Современные процессоры, их сравнительные характеристики

Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором.

Однако остальные элементы ядра для обоих потоков - общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т.д.

Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее.

К тому же практически во всех программах - много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра.

Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра.

Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, - крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей.

Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading - это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален.

В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.

1.2.5 Технология Turbo Boost

Например, технология EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) позволяет динамически изменять энергопотребление процессора, за счет изменения тактовой частоты процессора и напряжения. Изменение тактовой частоты происходит, за счет уменьшения или увеличения коэффициента умножения.

О коэффициенте умножения я уже упоминал выше, но повторюсь. Тактовая частота процессора рассчитывается, как тактовая частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый коэффициентом умножения. Уменьшение или увеличение этого коэффициента ведет к уменьшению или увеличению тактовой частоты процессора и к снижению или увеличению рабочего напряжения.

В случаях, когда процессор используется не полностью, его тактовую частоту можно снизить, уменьшая коэффициент умножения. Как только пользователю потребуется больше вычислительных ресурсов, коэффициент умножения будет повышен, вплоть до своего номинального значения. Таким образом, удается несколько снизить энергопотребление.

Аналогичная технология для уменьшения энергопотребления, основанная на динамическом изменении напряжения и тактовой частоты, в зависимости от нагрузки на процессор, используется и компанией AMD, называется она - Cool'n'Quiet.

В абсолютном большинстве случаев вычислительные машины либо вовсе простаивают, либо используются лишь на долю своих возможностей. Например, для просмотра фильма или набора текста вовсе не нужно тех огромных вычислительных возможностей, которыми обладают современные процессоры. Тем более эти мощности не нужны и при простое компьютера, когда пользователь отошел или просто решил сделать небольшой перерыв. Снижая в такие моменты тактовую частоту процессора и его напряжение, можно получить очень серьезный прирост в экономии энергопотребления.

Параметры работы технологии EIST можно настраивать, используя BIOS и программное обеспечение операционной системы, и устанавливать требуемые для конкретного случая профили управления энергопотреблением, тем самым балансируя производительность процессора и его энергопотребление.

Естественно, разработчики стараются оптимизировать и саму структуру процессора для снижения энергопотребления и возможности работы процессора при сверхнизких напряжениях. Однако эта задача - крайне сложная и трудоемкая. Опытные образцы процессоров уже практически вплотную приблизились к порогу минимального рабочего напряжения и уже с трудом отличают напряжение логической единицы от логического нуля. Однако, несмотря на это, разработчики процессоров, в том числе инженеры корпорации Intel, обещают уменьшить энергопотребление современных процессоров аж в 100 раз за ближайшие десять лет. Ну что же, подождем и посмотрим, что у них выйдет.

2. КЭШ-память

Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает ваших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора - это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

КЭШ-память строится на базе дорогой SRAM-памяти (static random access memory), обеспечивающей доступ к ячейкам памяти гораздо более быстрый, чем к ячейкам DRAM-памяти (dynamic random access memory), на базе которой построена оперативная память. К тому же SRAM-память не требует постоянной регенерации, что так же увеличивает ее быстродействие. Однако более подробно устройство SRAM, DRAM и других типов памяти рассмотрим в следующей статье, а сейчас более подробно рассмотрим принцип работы и устройства КЭШ-памяти.

КЭШ-память делится на несколько уровней. В современных процессорах, обычно, бывает три уровня, а в некоторых топовых моделях процессоров иногда встречается и четыре уровня КЭШ-памяти.

КЭШ-память более высокого уровня всегда больше по размеру и медленнее КЭШ-памяти более низкого уровня.

Самая быстрая и самая маленькая КЭШ-память - это КЭШ-память первого уровня. Она обычно работает на частоте процессора, имеет объем несколько сотен килобайт и располагается в непосредственной близости от блоков выборки данных и команд. При этом она может быть единой (Принстонская архитектура) или разделяться на две части (Гарвардская архитектура): на память команд и память данных. В большинстве современных процессоров используют разделенную КЭШ-память первого уровня, так как это позволяет одновременно с выборкой команд осуществлять выборку данных, что крайне важно для работы конвейера.

КЭШ-память второго уровня - более медленная (время доступа, в среднем, 8-20 тактов процессора), но зато имеет объем несколько мегабайт.

