Procesor Intel Pentium (widok od dołu)Procesor Intel Core i7-940 (widok od dołu), widoczne 1366 pól stykowych złącza LGA1366Pomieszczenie wysokiej czystości (Clean room) w Glenn Research Center (NASA)
Procesor (ang.central processing unit, CPU) – sekwencyjne urządzenie cyfrowe, które pobiera dane z pamięci operacyjnej lub strumienia danych, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy, zwracając dane do pamięci lub wyjściowego strumienia danych. Termin ten w zawężonym znaczeniu jest używany w odniesieniu do jednostki centralnej (CPU) systemu, ale odnosi się również do innych elementów przetwarzających dane zwanych koprocesorami, takich jak jednostki do obliczeń na liczbach zmiennopozycyjnych, przetwarzania grafiki (GPU).
Technika wykonywania procesorów zmienia się wraz z rozwojem elektroniki. Pierwotnie procesory były konstruowane przy użyciu wielu lamp próżniowych, później wielu pojedynczych tranzystorów, które zastępowano układami scalonymi małej skali integracji. W latach 70. XX wieku skonstruowano procesory składające się z jednego lub kilku układów scalonych wielkiej skali integracji określane jako mikroprocesory. Od lat 80. XX wieku niemal wszystkie procesory wykonuje się jako monolityczne układy scalone.
Jedną z podstawowych cech procesora jest określona długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonuje on podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli przykładowo słowo tworzą 64 bity, to taki procesor określany jest jako 64-bitowy. Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość, z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu, a więc głównie od częstotliwości jego taktowania.
Nazwa
Procesor bywa też nazywany jednostką centralną, centralną jednostką obliczeniową lub centralną jednostką przetwarzającą (poprzez tłumaczenie angielskiego wyrażenia central processing unit (CPU) w sposób niemal dosłowny). Część użytkowników „jednostkę centralną” kojarzy jednak z handlowym terminem określającym jednostkę systemową komputera – złożoną z procesora, płyty głównej, kart rozszerzeń, pamięci operacyjnej, dysków twardych i innych elementów zamkniętych we wspólnej obudowie – nieobejmującym urządzeń peryferyjnych (monitora, klawiatury, drukarki).
Budowa
W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić:
zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników. Rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,
jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,
układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,
inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.
Rozmiary elementów
Jednym z kluczowych parametrów procesora jest rozmiar elementów tworzących jego strukturę. Zmniejszanie tych rozmiarów pozwala obniżyć zużycie energii i napięcie pracy oraz zwiększyć maksymalną częstotliwość taktowania. W 2012 roku firma Intel wprowadziła procesory wykonane w procesie technologicznym 22 nm (Ivy Bridge), a w czwartym kwartale 2014 roku – 14 nm (Core M).
W 2025 roku Intel zaprezentował procesory z serii Core Ultra 200S (o nazwie kodowej Arrow Lake-S), produkowane przez TSMC z wykorzystaniem zaawansowanych technik litograficznych: N3B (3 nm) dla kafelków obliczeniowych, N5P (5 nm) dla kafelków graficznych oraz N6 (6 nm) dla modułów SoC i I/O. Poszczególne komponenty połączono z użyciem technologii Foveros 3D, umożliwiającej układanie warstw krzemowych w strukturze trójwymiarowej.
W 2019 roku firma AMD wprowadziła na rynek pierwsze procesory o mikroarchitekturze Zen 2, wykonane w litografii 7 nm w zakładach TSMC.
Aby ograniczyć ryzyko powstawania defektów w tak miniaturowych strukturach, fabryki półprzewodników muszą dysponować pomieszczeniami o wyjątkowo wysokim poziomie czystości, co znacząco podnosi koszty produkcji.
Wielordzeniowość i procesory pomocnicze
Współcześnie większość procesorów ma wielordzeniową budowę. Pierwszym procesorem wielordzeniowym ogólnego przeznaczenia był procesor Power 4 firmy IBM wprowadzony na rynek w roku 2001. Pierwszymi procesorami wielordzeniowymi architektury x86 były wersje procesorów Opteron firmy AMD i Pentium Extreme Edition firmy Intel wprowadzone w kwietniu 2005 roku.
