1.2 Характеристики микропроцессоров
В качестве основных характеристик микропроцессоров используют тактовую частоту, архитектуру ядра и количество ядер, технологический процесс производства, частоту системной шины, размер кэша, параметры энергоэффективности и поддерживаемые технологии. Все эти характеристики, так или иначе, определяют самую главную характеристику любого процессора ‑ его производительность.
1.2.1 Тактовая частота
До недавнего времени тактовая частота процессора напрямую связывалась с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота процессора, тем он производительнее. Собственно, сама архитектура NetBurst, положенная в основу процессоров Intel Pentium 4, изначально была ориентирована на то, что основным средством увеличения производительности процессоров будет рост тактовой частоты. Действительно, за время существования процессоров Intel Pentium 4 их тактовая частота была увеличена во много раз. Конечно, увеличение тактовой частоты – это далеко не единственное нововведение, которое сопутствовало появлению новых процессоров семейства Intel Pentium 4. В то же время можно сказать, что для процессора Pentium 4 повышение тактовой частоты являлось одним из основных способов увеличения его производительности. Однако и потребители, и разработчики могут сейчас убедиться в том, что подобная «гигагерцевая гонка» не стала оптимальным способом увеличения мощности. Зависимость между тактовой частотой процессора и его производительностью достаточно простая. Производительность процессора принято отождествлять со скоростью выполнения им инструкций программного кода; таким образом, производительность – это количество инструкций, выполняемых процессором в единицу времени:
Переписав это выражение в виде произведения количества инструкций, выполняемых за один такт процессора (Instruction Per Clock, IPC), на количество тактов процессора за единицу времени (тактовая частота процессора, ):
получаем, что производительность процессора прямо пропорциональна его тактовой частоте.
1.2.2 Архитектура процессора
Из приведенной формулы вытекает, что, кроме тактовой частоты, производительность процессора зависит и от количества инструкций, выполняемых за один такт процессора, которое, в свою очередь, определяется архитектурой процессора, то есть от количества исполняемых блоков, от длины конвейера и от эффективности его заполнения, от блока предвыборки и т. д. Кроме того, естественно, существует также зависимость от оптимизации программного кода к данной архитектуре процессора.
В результате того, что основные производители (Intel и AMD) столкнулись со значительными трудностями на пути увеличения тактовых частот, как процессорных ядер, так и шин передачи данных, а пользователи и разработчики программного обеспечения по-прежнему требовали увеличения мощности систем, пришлось искать другие выходы из сложившегося положения.
В этом свете наиболее перспективным решением стало увеличение количества ядер микропроцессора. Следует сказать, что подобная идея впервые пришла на ум «голубому гиганту» (IBM) еще в далеком 1999 году, когда он представил опытный образец двуядерного Power4, а в 2001 году совместно с Apple уже вовсю торговал готовыми решениями.
Производители процессоров для платформы х86 спустя год после этого события (2002) заявили о своих намерениях развивать многоядерную архитектуру микропроцессоров. Стремясь подтвердить свой статус лидера отрасли, компания Intel первой выпустила подобный чип в марте 2005 года. Ее главный конкурент, AMD, отстав всего на три дня, представил полную линейку серверных двуядерных процессоров Opteron, анонсировал двуядерные процессоры Athlon 64 Х2 для настольных систем и начал поставки Opteron 8xx.
Апофеозом противостояния двух ведущих компаний стал момент выхода на рынок продуктов Intel Core 2. Это событие датируется 27 июля 2006 года, что не только изменило расстановку сил на рынке, но и коренным образом повлияло на критерии оценки производительности.
Маркетологи из Intel предложили вместо тактовой частоты оперировать категориями энергоэффективности. В этом свете ключевым параметром стала оптимальная производительность, которая отражает количество энергии, затрачиваемой процессором на выполнение определенного набора инструкций.
Рассмотрим формулу, предложенную Intel, более детально. Производительность (Performance) определяется как произведение тактовой частоты процессора (Frequency) на величину IPC, определяющую количество инструкций, исполняемых CPU за один такт:
.
Получается, что увеличить быстродействие можно двумя способами: поднимая частоту и/или увеличивая количество инструкций, выполняемых за один такт.
Параметр Frequency зависит от технических характеристик процессора. Для конкретного экземпляра процессора частоту можно увеличить сверх номинала, подняв напряжение и не забыв при этом поставить более мощную систему охлаждения.
В свою очередь, второй аргумент формулы зависит от логической структуры процессорного ядра: количества декодеров инструкций и количества вычислительных блоков. Функциональные особенности каждого из этих узлов играют не менее, важную роль, чем их количество. В частности, повышение производительности процессора возможно за счет уменьшения числа операций для обработки одного и того же объема данных. Типичным примером является внедрение SIMD-команд, таких как 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3 и SSE4.
Что же касается энергопотребления, то оно вычисляется как произведение тактовой частоты процессора на квадрат напряжения U, при котором функционирует процессорное ядро, и некую величину Cdynamic (динамическая емкость), определяемую архитектурой процессора и зависящую от количества транзисторов и их активности во время работы процессора:
.
Из этих двух формул вытекает следующее соотношение, определяющее энергоэффективность процессора:
Из него следует, что для получения наилучшего показателя производителям необходимо работать над оптимизацией архитектуры с целью улучшения функциональности исполнительных блоков, при этом, не допуская чрезмерного увеличения динамической емкости.
Как мы уже вскользь упоминали, напряжение питания ядра, также оказывающее влияние на соотношение производительности и энергопотребления, зависит не столько от архитектуры, сколько от технологических особенностей изготовления процессора. В этом легко убедиться, сравнив два процессора с одним и тем же индексом, но произведенных по различным техпроцессам.
Что касается тактовой частоты, то, как показывают наши выкладки, на рассматриваемое соотношение она вообще не влияет. Поэтому, сделав такой элегантный ход конем, Intel вышла из гонки, не только сохранив репутацию, но и озадачив при этом AMD, чьи изделия на тот момент также были довольно «горячи».
На первый взгляд все эти формулы и логические выкладки от Intel весьма перспективны, однако подобный подход в оценке эффективности не является самым оптимальным, ведь замечательными показателями энергоэффективности при желании смогут похвастаться и маломощные процессоры.
В свете сомнительной формулы от Intel главный конкурент в долгу не остался. В своей инновационной разработке под кодовым именем Fusion инженеры из AMD предложили пойти еще дальше и оценивать продукт по формуле «операция на ватт и на доллар».
В частности, концепция Fusion предполагает объединение ядер различного назначения в одном чипе. Каждое из них (или каждая из групп ядер) будет обращаться к собственной кэш-памяти, а в качестве связующей шины выступит HyperTransport. Процессоры Fusion будут напрямую обращаться к системной памяти, разделяемой между нуждами центральной и графической частей процессора. Вероятно, даже техпроцесс изготовления CPU и GPU будет различаться.