Cos'è una CPU? La CPU o Central Processing Unit è il cervello scricchiolante di numeri di un computer. Tutto ciò che fa un computer, dal giocare ai videogiochi^{(video games)} all'aiutarti a scrivere un saggio, è suddiviso in una serie di istruzioni matematiche. La CPU prende queste istruzioni e le esegue. 

I dettagli di come lo fa sono, ovviamente, molto^{(much )} più complicati di quella semplice spiegazione. La cosa più importante che devi sapere è che la CPU è il principale motore matematico di un computer.

La (estremamente) breve storia delle CPU^{(The (Extremely) Short History Of CPUs)}

La storia dell'informatica è lunga e complessa. Va anche più indietro nella storia della tecnologia digitale, dell'elettronica o persino dell'elettricità. Un abaco è una sorta di processore. Così sono i calcolatori meccanici. La grande differenza è che queste macchine possono svolgere solo uno o pochi compiti matematici. Non sono processori per uso generico^{(general purpose)} , di cui la moderna CPU è un esempio.

Ciò che rende una CPU un dispositivo di calcolo generico è l'uso della logica. Nel 1903 Nikola Tesla brevettò circuiti elettrici noti come cancelli e interruttori. Usando questi circuiti, potresti costruire dispositivi che eseguono operazioni logiche, in cui potresti far agire la macchina in determinate condizioni. 

Tra la metà e la fine degli anni '40 William Shockley , John Bardeen e Walter Brattain inventarono e brevettarono un dispositivo chiamato transistor, mentre lavoravano ai Bell Laboratories . Il transistor è l'elemento costitutivo di base di una CPU . I transistor sono componenti di computer relativamente piccoli. Il transistor è un'invenzione così importante che i tre inventori hanno ricevuto un premio Nobel^{(Nobel Prize)} per questo.

Alla fine degli anni '50, Robert Noyce e Jack Kilby fecero un enorme passo avanti e crearono il primo circuito integrato^{(integrated circuit)} funzionante . Un circuito integrato è un insieme di circuiti elettronici integrati in un unico pezzo di materiale semiconduttore. Nella maggior parte dei casi, quel materiale è il silicio. Questo è ciò che le persone intendono quando dicono "microchip". 

Una CPU è composta da uno o più microchip. Questa è un'invenzione importante perché miliardi di transistor possono essere racchiusi in una singola CPU . Questo crea motori matematici incredibilmente potenti.

Utilizzando le invenzioni di porte logiche, transistor e circuiti integrati, il mondo intero è cambiato. I microchip sono in tutto in questi giorni, non solo nel tuo computer. E le CPU^(CPUs) sono i microchip per uso generico più avanzati che possiamo realizzare.

Come funzionano le CPU?^{(How Do CPUs Work?)}

L'intero principio di una CPU si basa sul codice binario^{(binary code)} . Gli esseri umani tendono a rappresentare i numeri usando un sistema chiamato base 10 o sistema decimale. I valori di posizione di ogni cifra in un numero aumentano di un fattore dieci. Quindi "111" contiene centodieci e uno.

I computer e le loro CPU^(CPUs) non sono affatto in grado di capire la base 10. I transistor funzionano in base al principio di essere accesi o spenti. Il che significa che le porte logiche che costruisci da esse possono funzionare anche solo con questi due stati. Questo è il motivo per cui, fondamentalmente, le CPU^(CPUs) funzionano su codice binario^{(binary code)} . Questo sistema numerico ha valori di posizione diversi. Se invece 1, 10, 100, 1000 e così via, i valori posizionali sono 1,2,4,8,16,32,64,128 e così via. 

Quindi in binario "111" sarebbe 7 in numeri decimali poiché aggiungi 1,2 e 4 insieme. Se uno qualsiasi dei numeri è uno zero, saltalo semplicemente e aggiungi il valore della posizione del prossimo 1. In questo modo puoi esprimere qualsiasi valore decimale. Basta^(Just) notare che i numeri binari vengono spesso letti da destra a sinistra, quindi il valore della posizione "1" sarebbe all'estrema destra.

Mettiamolo in una tabella per renderlo chiarissimo:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	0	0	0	0	0

Riesci a capire perché si somma al numero 7 in decimale? Facciamo il numero 23:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	1	0	0	0	0

Quindi 111 è "7", ma "11101" è 23 perché il quinto valore in binario è 16. Abbastanza^(Pretty) interessante, giusto? Puoi esprimere qualsiasi numero possibile che può essere scritto in decimale in questo modo. Il che significa che i computer costruiti con transistor possono funzionare anche con qualsiasi numero.

Come sono fatte le CPU?

Anche il processo di produzione delle moderne CPU^(CPUs) è, come ci si aspetterebbe, piuttosto complesso. Il processo di base prevede la crescita di grandi cilindri di cristallo di silicio. Le sue proprietà di semiconduttore lo rendono ideale per la costruzione di un circuito integrato binario.

