU) è il cervello del computer. Si occupa dell'assegnazione e dell'elaborazione delle attività e gestisce le funzioni operative che tutti i tipi di computer utilizzano.

I tipi di CPU sono designati in base al tipo di chip che utilizzano per l'elaborazione dei dati. È disponibile un'ampia varietà di processori e microprocessori, con nuovi potenti processori sempre in fase di sviluppo. La potenza di elaborazione fornita dalle CPU consente ai computer di svolgere attività multitasking. Prima di parlare dei tipi di CPU disponibili, è necessario chiarire alcuni termini di base che sono essenziali per la comprensione dei tipi di CPU.

La CPU è costituita da numerosi elementi, ma si tratta di aspetti particolarmente critici per il funzionamento della CPU e per la comprensione del suo funzionamento:

• Cache: quando si tratta di recuperare le informazioni, le cache di memoria sono indispensabili. Le cache sono aree di archiviazione la cui posizione consente agli utenti di accedere rapidamente ai dati utilizzati di recente. Le cache memorizzano i dati in aree di memoria integrate nel chip del processore della CPU per raggiungere velocità di recupero dei dati ancora più veloci di quelle raggiungibili dalla memoria ad accesso casuale (RAM). Le cache possono essere create tramite sviluppo software o componenti hardware.

• Velocità di clock: tutti i computer sono dotati di un orologio interno, che regola la velocità e la frequenza delle operazioni del computer. Il clock gestisce il sistema di circuiti della CPU attraverso l'invio di impulsi elettrici. La velocità di erogazione di tali impulsi è definita come velocità di clock, misurata in Hertz (Hz) o megahertz (MHz). Tradizionalmente, un modo per aumentare la velocità di elaborazione consiste nell'impostare l'orologio in modo che funzioni più velocemente del normale.

• Core: i core fungono da processore all'interno del processore. I core sono unità di elaborazione che leggono ed eseguono varie istruzioni del programma. I processori vengono classificati in base al numero di core in essi incorporati. Le CPU con più core possono elaborare le istruzioni in modo notevolmente più rapido rispetto ai processori single-core. (Nota: il termine "Intel Core" viene utilizzato per commercializzare la linea di CPU multi-core di Intel.)

• Thread: i thread sono le sequenze più brevi di istruzioni programmabili che lo scheduler di un sistema operativo può amministrare e inviare in modo indipendente alla CPU per l'elaborazione. Attraverso il multithreading, ovvero l'utilizzo di più thread in esecuzione simultanea, è possibile eseguire contemporaneamente un processo informatico. L'hyper-threading si riferisce alla forma proprietaria di multithreading di Intel per la parallelizzazione dei calcoli.

Altri componenti della CPU

Oltre ai componenti di cui sopra, le CPU moderne contengono in genere i seguenti elementi:

• Unità aritmetica/logica (ALU): esegue tutte le operazioni aritmetiche e logiche, comprese le equazioni matematiche e i confronti basati sulla logica. Entrambi i tipi sono legati ad azioni specifiche del computer.
• Bus: garantisce il corretto trasferimento e il flusso di dati tra i componenti di un sistema informatico.
• Unità di controllo: contiene un sistema di circuiti intensivo che controlla il sistema informatico emettendo un sistema di impulsi elettrici e istruisce il sistema ad eseguire istruzioni informatiche di alto livello.
• Puntatore e registro delle istruzioni: visualizza la posizione del prossimo set di istruzioni da eseguire da parte della CPU.
• Unità di memoria: gestisce l'utilizzo della memoria e il flusso di dati tra la RAM e la CPU. Inoltre, l'unità di memoria sovrintende alla gestione della memoria cache.
• Registri: fornisce una memoria permanente integrata per esigenze di dati costanti e ripetuti che devono essere gestiti regolarmente e immediatamente.

Le CPU utilizzano un ciclo di comandi ripetuti amministrato dall'unità di controllo in associazione con l'orologio del computer, che fornisce assistenza nella sincronizzazione.