Modelem firmy Intel z niższej półki cenowej, który kontynuował ten trend był Intel Pentium D, chwilę później największy konkurent Intela, czyli AMD, wprowadził do sprzedaży popularny model procesora dwurdzeniowego o nazwie Athlon 64 X2. Dużą popularność zyskał dopiero Intel Core 2 Duo zbudowany na bazie architektury Conroe (65 nm). Niedługo później pojawił się także 4-rdzeniowy układ Intel Core 2 Quad.
CPU mają rdzenie taktowane zegarem nawet 6 GHz (np. Intel Core i9-14900KS), lecz nie występuje już wyraźny wzrost taktowania w kolejnych generacjach procesorów. Szybkość obliczeń jednak wzrasta dzięki zwiększaniu liczby tranzystorów i rdzeni w procesorach.
Intel i AMD oferują obecnie procesory o zróżnicowanej liczbie rdzeni. W segmencie podstawowym dostępne są modele czterordzeniowe (Intel Core i3 oraz AMD Ryzen 3), sześciordzeniowe (Intel Core i5 oraz AMD Ryzen 5) oraz ośmiordzeniowe (AMD Ryzen 7). W ofercie znajdują się również jednostki o wyższej liczbie rdzeni, takie jak Intel Core i7 i Intel Core i9 z 24 rdzeniami oraz AMD Ryzen 9 z 12–16 rdzeniami w wersjach desktopowych.
Do segmentu wysokowydajnych procesorów należą m.in. modele AMD Threadripper PRO 9000WX (do 96 rdzeni) oraz Threadripper 9000 (do 64 rdzeni). W zastosowaniach profesjonalnych i serwerowych wykorzystywane są jednostki, takie jak Intel Xeon 6900P, wyposażone w maksymalnie 128 rdzeni.
Projektanci procesorów próbują także innych metod zwiększania wydajności, na przykład technologii hyper-threading, gdzie każdy rdzeń może się zachowywać jak dwa procesory logiczne, dzielące między siebie zasoby pamięci podręcznej i jednostek wykonawczych. Gdy jeden z konkurujących ze sobą procesów pozostawia niewykorzystane zasoby, proces przypisany do drugiego procesora logicznego może ich użyć. W zależności od zastosowania może to prowadzić do sumarycznego wzrostu wydajności na poziomie ok. 10% w grach oraz średnio o 25% w zadaniach ogólnego przeznaczenia w porównaniu do wyłączonego trybu HT, choć rozwiązanie to nie podwaja fizycznej mocy obliczeniowej układu.
W roku 2007 Intel zaprezentował testy układu scalonego Intel Polaris wyposażonego w 80 rdzeni ogólnego przeznaczenia, który osiągnął wydajność 1,01 TFLOPS.
Komputer (w szczególności komputer osobisty) oprócz procesora głównego (CPU) ma zwykle procesory pomocnicze: obrazu (GPU, najnowsze konstrukcje pozwalają na integrację CPU z GPU w APU), dźwięku, koprocesory arytmetyczne (od lat 90. na ogół są zintegrowane z CPU).
Rozkazy procesora
Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:
Rozkazy dla procesora identyfikowane są na podstawie binarnego kodu maszynowego, jednak dany kod nie musi oznaczać wykonywania tych samych operacji przez procesor do tego samego (lub innego) zadania. W tym celu, w procesorach niedostępnych masowo, można spotkać możliwość programowania rozkazów CPU, czyli mikroprogramowania. Rozwiązanie takie daje pełniejszą kontrolę nad procesorem oraz możliwość zwiększenia wydajności procesora w pewnych zastosowaniach, w stopniu znacznie większym niż w przypadku powszechnie dostępnych procesorów, w których kody maszynowe są na stałe przypisane do odpowiednich ciągów mikrorozkazów (mikroinstrukcji).
