Hardware počítače 1

Úvod

Počítačový hardware tvoří fyzické komponenty počítače. Základní rozdělení:

  • výpočetní jednotky

  • paměť

  • vstupní/výstupní zařízení

  • propojení (sběrnice, konektory)

Základní architektura PC

V počítačové architektuře existují dva hlavní přístupy k organizaci paměti a zpracování instrukcí:

  • Von Neumannova architektura

  • Harvardská architektura

Von Neumannova architektura

  • jedna společná paměť pro data i instrukce

  • jeden sdílený sběrnicový systém

  • instrukce se zpracovávají sekvenčně

pc 01 06 120398093826816

Von Neumannova architektura

Výhody:

  • jednoduchá konstrukce

  • levnější implementace

Nevýhody:

  • tzv. „Von Neumannovo zúžení“ (bottleneck)

  • omezený paralelismus

Použití:

  • většina klasických PC procesorů (x86, ARM v běžném režimu)

Harvardská architektura

  • oddělená paměť pro instrukce a data

  • oddělené sběrnice

  • možnost paralelního přístupu

Harvard

Harvardská architektura

Výhody:

  • vyšší výkon (paralelní přístup)

  • menší riziko konfliktu paměti

Nevýhody:

  • složitější návrh

  • méně flexibilní

Použití:

  • mikrokontroléry (např. AVR, PIC)

  • staré tlačítkové mobilní telefony

Základní architektura PC

PC se skládá z několika hlavních bloků:

  • CPU (řídicí jednotka)

  • RAM (pracovní paměť)

  • GPU (grafický výstup)

  • úložiště (SSD/HDD)

  • základní deska

CPU (Central Processing Unit)

CPU je hlavní výpočetní jednotka počítače:

  • provádí instrukce programu

  • řídí ostatní komponenty

  • skládá se z jader a vláken

cpu cache

CPU parametry:

  • počet jader

  • frekvence (GHz)

  • cache paměť (L1, L2, L3)

oCl7I94GoqFOLZEI

CISC vs RISC:

CISC (x86):

  • složité instrukce

  • méně instrukcí na program

RISC (ARM):

  • jednoduché instrukce

  • více instrukcí, ale rychlejší vykonání

Architektura CPU

Architektura CPU určuje:

  • jaké instrukce procesor umí vykonat

  • jak pracuje s pamětí

  • jak jsou navrženy registry a datové cesty

Nejde o konkrétní čip, ale o „jazyk procesoru“.

x86 (32bit)

Charakteristika:

  • 32bitová architektura

  • maximálně ~4 GB adresovatelné paměti

  • CISC instrukční sada

Vlastnosti:

  • velká zpětná kompatibilita

  • složitější instrukce

  • historicky dominantní v PC

Použití:

  • starší počítače

  • embedded systémy

  • starší Windows/Linux systémy

x86-64 (AMD64, 64bit)

Charakteristika:

  • rozšíření x86 na 64 bitů

  • obrovský adresní prostor (teoreticky exabyte)

  • moderní standard PC

Vylepšení oproti 32bit:

  • více registrů

  • lepší výkon

  • efektivnější práce s pamětí

Použití:

  • všechny moderní PC a servery

ARM architektura

Charakteristika:

  • RISC architektura (jednoduché instrukce)

  • velmi nízká spotřeba energie

  • vysoká efektivita

Vlastnosti:

  • jednoduché instrukce → rychlé vykonávání

  • optimalizováno pro mobilní zařízení

Použití:

  • mobily (Android, iPhone)

  • Raspberry Pi

  • Apple Silicon (M1/M2/M3)

  • servery (nově)

Přehled trhu CPU

Trh procesorů je rozdělen mezi několik hlavních firem podle segmentu:

  • desktop a servery

  • mobilní zařízení

  • embedded systémy

Intel

Charakteristika:

  • dominantní hráč v x86 procesorech

  • dlouhá historie (od 70. let)

Produkty:

  • Intel Core (i3, i5, i7, i9)

  • Intel Xeon (servery)

Použití:

  • PC, notebooky, servery

AMD

Charakteristika:

  • hlavní konkurent Intelu v x86

  • silný důraz na poměr cena/výkon

Produkty:

  • Ryzen (desktop a notebooky)

  • EPYC (servery)

Výhoda:

  • vysoký počet jader za nižší cenu

Apple (Apple Silicon)

Produkty:

  • M1

  • M2

  • M3

Charakteristika:

  • vlastní ARM procesory

  • vysoká integrace CPU + GPU + RAM

Výhody:

  • velmi vysoká efektivita

  • nízká spotřeba

Qualcomm

Produkty:

  • Snapdragon

Charakteristika:

  • dominantní v Android telefonech

  • ARM-based SoC

Funkce:

  • CPU + GPU + modem v jednom čipu

GPU (Graphics Processing Unit)

GPU je specializovaný procesor pro:

  • grafiku

  • paralelní výpočty

  • AI úlohy

lenovo nvidia t1000 4gb hp graphics card 4xmdp ie5669938

GPU rozdíl oproti CPU

  • CPU = málo silných jader

  • GPU = tisíce malých jader

cpu vs gpu

GPU Použití

  • hry

  • rendering

  • machine learning

NVIDIA (dominantní hráč)

Charakteristika:

  • největší hráč na trhu GPU

  • silná dominance v AI a HPC

Produkty:

  • GeForce RTX (gaming)

  • Quadro / RTX Professional

  • A100, H100 (AI a datacentra)

Výhody:

  • nejvýkonnější GPU

  • silný software ekosystém (CUDA)

AMD (Radeon)

Charakteristika:

  • hlavní konkurent NVIDIA

  • lepší cena/výkon v některých segmentech

Produkty:

  • Radeon RX (gaming)

  • Instinct (AI a HPC)

Výhody:

  • otevřenější technologie

  • konkurenceschopná cena

Intel

Charakteristika:

  • dlouho jen integrovaná grafika

  • nově samostatné GPU (Intel Arc)

Cíl:

  • vstoupit na trh NVIDIA/AMD

  • konkurovat v low a mid range

Integrovaná vs dedikovaná GPU

Integrovaná GPU:

  • součást CPU

  • sdílí RAM

  • nižší výkon

Dedikovaná GPU:

  • samostatná karta

  • vlastní VRAM

  • vysoký výkon

TPU, TMP a specializované čipy

Typy dalších chipů

  • TPU (Tensor Processing Unit) – AI výpočty (Google)

  • NPU (Neural Processing Unit) – mobilní AI

  • TPM čip (Trusted Platform Module)