Il lavoro svolto da una CPU avviene secondo un ciclo stabilito (chiamato ciclo di istruzioni della CPU). Il ciclo di istruzioni della CPU designa un certo numero di ripetizioni e questo è il numero di volte in cui le istruzioni di elaborazione di base verranno ripetute, secondo quanto abilitato dalla potenza di elaborazione di quel computer.

Le tre istruzioni di elaborazione di base sono le seguenti:

• 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 interagiscono con altre parti della CPU.
• Esecuzione: l'esecuzione si verifica quando i computer interpretano ed eseguono l'insieme di istruzioni di un programma per computer.

I tentativi di base di generare velocità di elaborazione più elevate hanno indotto alcuni proprietari di computer a rinunciare alle consuete fasi di creazione di prestazioni ad alta velocità, che normalmente richiedono l'applicazione di più core di memoria. Invece, questi utenti regolano l'orologio del computer in modo da renderlo più veloce sulla loro macchina. Il processo di “overclocking” è analogo al “jailbreak” degli smartphone per modificarne le prestazioni. Purtroppo, come nel caso del jailbreak di uno smartphone, questo tipo di intervento è potenzialmente dannoso per il dispositivo e viene disapprovato dai produttori di computer.

Le CPU sono definite dal processore o microprocessore che le gestisce:

• Processore single-core: un processore single-core è un microprocessore con una CPU integrata (il materiale a base di silicio a cui sono collegati chip e microchip). I processori single-core in genere funzionano più lentamente dei processori multi-core, operano su un singolo thread ed eseguono la sequenza di cicli di istruzioni una sola volta alla volta. Sono più adatti all'informatica per scopi generici.
• Processore multi-core: un processore multi-core è suddiviso in due o più sezioni di attività, con ciascun core che esegue le istruzioni come se fossero computer completamente distinti, anche se le sezioni sono tecnicamente collocate insieme su un unico chip. Per molti programmi informatici, un processore multi-core offre un risultato superiore e ad alte prestazioni.
• Processore incorporato: un processore incorporato è un microprocessore espressamente progettato per essere utilizzato nei sistemi embedded. I sistemi embedded sono piccoli e progettati per consumare meno energia ed essere contenuti all'interno del processore per un accesso immediato ai dati. I processori embedded includono microprocessori e microcontroller.
• Processore dual-core: un processore dual-core è un processore multi-core contenente due microprocessori che agiscono indipendentemente l'uno dall'altro.
• Processore quad-core: un processore quad-core è un processore multi-core con quattro microprocessori che funzionano in modo indipendente.
• Octa-core: un processore octa-core è un processore multi-core con otto microprocessori che funzionano in modo indipendente.
• Processore deca-core: un processore deca-core è un circuito integrato che dispone di 10 core su un die o su un pacchetto.

Sebbene diverse aziende producano prodotti o sviluppino software che supportano le CPU, negli ultimi anni il numero si è ridotto a pochi attori principali.

Le due aziende principali in questo settore sono Intel e Advanced Micro Devices (AMD). Ognuno di essi utilizza un diverso tipo di architettura del set di istruzioni (ISA). I processori Intel utilizzano un'architettura CISC (Compless Instruction Set Computer). I processori AMD seguono un'architettura RISC (Riduced Instructions Set Computer).

• Intel: Intel vende processori e microprocessori attraverso quattro linee di prodotti. La sua linea premium di fascia alta è Intel Core. I processori Intel Xeon sono destinati ad uffici e aziende. Le linee Celeron e Intel Pentium di Intel sono considerate più lente e meno potenti della linea Core.

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD vende processori e microprocessori attraverso due tipi di prodotti: CPU e APU (che sta per unità di elaborazione accelerata). Le APU sono CPU dotate di grafica Radeon proprietaria. I processori Ryzen di AMD sono microprocessori ad alta velocità e ad alte prestazioni destinati al mercato dei videogiochi. I processori Athlon erano considerati in passato la linea di fascia alta di AMD, ma ora AMD li utilizza come alternativa di base per il computing.

