Guida alle CPU e Microprocessori

I termini CPU e microprocessore sono spesso usati in modo intercambiabile. Non è scorretto farlo, poiché la tecnologia moderna ha consentito di contenere potenti funzioni di elaborazione in pacchetti (chip) molto più piccoli e compatti. La maggior parte delle CPU di fascia consumer è ora prodotta e venduta come microprocessore.

Tuttavia, sebbene CPU e microprocessore siano spesso usati per riferirsi allo stesso componente, è importante capire che non sono sempre la stessa cosa. Nella sezione seguente di questa guida, tratteremo le distinzioni tecniche tra la definizione di una CPU e di un microprocessore.

Cosa significa CPU?

Per cominciare, chiariamo cos'è una CPU, poiché questo ci permetterà di capire meglio come si relaziona esattamente a un microprocessore. CPU è l’acronimo di Central Processing Unit, il significato è quindi unità di elaborazione centrale, spesso definita semplicemente processore.

La CPU (o il processore) è un componente piccolo, ma molto importante, del circuito elettronico, che gestisce e controlla un'intera gamma di hardware del computer. Possiamo immaginarla come il cervello del sistema, che si tratti di un PC desktop o portatile o di qualsiasi altro dispositivo elettronico che richiede una CPU per funzionare.

Infatti, pensare al processore come al cervello del sistema dovrebbe aiutare a rispondere a una domanda comune: perché un computer ha bisogno di una CPU?

La CPU è responsabile dell'esecuzione dell'intera gamma di operazioni e programmi che un computer può eseguire. Gestisce tutte le principali funzioni aritmetiche, logiche e di input e output del dispositivo.

Finché non viene installata una CPU, gli altri componenti del sistema non sono in grado di svolgere i propri ruoli o comunicare tra loro. Senza la presenza di una CPU che li controlli, anche l’alimentatore, la RAM, le schede grafiche separate e i dischi rigidi avrebbero poco senso.

Tuttavia, mentre una CPU è un componente vitale in un computer funzionante, rappresenta solo una piccola parte dei circuiti principali del dispositivo. Sono necessari molti altri tipi di circuiti e transistor per consentire una comunicazione completa tra la CPU e il resto del sistema.

In passato, questi spesso dovevano essere alloggiati separatamente a causa delle limitazioni nello spazio fisico e nella distribuzione dell'energia. Tuttavia, grazie ai moderni progressi della microtecnologia, le dimensioni dei die delle CPU si sono notevolmente ridotte. Di conseguenza, ora sono comunemente posizionati direttamente accanto ad altri circuiti chiave su un singolo circuito integrato (IC), noto come microprocessore.

Che cos'è un microprocessore e in che modo è correlato alle CPU?

Nella maggior parte dei PC di casa o ufficio di fascia consumer odierni, la CPU è alloggiata insieme ad altri circuiti chiave all'interno di un singolo chip di silicio multifunzione. Lo stesso vale per molti altri tipi di dispositivi e sistemi elettronici intelligenti.

Questo singolo chip è generalmente definito microprocessore (o talvolta chip logico). Un microprocessore contiene anche numerosi altri transistor, circuiti e componenti, ciascuno progettato per gestire o facilitare varie funzioni chiave all'interno del sistema più ampio.

Per questo motivo un microprocessore è un tipo di Circuito Integrato (IC). Poiché la maggior parte delle moderne CPU è ora costruita e alloggiata su circuiti integrati a chip singolo, i termini CPU e microprocessore sono diventati in qualche modo intercambiabili. Nonostante ciò, vale la pena notare che mentre quasi tutte le CPU sono ora fornite come microprocessori, non tutti i microprocessori sono CPU.I circuiti integrati a microprocessore vengono utilizzati anche per ospitare altri tipi di circuiti, come le GPU dedicate (unità di elaborazione grafica esterne alle CPU). Molti computer moderni, ad esempio, utilizzano schede grafiche dedicate per gestire il rendering e visualizzare l'output esternamente rispetto al processore centrale. Queste schede grafiche includeranno anche circuiti integrati a microprocessore, ma con una GPU anziché una CPU al loro interno.

In breve, un microprocessore può disporre o meno di una CPU, insieme ad altri transistor e circuiti per la gestione di più operazioni di sistema. Quando è presente una CPU, il microprocessore fornisce percorsi per comunicare direttamente con il resto dell'hardware del computer.

SOC (sistema su circuito integrato)

Un microprocessore con una CPU a bordo è spesso chiamato SOC o "system-on-chip”. Spesso presenta vari altri componenti chiave, come la memoria integrata o le interfacce periferiche e può eseguire funzioni e programmi sull'intero sistema di un dispositivo. A causa di questa capacità multifunzionale, è adatto per l'uso autonomo in dispositivi elettronici più piccoli o meno complessi, nonché in molti computer moderni.

Va notato che i microprocessori non devono essere confusi con i microcontrollori, che sono una versione ridotta di un sistema simile. I microcontrollori sono chip molto più limitati, spesso presenti in dispositivi programmati per eseguire ripetutamente un’unica funzione di base.

