Prosessoren

Prosessoren anses å være datamaskinens motstykke til menneskets hjerne. I motsetning til hjernene våre som alle fungerer på lignende måte, finnes det imidlertid flere ulike typer prosessorer. Hvis vi mennesker blir bedt om å legge sammen to epler og tre epler, forstår vi at det blir fem epler. Enkelte prosessorer skiller seg imidlertid så fundamentalt ut at de må instrueres på helt forskjellige måter for å "forstå" hva de skal gjøre. Programvaren må derfor også tilpasses prosessortypen de skal instruere. Prosessorene er derfor delt opp i forskjellige grupper avhengig av hvilken såkalt arkitektur de er basert på. Eksempler på slike arkitekturer er X86 og ARM.

x86 (også kjent som i386, x86-32 og IA-32) er arkitekturen som brukes i nesten alle tradisjonelle stasjonære og bærbare datamaskiner. Det er nemlig arkitekturen som Windows og Mac OS er utviklet til å kjøre på. Navnet X86 kommer fra noen av Intels første prosessor kalt 286, 386 og 486. Da de ble faset ut, ble begrepet x86 fortsatt brukt som navn for arkitekturen.

I dag finnes det bare to store produsenter av X86 prosessorer: Intel og AMD. De har over tid utviklet X86-arkitekturen med stadig flere funksjoner. Bakoverkompatibilitet har imidlertid blitt opprettholdt i veldig stor grad.

Det største utviklingssteget av arkitekturen var da den byttet fra å være 32- til 64-bitersbasert (les mer om dette i "3.9 32- og 64-biters prosessorer). Selv da ble kompatibiliteten opprettholdt, slik at de moderne 64-bitersbaserte prosessorene også kunne kjøre gamle 32-biters programmer.

Når x86 ble 64-biterbasert, byttet arkitekturen mer eller mindre navn til X86-64. Dette navnet har siden blitt forkortet til bare X64, som har forårsaket en viss forvirring. X86 refererer altså til 32-bitersversjonen, mens X64 refererer til 64-bitersversjonen av X86.

Mobiler og nettbrett bruker vanligvis ARM-prosessorer (Advanced RISC Machine) ettersom disse er svært energieffektive og gir god batteritid. iOS og Android er eksempler på operativsystemer som er laget for ARM-arkitekturen, selv om Android også finnes i en X86-versjon.

ARM kan også brukes i tradisjonelle datamaskiner. Skrivebordsversjonen av Windows kunne tidligere bare kjøres på X86-prosessorer, men våren 2017 presenterte Microsoft en stor nyhet. Ved å bruke en emulator innebygd i operativsystemet kan i dag skrivebordsversjonen av Windows også kjøres på ARM-prosessorer. Det åpner for potensielt billigere, mer kompakte og mer energieffektive datamaskiner.

ARM finnes på samme måte som X86 i både 32- og 64-bitersversjoner. Den nyeste 32-bitersversjonen av ARM kalles ARM v7, og den nye 64-bitersversjonen kalles ARM v8.

x86 har historisk sett vært en strømkrevende ytelsesarkitektur. ARM har i derimot vært en energieffektiv og forholdsvis svak arkitektur. Det er derfor de to arkitekturene har vært brukt i helt forskjellige typer prosessorer. Nå begynner det imidlertid å skje forandringer. Nettbrett og mobiltelefoner tar over en større andel av det totale datamarkedet. Ettersom X86-produsentene ikke ønsker å miste omsetning, har de i stor utstrekning byttet utviklingsfokus fra å gjøre prosessorene sine raskere til å gjøre dem energieffektive. ARM-produsentene har samtidig gått i motsatt retning og gjort sine nyeste prosessorer til skikkelige ytelsesmonstre.

Egenskapen som fremheves mest for datamaskinens prosessor, er klokkefrekvensen. Klokkefrekvens måles i hertz (Hz) og angir hvor mange klokkesykluser prosessoren har pr. sekund. La oss si at en prosessor har klokkefrekvensen 2,0 GHz og kan utføre én beregning per klokkesyklus. Det innebærer to milliarder beregninger pr. sekund. En lignende prosessor med klokkefrekvensen 3,0 GHz kan gjøre enda en milliard beregninger hvert sekund.

