Современный компьютер. Сборка и модернизация

Лаптев Дмитрий

Попытку отойти от канонов предприняла компания Intel в процессорах Pentium 4. Подход, реализованный в архитектуре, получившей имя собственное Netburst, предполагает, что поступающие команды выстраиваются в длинную очередь, которую еще называют конвейером, и процессор исполняет команды как бы заранее, не дожидаясь, пока необходимость в той или иной операции возникнет по ходу программы. Таким образом разработчики стараются добиться максимальной загрузки всех блоков процессора. Для эффективной работы такому процессору требуется высокая тактовая частота, иначе конвейер будет продвигаться медленно, а также поддержка фирменных технологий, вроде широко разрекламированной «виртуальной многопоточности» Hyper-Threading, и в обязательном порядке – оптимизация каждой программы на этапе разработки таким образом, чтобы все блоки такого процессора равномерно загружались.

 

В случае если

программа не использует преимущества Netburst, то производительность процессора резко падает. Однако даже с учетом оптимизации производительность такого процессора оказалась на уровне конкурентов с «традиционной» архитектурой, имеющих в 1,5–2 раза меньшую частоту. Например, используемый в ноутбуках процессор Pentium M на частоте 1,7 ГГц уверенно лидирует в тестах при сравнении с Pentium 4 2,4 ГГц, а по ряду позиций тягается даже с Pentium 4 3,0 ГГц! Еще более показателен пример Athlon 64. Например, модель 3200+ на своих скромных 2 ГГц в особо тяжелых игровых тестах (DOOM III) дает фору даже монструозному Pentium 4 Extreme Edition, работающему на 3,4 ГГц! Кроме того, даже в оптимизированных программах с разветвленным алгоритмом, велика вероятность, что результаты команд, исполненных заранее, придется отбросить, потому что ход алгоритма оказался не прямолинейным. В таком случае по конвейеру протягивается «пузырь», поскольку загрузка команд допускается только в хвост очереди, и процессору несколько десятков тактов приходится работать вхолостую. Кроме того, для достижения высоких частот на процессорное ядро приходится подавать сравнительно высокое напряжение, поэтому такие процессоры потребляют больше энергии, сильнее греются и нуждаются в интенсивном охлаждении.

Эти отрицательные свойства, безусловно, были известны разработчикам. Расчет же состоял исключительно в том, что такие процессоры смогут развиваться в направлении высоких тактовых частот значительно быстрее процессоров, построенных на традиционной архитектуре. Поначалу все так и происходило. Если верить первоначальным планам Intel, то сейчас мы уже должны были бы пользоваться процессорами с частотой 10 ГГц. В это трудно поверить, но именно таковы были прогнозы на 2005 год. Но в 2003–2004 годах наступил своеобразный «частотный кризис». Процессоры Pentium 4 достигли частот в 3,4 ГГц, и дальнейший разгон прекратился. С большими усилиями удалось выпустить версии 3,6 и 3,8 ГГц, которые не получили массового распространения из-за высоких цен и невероятно высокого тепловыделения. Бывали случаи, когда такие процессоры не могли работать на полную мощность, даже при абсолютно исправном охлаждении, из-за срабатывания защиты от перегрева. А выпуск процессора с частотой 4 ГГц и вовсе был отменен. На данный момент уже можно сказать, что архитектура Netburst признана в целом неперспективной самими разработчиками, поскольку будущее поколение процессоров, заявленное к выпуску в 2006–2007 годах, будет основано на традиционной архитектуре, а именно – на основе Pentium III, снабженного поддержкой новых наборов команд, появившихся в Pentium 4 и, наверняка, рядом новых усовершенствований.

Между тем на специализированных задачах, для которых характерна обработка данных, поступающих непрерывным потоком, особенно когда требуется прокачать через процессор гигабайты данных, как это бывает во время видеомонтажа или микширования многоканального звука, архитектура Netburst дает ощутимый выигрыш и, вполне возможно, еще получит применение в специализированных системах для подобного рода работ.

Разумеется, процессоры с традиционной архитектурой за прошедшее время тоже прошли нелегкий путь по дороге технических усовершенствований. Как уже говорилось, главным ограничителем, сдерживающим рост производительности при непосредственном исполнении команд, являются неизбежные задержки, возникающие всякий раз, когда появляется необходимость обращения за недостающими данными во внешнюю память. Даже оперативная память работает в сто раз медленнее процессора, а уж время, требуемое для реакции винчестера на выставленный запрос, вероятно, с точки зрения процессора, кажется вечностью! И какой смысл наращивать частоту процессора, если ему все равно придется спотыкаться на каждом шагу по вине своих неторопливых «слуг»?