Questi grandi cristalli vengono tagliati in cialde sottili. I wafer vengono quindi "drogati" con un'altra sostanza chimica per perfezionarne le proprietà. Il circuito su scala nanometrica viene quindi inciso sulla superficie del wafer utilizzando la luce utilizzando un processo noto come fotolitografia^{(photolithography)} .

Design e prestazioni della CPU

Le CPU^(CPUs) non sono tutte uguali. Il primo vero antenato della moderna CPU , l' Intel 8086 , aveva circa 29.000 transistor nel suo circuito integrato. Oggi, un processore come l' Intel i99900K ha poco più di 1,7 miliardi^(billion) di transistor. Più densi sono i circuiti logici di una CPU , più complesso e alto è il numero di istruzioni che può eseguire per ciclo di clock. 

Aspetta^(Hang) , "ciclo dell'orologio"? Sì, questo è l'altro componente principale delle prestazioni della CPU . Una CPU funziona a una frequenza particolare, con ogni impulso del clock della CPU viene eseguito un ciclo di calcoli. Se prendi la stessa CPU e raddoppia la sua velocità di clock, (in teoria) dovrebbe funzionare due volte più velocemente. 

L' Intel 8086^{(Intel 8086)} del 1978 funzionava a 5 Mhz quando è stato lanciato. Sono cinque milioni di cicli di clock al secondo. L' Intel i9-9900K? Inizia a^{(starts )} 3,6 Ghz. Quel 3600 ^{(Ghz.That 3600)} Mhz , con la possibilità di aumentare le cose fino a 5000 Mhz quando possibile.

Per aggiungere ancora un'altra ruga alle prestazioni della CPU , le moderne CPU^(CPUs) contengono effettivamente più "core". Ogni core è in realtà una stessa CPU indipendente . Al giorno d'oggi è tipico avere almeno quattro di questi core, ma ultimamente la norma è che i computer tradizionali abbiano sei o otto core. I computer professionali di fascia alta possono avere circa 100 core della CPU . 

Avere più core significa che la CPU può eseguire più set di istruzioni in parallelo. Ciò significa che i nostri computer possono fare molte cose contemporaneamente senza problemi. Alcune CPU^(CPUs) hanno core "multithread". Questi core stessi possono gestire due attività separate ciascuno. Nelle CPU Intel^{(Intel CPUs)} questo è etichettato come " hyperthreading ".

Quindi le prestazioni totali di una CPU si riducono a una combinazione di:

• È il conteggio totale dei transistor e quanto è avanzato il design dei suoi circuiti logici
• La frequenza dell'orologio^{(clock frequency)}
• Il numero di core^{(number of cores)}
• Il numero di thread

C'è, ovviamente, più di questi quattro punti principali. Tuttavia, queste sono le quattro considerazioni principali per far funzionare bene una CPU .

Il ruolo^(Role) della CPU nel tuo computer^{(Your Computer)}

L'ultima cosa che dobbiamo coprire è quale lavoro svolge la CPU nel tuo computer. Dopotutto, non è l'unico microchip a circuito integrato nel tuo computer. Ad esempio, le GPU^(GPUs) (unità di elaborazione grafica) sono spesso anche più dense di transistor di una CPU .

Hanno bisogno del proprio raffreddamento e alimentazione, nonché della memoria. È come un piccolo computer in più! Lo stesso si può dire per i chip che controllano il tuo suono, USB e il traffico del disco rigido. Allora perché la CPU è speciale? Questi sono i motivi principali:

• Può elaborare QUALSIASI^(ANY) istruzione, una GPU esegue solo determinati tipi di elaborazione
• Collega tutti gli altri componenti insieme, spingendo e tirando i dati per far funzionare il tuo computer
• La CPU è coinvolta in tutto il lavoro che il computer deve svolgere in una certa misura

In breve, la CPU è il più importante componente di prestazioni per uso generico del tuo computer. Non darlo^(Don) per scontato!

What Is a CPU & What Does It Do?

What is a CPU? The СPU or Central Processing Unit is the number-crunching brain of a computer. Everything a computer does, from playing video games to helping you write an essay, is broken down into a set of mathematical instructions. The CPU takes those instructions and executes them. 

The details of how it does this is, of course, much more complicated than that simple explanation. The most important thing you need to know is that the CPU is the main mathematical engine of a computer.

The (Extremely) Short History Of CPUs

The history of computing is long and complex. It also goes further back into history than digital technology, electronics or even electricity. An abacus is a sort of processor. So are mechanical calculators. The big difference is that these machines can only do one or a few mathematical tasks. They aren’t general purpose processors, which the modern CPU is an example of.

What makes a CPU a general purpose calculation device is the use of logic. In 1903 Nikola Tesla patented electrical circuits known as gates and switches. Using these circuits, you could build devices that perform logical operations, where you could have the machine act on certain conditions. 