КЭШ-память третьего уровня - еще медленнее, но имеет сравнительно большой объем. Встречаются процессоры с КЭШ-памятью третьего уровня больше 24 Мб.

В многоядерных процессорах, обычно, последний уровень КЭШ-памяти делают общим для всех ядер. Причем, в зависимости от нагрузки на ядра, может динамически изменяться отведенный ядру объем КЭШ-памяти последнего уровня. Если ядро имеет высокую нагрузку, то ему выделяется больше КЭШ-памяти, за счет уменьшения объема КЭШ-памяти для менее нагруженных ядер. Не все процессоры обладают такой возможностью, а только поддерживающие технологию Smart Cache (например, Intel Smart Cache или AMD Balanced Smart Cache).

КЭШ-память более низкого уровня - обычно, индивидуальная для каждого ядра процессора.

Мы рассмотрели, как устроена КЭШ-память, давайте теперь разберемся, как она работает.

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Однако, чем больше уровней КЭШ-памяти, тем сложнее алгоритм замещения устаревших данных и тем больше времени тратится на согласования данных во всех уровнях КЭШ-памяти. В результате, выигрыш от скорости работы КЭШ-памяти быстро сходит на нет. К тому же SRAM-память - очень дорогая, и при больших объемах, а, как помните, каждый новый уровень КЭШ-памяти должен быть больше предыдущего, быстро снижается показатель цена-качество, что крайне негативно сказывается на конкурентоспособности процессора. Поэтому на практике больше четырех уровней КЭШ-памяти не делают.

Ситуация с КЭШ-памятью дополнительно усложняется в многоядерных процессорах, каждое ядро которых содержит свою КЭШ-память. Необходимо вводить дополнительную синхронизацию данных, хранящихся в КЭШ-памяти разных ядер. Например, один и тот же блок данных основной оперативной памяти был занесен в КЭШ-память первого и второго ядра процессора. Затем первый процессор изменил этот блок памяти. Получается, что в КЭШ-памяти второго процессора лежат уже устаревшие данные и необходимо их обновить, а это дополнительная нагрузка на КЭШ-память, что приводит к снижению общего быстродействия процессора. Эта ситуация тем сложнее, чем больше ядер в процессоре, чем больше уровней КЭШ-памяти и чем больше их объем.

Но, несмотря на такие трудности в работе с КЭШ-памятью, ее применение дает явный прирост скорости работы без существенного увеличения стоимости ЭВМ. И пока не будет придумана оперативная память, которая сможет по скорости соперничать с SRAM-памятью, а по цене - с DRAM-памятью, будет применяться иерархическая организация оперативной памяти с использованием нескольких уровней КЭШ-памяти.

3. Сравнительные характеристики современных процессоров на 2015 г.

3.1 Особенности выбора процессора компьютера

Если проанализировать результаты тестов процессоров, то можно сделать вывод, что на конец 2015 года в ценовом диапазоне до 80 у.е. можно выбрать очень хорошие недорогие процессоры как Intel, так и AMD; по цене 80-250 у.е. процессоры без встроенной видеокарты AMD (серии FX-xxxx) намного более выгодны, чем Intel, а вот процессоры со встроенными видеокартами обоих производителей приблизительно равны. Среди дорогих мощных процессоров по цене выше 250 у.е. безусловным лидером и монополистом является Intel.

Рис. 2

Часто на форумах критикуют фабричную (BOX, боксовую) систему охлаждения и настойчиво рекомендуют использовать от сторонних производителей. В действительности же боксовые системы охлаждения спроектированы специально для своих процессоров, поэтому имеют как минимум хорошее качество, низкий уровень шума, и только на самые мощные процессоры или при разгоне необходима установка улучшенной системы охлаждения. Возможная причина столь частой критики боксовой системы охлаждения - устаревший BIOS материнской платы, так как очень часто после его обновления температура процессора падает на 5-12 градусов. Особенностью радиаторов для процессоров Intel являются пластмассовые клипсы, за конструкцию которых их часто критикуют, так как при установке (и особенно в случае повторной установки) радиатора на свое место они нередко выходят из строя (обычно по невнимательности). Также конструкция радиатора может способствовать со временем изгибанию недорогих материнских плат в районе процессора, что может привести к ее неисправности.