Cosa fa un microprocessore? La risposta a questa domanda può essere abbastanza semplice o molto complessa, a seconda di quanto ci si addentra nei dettagli. Pertanto ci concentreremo sulle basi della loro struttura e del loro uso.

Cosa fa una CPU?

Una CPU gestisce ed esegue tutte le istruzioni necessarie per eseguire un programma: calcoli aritmetici e logici di base (addizione/sottrazione/AND-OR), numerose funzioni di controllo e decisioni chiave di input/output (I/O). Il set di istruzioni di base della CPU è cablato nei suoi circuiti, rappresentato da bit (cifre binarie) che si combinano per formare un linguaggio macchina o codice operativo.

Come funziona una CPU?

Ai componenti all'interno della CPU vengono assegnati compiti specifici, spesso raggruppati come recupero, decodifica o esecuzione. L'ALU (unità logica aritmetica) gestisce i calcoli, mentre il registro del processore memorizza e carica i dati operativi chiave per un recupero rapido. Nel frattempo, l'unità di controllo (controllore CPU) gestisce le interazioni tra componenti dedicate, consente il recupero dalla memoria e l'esecuzione di molte istruzioni rapide.

Quando si progetta e si costruisce un microprocessore, ci sono alcune limitazioni alla complessità generale che è possibile ottenere su un singolo circuito integrato (IC). Queste limitazioni riguardano lo spazio disponibile per i transistor, quante terminazioni del pacchetto (connessioni) può supportare ad altri componenti del sistema e la quantità di calore elettrico generato che può dissipare.

La moderna tecnologia IC consente assemblaggi system-on-chip (SOC) molto più complessi in un singolo microprocessore di quanto sia mai stato possibile in passato. Ad esempio, si è passati rapidamente dai linguaggi CPU a 8 e 16 bit a quelli odierni a 32 e 64 bit. Oggi i microprocessori possono anche includere molte funzioni integrate che una volta dovevano essere eseguite utilizzando un software esterno.

Inoltre, la progressiva riduzione delle dimensioni del die del processore ha fatto sì che sia possibile raggruppare un numero maggiore di altri componenti sullo stesso IC. I transistor per la memoria cache della CPU o i controller aggiuntivi consentono di elaborare e recuperare istruzioni e set di dati complessi molto più rapidamente.

Allo stesso modo, oggi sono ampiamente disponibili le CPU progettate come processori multicore di fascia consumer. Si tratta di microprocessori potenti con più core di processore (più circuiti CPU integrati). Consentono di eseguire molte più funzioni simultanee rispetto a quelle eseguibili in precedenza con lo stesso assorbimento di potenza (detta potenza di progettazione termica o TDP) e alla stessa temperatura.

Attualmente Intel Core e AMD sono i due principali e più noti produttori di CPU di fascia consumer applicabili nella maggior parte dei computer desktop e laptop. Le CPU desktop Intel Core più utilizzate includono varie generazioni di chip i3, i5, i7 e i9, mentre le popolari CPU desktop AMD equivalenti comprendono le famiglie Athlon e Ryzen (l'ultima generazione è Ryzen 5000).

Ma le CPU sono in circolazione in una forma o nell'altra dalla fine degli anni '40. I primi tipi di processori erano molto diversi dai processori desktop di oggi: costruiti a partire da migliaia di dispositivi di commutazione come tubi a vuoto e relè.

Le prime versioni (incluso il famoso Manchester) funzionavano come computer a programma memorizzato. Successivamente, negli anni '50 e '60, sono arrivate le CPU a transistor, ma solo alla fine degli anni ‘60, con lo sviluppo dei primi circuiti integrati, è iniziata l’evoluzione verso CPU di integrazione su piccola e grande scala.

La prima vera tecnologia a microprocessore, un progetto Intel a chip singolo, divenne disponibile in commercio nel 1971. In seguito, la tecnologia dei microprocessori continuò a progredire fino alla formulazione della cosiddetta legge di Moore nel 1975, una regola empirica specifica del settore, secondo la quale il numero di componenti (transistor) che possono essere montati su un singolo IC raddoppierebbe all'incirca ogni anno.

L’impossibilità di miniaturizzare i transistor all’infinito, fino a dimensioni subatomiche, ha dimostrato che questa regola in realtà è falsa. Tuttavia, essa è rimasta in gran parte accurata fino ad oggi. In altre parole, gli sviluppi nei moderni processori continuano ad essere esponenziali, fino ai giorni nostri.

È interessante notare che, nonostante gli enormi progressi nell'architettura, nella complessità e nei metodi di costruzione dei microprocessori nel corso dei decenni, la progettazione e la funzione di base delle moderne CPU rimangono in gran parte gli stessi delle generazioni precedenti. Funzionano ancora in base a un ciclo di istruzioni fondamentale, ovvero una serie standard di operazioni di recupero, decodifica ed esecuzione. La differenza sta nel fatto che questi passaggi possono essere completati più velocemente che mai, grazie alle dimensioni ridotte del die, ai controller di memoria migliorati e alle cache più grandi della CPU.