I løpet av nittitallet økte prosessorenes klokkefrekvens hele tiden, noe som gjorde at de stadig ble raskere. Klokkefrekvensen gikk fra å måles i megahertz til gigahertz. Rundt tusenårsskiftet var de heteste datamaskinene utstyrt med prosessorer på 3,2 GHz. Disse datamaskinene var ikke bare "hete" i overført betydning, men også fysisk. Den høye klokkefrekvensen gjorde at prosessorene dro mye strøm og genererte mye varme.

For å kunne fortsette utviklingen var prosessorprodusentene tvungne til å finne andre løsninger enn å bare øke klokkefrekvensen. Utviklingen byttet derfor fokus til å i stedet effektivisere prosessoren slik at den kunne utføre så mye som mulig i løpet av en enkelt klokkesyklus. Dette gjorde at dagens prosessorer har betydelig høyere ytelse enn sine forgjengere, selv om de noen ganger har lavere klokkefrekvenser.

Klokkefrekvensen er ofte misvisende fordi den ikke forteller noe om hvor effektiv prosessoren arbeider, men bare hvor raskt. En eldre prosessor kan noen ganger trenge flere klokkesykluser for å utføre en beregning, mens en moderne modell kan gjøre den samme jobben i løpet av én syklus. En rettferdig ytelsessammenligning mellom to prosessorer ut ifra klokkefrekvensen deres kan derfor kun gjøres hvis de er av samme modell og generasjon.

I sammenligningen ovenfor (mellom to Core i7-prosessorer) vinner modellen Core i7 7700K. Siden prosessorene er nesten identiske og er av samme generasjon, kan klokkefrekvensen brukes til å se hvilken modell som er den raskeste.

Hvis den samme sammenligningen gjøres mellom Core i5-prosessor 6600K fra 2015 og Pentium 4-prosessoren 570J fra 2004 hadde resultatet imidlertid sett annerledes ut. Pentium 4-prosessoren har helt klart en høyere klokkefrekvens, men Core i5-prosessoren vinner uansett med flere hestelengder.

En prosessor trenger noen ganger å behandle de samme dataene flere ganger. I stedet for å hente informasjonen fra RAM hver gang, kan de neste instruksjonene ligge i prosessorens eget minne. Mengden hurtigbuffer-minne har stor innvirkning på datamaskinens ytelse, siden stort hurtigbuffer reduserer antall ganger prosessoren må lese fra RAM.

Prosessoren har dessuten flere forskjellige lag med hurtigbuffer. De blir vanligvis referert til som L1, L2 og L3 (det er ikke alle prosessorer som har alle lagene). Forskjellen mellom dem ligger i størrelse og aksesstid. Hvis det ikke står hvilket lager av minne som spesifiseres, er det som oftest L2- eller L3-bufferen det dreier seg om ettersom L1-bufferen alltid er lite.

Det ville være ytelseseffektivt å bruke mye buffer i stedet for RAM, men det ville blitt urimelig dyrt. Det er derfor bare premiumprosessorene som utstyres med ekstra mye hurtigbuffer, og det avspeiles tydelig på prisen.

Kjernen (eng. core) er den delen av en prosessor som utfører beregningene. Tidligere ble prosessorer med en kjerne brukt som bare kan utføre en beregning om gangen. Dette betydde at det oppstod køer når mange prosesser var i gang samtidig. Et kjent problem var for eksempel når musikkspilleren kjørte samtidig som et annet krevende program. Musikken kunne da hakke litt eller stoppe opp når prosessoren ble utsatt for høy belastning fra det andre programmet.

Turbo Boost er en teknologi som Intel har implementert på flere av sine Core-prosessorer. Teknologien går ut på å gi ekstra kraft til prosessoren når den trenger det som mest. Når datamaskinen arbeider ekstra hardt, kan all prosessorens kjerner få en liten «Turbo Boost» til å utføre jobben.

Et stort RAM-minne betyr at datamaskinens ytelse øker og at den oppleves raskere. Samtidig har programmenes behov for RAM økt betydelig de siste årene. Det lager problemer for gamle datamaskiner som kjører såkalte 32-biters systemer, fordi de ikke kan ha mer RAM enn fire gigabyte. Les mer om denne begrensningen i Datamaskin 4.4. For å omgå denne begrensningen ble 64-biters systemer introdusert. På en 64-biters datamaskin med Windows 8 kan RAM-minnet være på 512 GB! Ved trykketidspunktet hadde ikke Microsoft gått ut med den offisielle maksimale minnestørrelsen for Windows 10, men den er i alle fall ikke lavere enn i Windows 8.