Рис. 3

процессор видеокарта компьютер

Конструкция радиаторов для процессоров AMD, как можно увидеть на изображении слева, намного лучше, так как она удобнее, проще, надежнее и предполагает наличие жесткого крепления на материнской плате, который делает невозможным ее изгиб. Правда, существуют одиночные случаи, когда пластмассовый выступ на креплении радиатора на не очень качественных материнских платах отламывается.

3.1.1 Особенности выбора процессора со встроенной видеокартой (гибридный процессор, APU)

Процессоры со встроенной видеокартой (на одном кристалле расположен непосредственно сам процессор и дополнительно видеокарта) производятся и Intel, и AMD. И хотя стоимость видеокарты в составе процессора обычно невысока - до 20% от общей стоимости, но ее быстродействие даже по современным меркам является достаточным для любых задач, кроме игр на средних и максимальных настройках качества. Более высокая интеграция компонентов влечет за собой меньше энергопотребление, меньше нагрев и ожидаемо более высокую надежность компьютера, поэтому процессоры со встроенной видеокартой идеально подходят для домашних компактных мультимедийных центров, универсальных компьютеров с начальными игровыми возможностями или с расчетом на дальнейшую модернизацию мощной видеокартой.

По причине того, что в качестве видеопамяти используется не DDR5, а более медленная оперативная память DDR3 или DDR4, то производительность встроенной видеокарты процессора по определению не может быть очень высокой и для полноценных игровых компьютеров все же необходима игровая видеокарта хотя бы среднего уровня. Если игры на максимальных настройках качества не планируют жить на компьютере, бюджет сильно ограничен или в будущем планируется модернизация игровой видеокартой, то лучше выбрать процессор со встроенной видеокартой.

3.2 Производительность встроенных видеокарт

Производительность встроенных видеокарт в процессоры от AMD позволяет называть их игровыми бюджетного уровня в отличие от Intel аналогичного класса, которые можно назвать только условно игровыми, так как их быстродействие ниже в среднем на 30-70%. Другими словами, встроенные видеокарты в процессоры Intel и AMD справятся на отлично со всеми неигровыми задачами, а вот с играми лучше всего справляются встроенные видеокарты в процессорах AMD, причем их производительность сильно зависит от цены процессора, частоты оперативной памяти и ее двухканального режима работы. И хотя с конца 2014 года во многих процессорах Intel тоже встроены неплохие видеокарты (HD 4000, 4400 и 4600), а с середины 2015 года видеокарты, встроенные в некоторые новые модели процессоров Intel, практически удвоили свое быстродействие, но все же у гибридных процессоров AMD для недорогих игровых компьютеров сочетание производительности процессора, встроенной видеокарты и цены значительно лучше.

3.3 Материнские платы со встроенными процессорами

У материнских плат со встроенными (впаянными) процессорами есть очень существенные преимущества - это невысокая цена, небольшие размеры, энергоэффективность и полная тишина в работе (при использовании SSD-диска и бесшумного блока питания), причем последний фактор первое время кажется неестественным, так как большинство пользователей привыкли к большему или меньшему шуму системного блока. Главное назначение таких гибридов материнских плат и процессоров - основа для HTPC (домашнего мультимедийного центра), который обычно используется в паре с телевизором или монитором. К сожалению, сделать компактное и одновременно бесшумное охлаждение мощного процессора невозможно, поэтому обычно используются процессоры с очень скромными характеристиками. Тем не менее, все они позволяют комфортно работать в офисных программах, Интернете, смотреть онлайн/оффлайн видео и даже играть не только в простые игры типа "Zuma" или "Веселая ферма", но и более тяжелые.

Рис. 4

Материнские платы со встроенными процессорами: - Intel Atom N270/D425/D2500 имеют низкую производительность и не рекомендуются к покупке; - Intel Atom 330/D2550/D510/D525, AMD C-70/E1-2100/E-350/E2-1800/E2-2000 имеют также низкую производительность, но с обычными задачами в большинстве случаев смогут справится без проблем; - Intel Celeron 847/J1800/1037U/J1900/N3050/N3150, Intel Pentium J2900/N3700 и AMD A4-5000 имеют неплохое быстродействие и вряд ли сильно расстроят своей медлительностью. Лучшими встроенными процессорами на конец 2015 года по соотношению производительность/цена являются Intel Celeron 1037U и J1900 (например, в составе материнской платы Asus J1900I-C), а также Intel Pentium J2900 и N3700.