Архитектура современных процессоров

Компания AMD в свою очередь  представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём  кэша (явно недостаточный у первого  «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший  снизить тепловыделение и значительно  повысить рабочие частоты. В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит  вровень с процессорами Intel предыдущего  поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно  отстаёт от Intel Core i7[источник не указан 216 дней]. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы  на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более  радужно, чем у предшественника.

1.5. Параллельная архитектура

 

Архитектура фон Неймана  обладает тем недостатком, что она  последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется  провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком  фон Неймана.

Для преодоления этого  недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые  называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

 

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации  Флинна):

SISD — один поток команд, один поток данных;

SIMD — один поток команд, много потоков данных;

MISD — много потоков  команд, один поток данных;

MIMD — много потоков  команд, много потоков данных.

Цифровая обработка сигналов

Существует особый класс  процессоров, представляющих собой  полностью параллельные устройства. Процессоры для ЦОС один раз конфигурируются  пользовательской "программой", которая  представляет собой описание внутренних соединений ресурсов процессора, к  которым относятся регистры, сумматоры, умножители, блоки ОЗУ, иная логика. После этого возможна одновременная  обработка большого количества поступающих  данных за один такт (однако, задержка получения результата может быть более одного такта).

2. Основные характеристики современных процессоров

На данный момент на рынке  микропроцессоров для ПК представлено порядка сотни моделей, и все  они различаются по целому ряду  характеристик: сокет, архитектура, семейство и количество ядер, кэш (L1, L2, L3), номинальная рабочая частота, энергопотребление и тепловыделение, разгонный потенциал и т.д. Самое интересное, что некоторые характеристики меняются в пределах одной модели вместе со сменой, так называемого степпинга, т.е. ревизии ядра. В процессе жизненного цикла ядра, производителям приходится вносить в него мелкие изменения, которые не могут претендовать на отдельную модель. Эти изменения называются ревизиями ядра и, чаще всего, обозначаются цифробуквенными кодами. Однако в новых ревизиях  ядра могут встречаться достаточно весомые нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии. Предлагаю в данной статье рассмотреть основные характеристики современных процессоров.

Архитектура. Достаточно сложно дать однозначное определение данного термина. С  точки зрения программистов (для которых, собственно, и важен данный параметр), под архитектурой процессора подразумевается его способность исполнять определенный набор машинных кодов. Подавляющее  большинство современных CPU относятся к семейству x86, или Intel-совместимых процессоров с архитектурой IA32. Ее основа была заложена компанией Intel в микропроцессоре i80386, однако в последующих семействах процессоров была дополнена и расширена как самой Intel (введены новые наборы команд MMX, SSE, SSE2 и SSE3), так и сторонними производителями (наборы команд EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow!, разработанные компанией AMD).

Однако разработчики железа используют  понятие «архитектура процессора» (иногда, чтобы окончательно не запутаться, используется термин «микроархитектура») несколько в ином контексте. С их точки зрения, архитектура процессора отражает основные принципы внутренней структуры конкретных семейств микропроцессоров. Например, архитектура процессоров Intel Pentium 4 обозначалась как NetBurst. После того, как компания Intel закрыла архитектуру Р5(Pentium и Pentium MMX) для сторонних производителей, ее основной конкурент – компания AMD была вынуждена разработать собственную архитектуру – К7 для процессоров Athlon и Athlon XP, и К8 для Athlon 64. Однако  дальнейшее развитие Intel Pentium 4 и его потомка Pentium D на архитектуре NetBurst зашло в тупик, и компания вернулась к архитектуре P6, заменяя ее приемником Intel Core (на ней были выпущены мобильные процессоры) и Core 2 (мобильные и десктопные процессоры, имеющие 2 и 4 ядра). Ответом AMD на выпуск многоядерных процессоров Core 2 от Intel была архитектура K10, которой выпущены процессоры Phenom, Phenom II(X4 и X6). Однако единственным весомым  преимуществом каждого из процессоров AMD (за исключением Phenom II X6) перед их прямыми конкурентами  от Intel (по уровню производительности) является их цена. Лишь с выпуском Phenom II X6 AMD смогла потягаться с флагманами Intel линейки Core i7 Extreme. Но, как и ожидалось , Intel  продолжает планомерное развитие своей линейки Core ix.На смену микроархитектуре Nehalem приходит новое поколение процессоров на новой аппаратной платформе Sandy Bridge.