For at en datamaskin skal kunne kjøre et 64-biters system, kreves følgende:

• En 64-biters prosessor
• Et 64-biters operativsystem
• 64-biters drivere for all tilkoblet maskinvare

Det er lett å undersøke om datamaskinene kjører et 32- eller 64-biters system. I Windows trenger man bare å høyreklikke på Denne PCen på startmenyen eller på startskjermen og velge Egenskaper.

Mac OS X fikk ekte støtte for 64-biter i forbindelse med lanseringen av Mac OS X Snow Leopard (10.6). I motsetning til Windows som enten er installert i en 32- eller 64-biters versjon, kan en Mac med Mac OS X Snow Leopard (10.6) eller Lion (10.7) startes i enten 32- eller 64-biters modus. Den eneste ulempen med å starte Macen i 64-biters modus er at et fåtall eldre programmer ikke fungerer. Fordi slike programmer har blitt færre og færre valgte Apple fra og med Mac-modellene som ble lansert i begynnelsen av 2011, å ha 64-biters modus aktivert som standard.

Fra og med Mac OS X Mountain Lion (10.8), er det kun mulig å starte Macer i 64-biters modus, men akkurat som i Windows finnes det fortsatt støtte for 32-biters programmer.

For å gjøre det enklere for forbrukere å velge prosessor har både Intel og AMD satt markedsnavn på sine prosessorer. Markedsnavnet avslører egentlig veldig lite om teknologien i prosessorene. De er snarere en måte å beskrive prosessorenes relative ytelse på. Dagens Pentium-prosessorer har for eksempel få likheter med fem år gamle modeller med samme navn. Dagens Pentium-modeller er strippede Core i5-prosessorer med blant annet lavere klokkefrekvens og mindre hurtigbuffer. Pentium-modellene fra 2009 var strippede Core 2-prosessorer, som var den tids motstykker til dagens Core i5-modeller. Dette betyr at teknologien i Pentium-prosessorene har endret seg med tiden slik at de har beholdt sitt relative ytelsesnivå på markedet.

For kontordatamaskiner brukes markedsnavnene Celeron og Pentium. Begge disse modell­seriene er i dag tokjernede og er basert på moderne teknologi. Dette betyr at moderne Celeron-prosessorer med lav klokkefrekvens gjøre datamaskinen raskere enn en gammel Pentium 4 med høy klokkefrekvens. Celeron-modellene har dessuten fått et betydelig oppsving takket være det økede salget av Chromebook-datamaskiner (bærbare datamaskiner som kjører Chrome OS). I slike datamaskiner er Celeron en av de vanligste prosessorene og gir ofte litt høyere ytelse enn ARM-alternativene.

Pentium-modellene ligger et lite hakk foran Celeron-modellene og gir god ytelse for kraftige kontordatamaskiner og enklere multimediadatamaskiner.

AMD har akkurat som Intel flere familier med prosessorer. Det største utvalget av prosessorer er A-serien. AMD selv klassifiserer disse prosessorene som «APU-er» (Accelerated Processing Units) i stedet for CPU-er. AMD ønsker nemlig å poengtere at dette ikke bare er vanlige prosessorer, men at det er prosessorer som er utstyrt med avanserte og kraftige grafikkbrikker. En APU eliminerer behovet for et separat grafikkort i enklere datamaskiner. Det går til og med an å spille moderne spill med lave oppløsninger med A-prosessorenes integrerte grafikkbrikker. Denne grafikksatsning har vist seg å være vellykket for AMD. De siste årene har AMD slitt med å konkurrere med Intel når det gjelder ren CPU-ytelse, men de har til gjengled levert kraftigere integrerte grafikkløsninger.

A-prosessorene er delt inn i fire trinn (A4, A6, A8 og A10) og ytelsen øker i takt med nummerøkningen. CPU-messig passer de godt til kontorprogrammer, videovisning og bilderedigering.