• Arm: anche se Arm non produce realmente apparecchiature, concede in leasing i suoi preziosi e avanzati progetti di processori e/o altre tecnologie proprietarie ad altre società che producono attrezzature. Apple, ad esempio, non utilizza più chip Intel nelle CPU Mac, ma produce i propri processori personalizzati basati su progetti Arm. Altre società stanno seguendo questo esempio.

Unità di elaborazione grafica (GPU)

Sebbene il termine “unità di elaborazione grafica” includa la parola “grafica”, questa formulazione non coglie veramente l'essenza delle GPU, ovvero la velocità. In questo caso, la maggiore velocità è la causa dell'accelerazione della grafica computerizzata.

La GPU è un tipo di circuito elettronico con applicazioni immediate per PC, smartphone e console per videogiochi (era il suo uso originario). Ora le GPU servono anche a scopi estranei all'accelerazione grafica, come il mining di criptovalute e l'addestramento di reti neurali.

Microprocessori

La ricerca della miniaturizzazione del computer è proseguita quando la scienza informatica ha creato una CPU così piccola da poter essere contenuta all'interno di un piccolo chip a circuito integrato, chiamato microprocessore. I microprocessori sono classificati in base al numero di core che supportano.

Un core CPU è il "cervello nel cervello" e svolge la funzione di unità di elaborazione fisica all'interno di una CPU. I microprocessori possono contenere più processori. Nel frattempo, un core fisico è una CPU integrata direttamente in un chip, ma che occupa solo un socket, consentendo così ad altri core fisici di attingere allo stesso ambiente di elaborazione.

Dispositivi di output

L'informatica sarebbe un'attività molto limitata senza la presenza di dispositivi di output per eseguire i set di istruzioni della CPU. Tali dispositivi includono periferiche che si collegano all'esterno di un computer e ne aumentano notevolmente la funzionalità.

Le periferiche forniscono all'utente del computer i mezzi per interagire con il computer e fargli elaborare le istruzioni secondo i suoi desideri. Includono elementi essenziali per il desktop come tastiere, mouse, scanner e stampanti.

Le periferiche non sono gli unici accessori comuni al computer moderno. Esistono anche dispositivi di input/output ampiamente utilizzati che ricevono e trasmettono informazioni, come videocamere e microfoni.

Consumo energetico

Il consumo di energia influisce su diversi aspetti. Uno di questi è la quantità di calore prodotta dai processori multi-core e il modo in cui dissipare il calore in eccesso da questo dispositivo in modo che il processore del computer rimanga termicamente protetto. Per questo motivo, i data center iperscalabili (che ospitano e utilizzano migliaia di server) sono progettati con ampi sistemi di condizionamento e raffreddamento dell'aria.

Ci sono anche questioni di sostenibilità, anche se parliamo di pochi computer invece che di qualche migliaio. Più potenti sono il computer e le sue CPU, maggiore sarà l'energia necessaria per supportarne il funzionamento e, in alcuni casi di dimensioni macro, ciò può significare gigahertz (GHz) di potenza di calcolo.

Chip specializzati

L'intelligenza artificiale (AI), ovvero lo sviluppo più profondo dell'informatica fin dalle sue origini, sta ora influenzando la maggior parte, se non tutti, gli ambienti informatici. Uno degli sviluppi a cui stiamo assistendo nel settore delle CPU è la creazione di processori speciali costruiti appositamente per gestire i grandi e complessi carichi di lavoro associati all'AI (o ad altri scopi speciali):

• Tali apparecchiature includono il tensor streaming processor (TSP), che gestisce le attività di apprendimento automatico (ML) oltre alle applicazioni di intelligenza artificiale. Altri prodotti altrettanto adatti all'AI sono il processore AMD Ryzen Threadripper 3990X a 64 core e il processore desktop Intel Core i9-13900KS, che utilizza 24 core.
• Per un'applicazione come l'editing video, molti utenti optano per la CPU Intel Core i7 14700KF a 20 core e 28 thread. Altri ancora scelgono il Ryzen 9 7900X, considerato la migliore CPU di AMD per l'editing video.
• In termini di processori per videogiochi, l'AMD Ryzen 7 5800X3D è dotato di una tecnologia 3D V-Cache che aiuta a elevare e accelerare la grafica di gioco.
• Per l'elaborazione generica, come l'esecuzione di un sistema operativo come Windows o la navigazione in siti web multimediali, qualsiasi processore AMD o Intel di modello recente dovrebbe gestire facilmente le attività di routine.