I benchmark delle CPU sono un tipo specifico di test delle prestazioni. Di solito vengono eseguiti per rivelare dati importanti su come funziona un chip. Sono ampiamente utilizzati nel settore IT per convalidare o mostrare varie metriche chiave delle prestazioni della CPU.

Prevedono l’esecuzione di un microprocessore attraverso una serie di test sintetici di resistenza e velocità. Si utilizzano programmi progettati per stressare la CPU deliberatamente con un carico elevato (stress test della CPU). In genere, la maggior parte degli utenti finali raggiunge solo saltuariamente i picchi di domanda durante il normale utilizzo: per questo motivo questi test vengono spesso definiti sintetici.

I benchmark accurati possono rappresentare una sfida significativa, a causa delle varie proprietà intrinseche del silicio, dell'architettura dei chip e dell'elettronica. Affinché i test abbiano un reale uso commerciale o scientifico, devono essere eseguiti più volte in condizioni rigorosamente controllate e strettamente monitorate.

Se eseguiti in modo responsabile, i risultati dei benchmark possono essere utili per confrontare diverse marche di microprocessori o architetture di CPU in termini di prestazioni di picco assolute. Al contrario, in certi casi i risultati dei benchmark competitivi possono portare a forzare dei componenti per migliorarne le prestazioni, costringendoli ad accettare tensioni superiori a quelle specificate, rischiando guasti o danni.

In questi contesti vengono ignorate considerazioni importanti che vanno al di là delle velocità di calcolo grezze. Pertanto, quando si sceglie e si acquista una CPU bisognerebbe sempre tenere conto anche di altri fattori, oltre che dei risultati di questo tipo di test. L'affidabilità complessiva del prodotto e il valore delle prestazioni sotto carichi normali dovrebbero sempre avere la priorità rispetto ai valori dei benchmark.

Comprensione della velocità di clock della CPU

La velocità di clock della CPU è una misura di quanti cicli può eseguire un processore al secondo. Misurata a una frequenza di megahertz (MHz) o gigahertz (GHz), la velocità di clock fornisce un'indicazione generale della velocità complessiva della CPU.

Ogni ciclo coinvolge milioni o miliardi di transistor che si aprono e si chiudono in sequenza, a seconda dello specifico insieme di istruzioni che vengono eseguite. Un'istruzione di frequenza MHz o GHz per velocità di clock indica quante volte una CPU può eseguire questi cicli in un secondo. La frequenza MHz indica milioni di volte al secondo, mentre la frequenza GHz miliardi.

Generalmente, velocità di clock più elevate corrispondono a una CPU più veloce. Tuttavia, va tenuto conto del fatto che le diverse architetture dei microprocessori influiscono anche sulla durata di ogni ciclo. Una CPU più recente costruita su un'architettura più moderna potrebbe funzionare più velocemente in termini reali rispetto a un modello precedente che dichiara una frequenza di velocità di clock più elevata, poiché è probabile che suddivida le attività su più core e tragga vantaggio da una maggiore memoria cache della CPU.

Per saper scegliere il processore giusto per le proprie esigenze, è importante avere a mente che ciò che conta maggiormente è raggiungere un buon equilibrio: è necessario bilanciare le proprie esigenze di prestazioni con i costi e la scelta del microprocessore con gli altri componenti di un dispositivo o sistema.

Per raggiungere questi due tipi di equilibrio, si dovranno considerare aspetti diversi a seconda del tipo di utente, ma la questione alla base è sempre il rapporto qualità/prezzo. Quale microprocessore offre il miglior rapporto qualità/prezzo per ciò che si desidera ottenere?

Che caratteristiche cercare in una CPU

Innanzitutto, bisogna pensare a cosa deve fare il sistema. Non ha molto senso acquistare componenti CPU estremamente potenti a 16 core, 32 core o anche 64 core per la gestione delle attività di base. D'altro canto, un investimento iniziale può ripagare sul lungo termine se è necessario gestire regolarmente e rapidamente lavori che richiedono molta CPU. Alcuni esempi sono l'analisi dei dati, l'indicizzazione o qualsiasi altra applicazione che tragga vantaggio diretto da prestazioni fortemente multithread.

In secondo luogo, è bene considerare gli altri componenti del proprio dispositivo o sistema, al fine di bilanciare il prezzo, le prestazioni e la potenza della CPU in riferimento a essi. Si deve cercare di evitare di limitare fortemente le prestazioni di un componente a causa di un altro.

Ad esempio, una CPU di fascia bassa potrebbe avere difficoltà a stare al passo con una GPU potente. Ovvero, il componente più debole potrebbe trattenere quello più forte in alcune applicazioni. Qualsiasi computer è in grado di eseguire determinate attività solo alla capacità superiore dell'anello più debole della sua catena.

È importante ricordare ciò quando si cerca la CPU con il miglior rapporto qualità/prezzo per le proprie esigenze e il proprio sistema, per evitare una mancanza di equilibrio che limiterebbe gravemente le prestazioni di un determinato componente. Quindi, è bene scegliere CPU con velocità e capacità il più simili possibile a quelle degli altri componenti.