Antallet transistorer ligger til grunn for prosessorens ytelse. Gordon Moore, en av Intels grunnleggere, observerte i 1965 at antall transistorer i en prosessor hadde fordoblet seg hver 24. måned. Han trodde at den raske utviklingen kom til å fortsette i samme takt. Påstanden holder fortsatt i dag og er kjent som Moores lov. 

En av de største fremskrittene i prosessorverdenen er at transistoren har blitt radikalt mindre. På syttitallet ble det produsert prosessorer med transistorer med størrelsen 10 mikrometer (0,01 mm). I dag er det 14 nanometerstransistorer (0,000014 mm) som brukes i de nyeste Intel-prosessorene. Du kan sammenligne det med et hår som er 90000 nm bredt, eller en bakterie som er 2000 nm. Et silisiumatom er 0,24 nm stort¹.

Mindre transistorer kan veksle mellom av- og på-tilstand raskere, og dette øker prosessorenes kapasitet. Det er ikke bare jakten på ytelse som har påskyndet forminskningen, men også at prosessorer med mindre komponenter utvikler mindre varme og bruker mindre strøm. Prosessorprodusentene arbeider derfor hardt for å så ofte som mulig å krympe produksjonsprosessene.

I spesifikasjoner for datamaskiner med Intel-prosessorer står det ofte om de bruker for eksempel femte- eller sjettegenerasjons Intel Core-prosessor. Dette skyldes at Intel de siste årene har valgt å beholde Core-navnet for å beskrive prosessorenes relative ytelse samtidig som de ønsker å understreke viktigheten av å velge en moderne prosessor. De forskjellige generasjonene med Intel Core-prosessorer er nemlig basert på ulike såkalte mikroarkitekturer, som betyr at en sjettegenerasjons Core i5-prosessor er betydelig raskere og mer energieffektiv enn en førstegenerasjons Core i5-prosessor.

Frem til 2015 fulgte Intel prosessorutvikling et prinsipp som kalles «tikk-takk» (se bildet). Omtrent annethvert år lanserte de en ny mikroarkitektur, og annethvert år krympet de den eksisterende mikroarkitekturen. Sommeren 2015 kunngjorde Intel at de avviker fra prinsippet og utsetter krympingen av sin 14 nm-arkitektur.

Intel-prosessorer har navn som følger mønsteret Intel Core i7 6700K. Det første sifferet i prosessormodellnummeret avslører hvilken generasjon prosessoren tilhører. Se for eksempel prosessorene nedenfor med modellnummer som innledes med to (andre generasjon), fire (fjerde generasjon) og seks (sjette generasjon).

Prosessormodellnummeret ender noen ganger med en bokstav (på Core M-prosessorene står bokstaven midt i modellnummeret). Her følger en oversikt over hva bokstavene vanligvis betyr.

Intel pleier å oppdatere logoene til prosessorene sine i forbindelse med bytte av mikroarkitektur (unntatt ved krymping). Det gjør det enklere for datamaskinkjøpere å se hvor ny prosessoren eller datamaskinen de kjøper er. Med tanke på hvor fort utviklingen går fremover, er prosessorens alder minst like viktig som hvorvidt den tilhører Core i3-, Core i5- eller Core i7-familien.

En av de mest synlige forskjellene mellom Intels og AMDs prosessorer er at de bruker helt forskjellige sokler (en sokkel er holderen hvor prosessoren monteres). Dette gjør det fysisk umulig å montere en Intel-prosessor på et hovedkort som er tilpasset for AMDs prosessorer (eller omvendt).

I takt med prosessorutviklingen har også soklene blitt oppgradert. På grunn av sokkelbyttene er det sjeldent mulig å oppgradere en prosessor på en gammel datamaskin uten samtidig å måtte bytte ut hovedkortet. Det er imidlertid en viss kompatibilitet. Les mer om dette i Datamaskin 6.7.

Prosessorer må kjøles på en eller annen måte for ikke å overopphetes. Prosessorkjølerne lages for de sammen soklene som prosessorene, slik at man lett kan se hvilke modeller som passer til hverandre. Intel har valgt å ikke endre festeanordningen for selve prosessorkjøleren ved de siste sokkelbyttene, noe som gjør at kjølere for LGA 1150-prosessorer også passer til LGA 1151-prosessorer.