Если не вдаваться в  технические подробности, то для  конечного пользователя положение  дел следующее: на рынке присутствует большое количество процессоров Intel в трех (достаточно условно) семействах – завалявшиеся на складах Core 2 Duo,Quad,Extreme; относительно новые, но в ближайшем  будущем исчезнувшие, Core i3,5,7 (Westmere), и свеженькие Core i3,5,7(Sandy Bridge). Отдельно можно отметить процессоры Core i7 Extreme Edition. Традиционно они стоят достаточно больших денег, требуют для системы  дорогих комплектующих (материнские  платы на чипсете X58, трехканальную  память DDR3) и предназначены для  игроманов и экстремальных оверклокеров-энтузиастов. У AMD в продаже сейчас можно встретить  процессоры архитектур K8(Sempron, Athlon 64 X2) и K10(Athlon IIX2/X3/X4, Phenom, Phenom II).

Сокет(Socket) или разъём центрального процессора (CPU) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для интеграции чипа центрального процессора в схему материнской платы. Использование разъёма вместо прямой пайки микропроцессора на материнской плате упростило  смену процессора для модернизации (апгрейда) и/или ремонта компьютера. Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора. Однако процессоры, имеющие одинаковые сокеты не обязательно буду работать с материнской платой, т.к. возможно плата не поддерживает данный процессор на уровне чипсета, или функционал процессора будет серьезно занижен. До недавнего времени подавляющее большинство процессоров Intel имело Socket T (LGA s775). Можно сказать, что это был своего рода эталонный сокет, т.к. он обеспечивал все потребности нескольких поколений процессоров на протяжении почти 5 лет. Стоит заметить, что у данного сокета было немало недостатков с точки зрения электроники (слабая шина передачи, высокие потери энергии), но механика крепления была намного удобнее, нежели таковая у сокетов AMD, а масштабируемость шины позволяла использовать несколько поколений процессоров (Pentium 4, Core 2).

На данный момент в магазинах  можно найти процессоры для следующих  сокетов:

Intel:

•      Socket T (LGA 775) – Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core Celeron;

•      Socket H (LGA 1156) – Core i3,5,7(Whestmere,Nehalem);

•      Socket H2 (LGA 1155) – Core i3,5,7(Sandy bridge);

•      Socket B (LGA 1366) – Core i7 (9xx).

AMD:

•      Socket AM2 – Athlon 64 X2;

•      Socket AM2+ – Phenom II, Athlon 64 X2;

•      Socket AM3 – Athlon II X2/X3/X4, Phenom II X4/X6, Semprone.

Ну вот мы и подошли  к самому вкусному. Ядро. Здесь для маркетологов просто раздолье. Нас с Вами пытаются заманить количеством ядер, количеством ядер на одном кристалле, мощными названиями ядер. Да, конечно стоит понимать, что разработчики каждый день привносят изменения в структуру ядра и компании-производители рады каждый год выпускать новое ядро, а соответственно и новую линейку процессоров. Зачастую смена процессора одной линейки на другой не приводит к сколько-нибудь значимому приросту производительности системы. Так что же кроется за звучным словом ядро?

 
2 ядра Core 2 Duo

 
4 ядра Core 2 Quad

 
6 ядер Phenom II X6

Термин «ядро процессора» (core) имеет размытое определение и в зависимости от контекста  может означать:

a)       Часть чипа микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки.

b)      кристалл микропроцессора (CPU или GPU), чаще всего, открытый.

c)       часть чипа процессора, осуществляющая выполнение одного или небольшого количества (до 8 ) потоков команд. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер и поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Как уже было сказано различия могут появиться даже в пределах одного поколения ядер вместе со сменой ревизии. Но значительные изменения  происходят  со сменой имени (кода) ядра. (Здесь  мы говорим о смене ядра в пределах одной микроархитектуры всего процессора – прим.). Чаще всего это означает переход на новый, более тонкий, технологический процесс производства, что влечет за собой снижение энергопотребления ядра, уменьшение площади, занимаемой кристаллом, улучшение тепловых характеристик процессора, и как следствие дает возможность увеличить частоту «камня», а с ней и производительность системы. Но иногда происходит нечто иное – производитель, изначально использовавший 2 старых ядра на разных кристаллах кремния, просто объединяет их в один кристалл и называет это новым ядром. Тут стоит упомянуть количество ядер на одном кристалле. Intel пошла о экстенсивному пути развития и чаще использует каждое ядро на своем кристалле, в отличие от AMD, которые стараются интегрировать все в 1 «камень».