Transistor

I transistor sono estremamente importanti per l'elettronica in generale e per l'informatica in particolare. Il termine è un mix di “resistenza di trasferimento” e si riferisce tipicamente a un componente costituito da semiconduttori utilizzato per limitare e/o controllare la quantità di corrente elettrica che scorre in un circuito.

Nell'informatica, i transistor sono altrettanto fondamentali. Il transistor è l'unità di base per la creazione di tutti i microchip. I transistor contribuiscono a formare la CPU e a creare il linguaggio binario di 0 e 1 che i computer utilizzano per interpretare la logica booleana.

Gli informatici sono sempre al lavoro per aumentare la resa e la funzionalità delle CPU. Ecco alcune proiezioni sulle CPU del futuro:

• Nuovi materiali per chip: il chip di silicio è stato a lungo il pilastro dell'industria informatica e di altri prodotti elettronici. La nuova ondata di processori (link esterno a ibm.com) sfrutterà nuovi materiali per chip che offrono prestazioni migliorate. Questi includono nanotubi di carbonio (che mostrano un'eccellente conduttività termica attraverso tubi a base di carbonio circa 100.000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano), grafene (una sostanza che possiede eccezionali proprietà termiche ed elettriche) e componenti spintronici (che si basano sullo studio del modo in cui gli elettroni ruotano e che potrebbero eventualmente produrre un transistor rotante).
• Quantum over binary: sebbene le attuali CPU dipendano dall'uso di un linguaggio binario, l' informatica quantistica finirà per cambierà la situazione. L'informatica quantistica deriva i suoi principi fondamentali dalla meccanica quantistica (e non dal linguaggio binario), una disciplina che ha rivoluzionato lo studio della fisica. Nell'informatica quantistica, le cifre binarie (1 e 0) possono esistere in più ambienti (anziché nei due ambienti attuali). E poiché questi dati risiederanno in più di una posizione, i recuperi diventeranno più facili e più veloci. Il risultato per l'utente sarà un netto aumento della velocità di calcolo e un incremento generale della potenza di elaborazione.

• AI ovunque: poiché l'intelligenza artificiale continua a far sentire la sua profonda presenza, sia nel settore informatico che nella nostra vita quotidiana, è chiaro che avrà un'influenza diretta sulla progettazione delle CPU. In futuro, ci aspettiamo di assistere a una crescente integrazione di funzionalità AI direttamente nell'hardware del computer. Quando ciò accadrà, sperimenteremo un'elaborazione dell'intelligenza artificiale significativamente più efficiente. Inoltre, gli utenti noteranno un aumento della velocità di elaborazione e i dispositivi saranno in grado di prendere decisioni indipendenti in tempo reale. In attesa che avvenga l'implementazione hardware, il produttore di chip Cerebras ha già presentato un processore che i suoi produttori affermano essere il "chip AI più veloce al mondo" (link esterno a ibm.com). Il chip WSE-3 può addestrare modelli di intelligenza artificiale con ben 24 trilioni di parametri. Questo mega-chip contiene quattro trilioni di transistor, oltre a 900.000 core.

Le aziende si aspettano molto dai computer in cui investono. A loro volta, questi computer si affidano a CPU con una potenza di elaborazione sufficiente per gestire i carichi di lavoro impegnativi presenti nell'odierno ambiente aziendale ad alta intensità di dati.

Le organizzazioni hanno bisogno di soluzioni praticabili, in grado di adattarsi ai cambiamenti. L'informatica intelligente dipende dalla disponibilità di apparecchiature in grado di supportare la tua missione, anche quando questa si evolve. I server IBM offrono solidità e flessibilità, in modo che tu possa concentrarti sul lavoro da svolgere. Trova i server IBM di cui hai bisogno per ottenere i risultati su cui si basa la tua organizzazione, sia oggi che domani.