In the mid- to late- 1940s William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain invented and patented a device called a transistor, while working at Bell Laboratories. The transistor is the basic building block of a CPU. Transistors are relatively tiny computer components. The transistor is such an important invention that the three inventors were awarded a Nobel Prize for it.

In the late 1950s, Robert Noyce and Jack Kilby went one massive step further and created the first working integrated circuit. An integrated circuit is a set of electronic circuits integrated into a single piece of semiconductor material. In most cases, that material is silicon. This is what people mean when they say “microchip”. 

A CPU consists of one or more microchips. This is an important invention because billions of transistors can be packed into a single CPU. This creates incredibly powerful mathematical engines.

Using the inventions of logic gates, transistors and integrated circuits, the entire world has been changed. Microchips are in everything these days, not just your computer. And CPUs are the most advanced general-purpose microchips we can make.

How Do CPUs Work?

The entire principle of a CPU is based on binary code. Human beings tend to represent numbers using a system called base 10 or the decimal system. The place values of each digit in a number go up by a factor of ten. So “111” contains one hundred, ten and one.

Computers and their CPUs can’t understand base 10 at all. Transistors work on the principle of either being on or off. Which means the logic gates you build from them can also only work with these two states. This is why, fundamentally, CPUs run on binary code. This number system has different place values. Instead if 1, 10, 100, 1000 and so on, the place values are 1,2,4,8,16,32,64,128 and so on. 

So in binary “111” would be 7 in decimal numbers Since you add 1,2, and 4 together. If any of the numbers are a zero, you simply skip it and add the place value of the next 1. This way you can express any decimal value. Just note that binary numbers are often read from right to left, so the “1” place value would be at the far right.

Let’s put it in a table to make it crystal clear:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	0	0	0	0	0

Can you see why it adds up to the number 7 in decimal? Let’s do the number 23:

Binary Place Values	1	2	4	8	16	32	64	128	256
The decimal number 7 in binary	1	1	1	0	1	0	0	0	0

So 111 is “7”, but “11101” is 23 because the fifth place value in binary is 16. Pretty cool, right? You can express any possible number that can be written in decimal this way. Which means computers built from transistors can work with any numbers as well.

How Are CPUs Made?

The production process of modern CPUs is also, as you’d expect, pretty complex. The basic process involves growing large cylinders of silicon crystal. Its semiconductor properties make it ideal for building a binary integrated circuit.

These large crystals are sliced into thin wafers. The wafers are then “doped” with another chemical to fine tune its properties. The nano-scale circuitry is then etched into the wafer surface using light using a process known as photolithography.

CPU Design and Performance

CPUs are not all made equal. The first proper ancestor of the modern CPU, the Intel 8086, had about 29 000 transistors in its integrated circuit. Today, a processor like the Intel i99900K has just over 1.7 billion transistors. The denser the logic circuits of a CPU, the more complex and higher the number of instructions it can perform per clock cycle. 

Hang on, “clock cycle”? Yes, that’s the other major component of CPU performance. A CPU runs at a particular frequency, with each pulse of the CPU clock a cycle of calculations are done. If you take the same CPU and double it’s clock speed then (in theory) it should perform twice as fast. 

That 1978 Intel 8086 ran at 5Mhz when it was launched. That’s five million clock cycles per second. The Intel i9-9900K? It starts at 3.6 Ghz.That 3600 Mhz, with the option to ramp things up to 5000 Mhz when possible.

To add yet another wrinkle to CPU performance, modern CPUs actually contain multiple “cores”. Each core is actually an independent CPU itself. It’s typical to have at least four such cores these days, but lately the norm has been for mainstream computers to have six or eight cores. High end professional computers may have in the region of a 100 CPU cores. 

Having multiple cores means that the CPU can perform multiple sets of instructions in parallel. Which means our computers can do many things at once without issue. Some CPUs have “multithreaded” cores. These cores can themselves handle two separate tasks each. In Intel CPUs this is branded as “hyperthreading”.

So the total performance of a CPU comes down to a combination of:

• It’s total transistor count and how advanced the design of its logic circuits are
• The clock frequency
• The number of cores
• The number of threads

There is, of course, more to it than these four main points. However, those are the four main considerations for making a CPU perform well.

The Role of the CPU in Your Computer

The last thing we have to cover is what job the CPU plays in your computer. It is, after all, not the only integrated circuit microchip in your computer. For example, GPUs (graphics processing units) are often even more transistor-dense than a CPU.

They need their own cooling and power supply, as well as memory. It’s like a small extra computer! The same can be said for the chips that control your sound, USB and hard drive traffic. So why is the CPU special? These are the main reasons:

• It can process ANY instruction, a GPU only does certain types of processing
• It ties all the other components together, pushing and pulling data to make your computer work
• The CPU is involved with all work the computer is asked to do to some extent

In short, the CPU is the most important general-purpose performance component in your computer. Don’t take it for granted!

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