А что же с количество ядер? Когда только были анонсированы многоядерные процессоры, многие скептически относились к их применению в ПК, ведь задачи которые они позволяют решать, достаточно специфичны (обработка видео и звука, работа с CAD/CAM/CAE, работа с базами данных, шифрование и сжатие данных, виртуализация). Для всех этих задач существует свой ряд аппаратного обеспечения, способного  к более производительным решениям, так зачем переносить их на домашние ПК? Этот вопрос остался открытым и те, кто не купились на маркетинговые ухищрения, прошли мимо первых многоядерных процессоров. Но со временем и операционные системы, и многие приложения (а главное игры) были адаптированы под параллельные вычисления, и пришла пора многоядерных процессоров. Стоит сказать, что пора то пришла, но многократное увеличение количества ядер принципиально не может поднять производительность в некоторых приложениях, совершенно не требующих параллелизма. Еще один минус большого количества ядер – энергопотребление. Вместе с количеством ядер, увеличивается и количество транзисторов, требующих энергии. Так что при выборе процессора задайтесь вопросом необходимости большого количества ядер (какие задачи вы хотите решать?).

На данный момент на рынке  присутствуют процессоры 2-х,3-х,4-х,6-ти – ядерные. Большее количество ядер можно встретить лишь в промышленных и серверных решениях, а также  игровых приставках.

Теперь разберемся с частотой процессора. Каждый знает, что чем больше частота, тем быстрее процессор. В принципе это утверждение верно, но не все тут, что естественно  в микроэлектронике,  так очевидно. Ведь под частотой скрываются сразу несколько параметров:

•           Частота интерфейса. Для обмена с другими устройствами процессор использует шину FSB или другие интерфейсы. Во всех современных системах используются технологии, умножающие скорость обмена данными по системной шине, и частота  может указываться уже с учетом умножения. Для большинства процессоров AMD Athlon 64 X2 и AMD Phenom II частота интерфейса (номинальная) составляет 200 Мгц, а для обмена данными с чипсетом используется шина HT (Hyper Transport), которая работает на частотах, в несколько раз больших, нежели FSB.

•           Множитель, или коэффициент умножения. Ядро центрального процессора работает на тактовой частоте, являющейся произведением частоты FSB на коэффициент умножения.

•           Тактовая частота. Параметр, показывающий реальную частоту работы ядра процессора.

Та частота, которую нам предлагают продавцы, тактовая, получается из частоты шины (в общем случае интерфейса процессора и системы, т.к. сейчас существует несколько типов принципиально разных интерфейсов связи CPU, материнской платы и ОЗУ) и внутреннего множителя процессора, путем их перемножения. Чаще всего производители блокируют множитель или ограничивают его парой значений. При повышении частоты шины будет увеличена и частота процессора. Данный процесс относится  к одному из способов «разгона» (оверклокинга) системы. Зачастую не стоит выбирать слишком «скоростные» процессоры ведь от их младших братьев можно получить туже скорость, за меньшие деньги, а также высокая частота процессора не даст преимущества, если, например, у Вас медленная память. Так что стоит отдать предпочтение более современному ядру, нежели высокой частоте.

Перейдем  к еще одному параметру – внутренней памяти или кэшу (англ.- cache). Зачастую не особо важный параметр, т.к. его значение определяется практически, в ходе испытаний, и редко когда изменяется в пределах одной линейки процессоров. Но иногда выпускались неудачные процессоры, в которых в результате технологических и маркетинговых ограничений кэш был урезан, что резко снижало производительность микропроцессора.

Кэш – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся данные, с которыми CPU работает в чаще или работал в процессе последних операций, благодаря чему реально уменьшается количество обращений микропроцессора к чрезвычайно медленной (в сравнении с частотой процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность «камешка».