Поэтому именно вокруг борьбы с этими диспропорциями и сосредоточены усилия разработчиков, и, надо сказать, результаты впечатляют! Современные «традиционные» процессоры также умеют просматривать вперед алгоритм программы, что позволяет избежать простоя по вине команд обращения к данным. Так, например, процессор может заранее начать закачку данных с жесткого диска в оперативную память, и когда они потребуются по ходу программы, то уже не придется ждать их загрузки. А чтобы процессору не приходилось обращаться за необходимыми данными вторично в оперативную память, особое внимание уделяется кэш-памяти. При этом используется двухуровневая модель, когда наиболее востребованные данные помещаются на первом уровне, имеющем максимальную производительность, а менее востребованные хранятся на втором уровне.

Но, совершенно очевидно, каков бы ни был объем кэш-памяти, рассчитывать, что это сколько-нибудь существенно отразится на необходимости обращаться за данными в оперативную память, не приходится. Объем внешней памяти, занимаемый программами, измеряется сотнями мегабайт, и к тому же существует масса программ, не предполагающих «повторное» обращение к одним и тем же данным, поэтому их просто бессмысленно помещать в кэш-память. Причем в последний класс попадают задачи, связанные с наиболее востребованной по нынешним временам переработкой мультимедийных данных – оцифрованного видео, аудио, компьютерной объемной графики в играх и программах 3D-моделирования.

Поэтому нужно стремиться использовать гораздо более перспективный и универсальный путь – совершенствовать способ работы с оперативной памятью. Так, в наиболее совершенном из процессоров, построенных по традиционной архитектуре, – Athlon 64, оперативная память соединена с процессором отдельным быстродействующим каналом. В остальных случаях для этой цели используется общий системный канал, а управляет работой отдельная микросхема на материнской плате. Задержка при обращении в память по новой схеме составляет от нескольких наносекунд при последовательном считывании до 60–70 нc при полностью случайном поиске ячеек памяти. Это в 1,5–2 раза быстрее по сравнению с ранее существовавшими схемами организации работы с памятью!

Частота и разрядность

Кроме архитектуры, на производительность процессора влияет еще ряд параметров, которые различаются даже у процессоров, принадлежащих к одному семейству. В первую очередь – это тактовая частота самого процессора. Именно на выпуске вариантов с измененной частотой и строятся модельные ряды на всякий вкус и кошелек. По мере того как совершенствуется производство процессоров, появляются новые модели с большей частотой, а все их предшественники в этот момент дешевеют, смещаются на одну ступеньку вниз в ценовой «табели о рангах». Таким образом, точно сказать, какого диапазона частот стоит придерживаться, нельзя, так как информация устаревает очень быстро. Но есть любопытное наблюдение, которое остается истинным уже довольно давно. И нет причин, чтобы оно перестало действовать в будущем. Наиболее выгодным приобретением являются процессоры из середины модельного ряда, старшие, как правило, стоят намного дороже середнячков, имея всего лишь на 200–400 МГц большую частоту.

Второй параметр, который часто можно встретить даже в прайс-листах в кратких описаниях процессоров, – частота системной шины (FSB). Системная шина – это канал, связывающий процессор с системами ввода и вывода данных. Здесь никаких хитростей нет. Чем выше частота шины, тем меньше придется простаивать процессору в ожидании данных и команд, поступающих из оперативной памяти. Исключение составляет упомянутый Athlon 64, так как для него этот параметр лишен смысла. Этот процессор работает с памятью через свой выделенный канал, и скорость обмена данными ограничивается только возможностями самой памяти. Для сообщения с остальной периферией – жесткими дисками, адаптером локальной сети и прочим оборудованием используется фирменный канал Hyper-Transport, пришедший на персональные компьютеры из мира серверов и обладающий большим запасом пропускной способности.

Следующий параметр, подлежащий осмыслению, – это разрядность процессора. Эта величина описывает объем данных, которыми процессоры могут оперировать внутри своих вычислительных блоков. Справедливости ради, его стоило бы поставить на первое место по значимости, так как в технических справочниках по процессорам принята градация именно по этому параметру. Но до недавнего времени мы просто не имели возможности выбирать по этому критерию, так как все процессоры для персональных компьютеров (за исключением серверов и профессиональных рабочих станций) за последние без малого 20 лет были 32-битными. А еще раньше они были 16-битными. Лишь в 2003 году были выпущены первые 64-битные процессоры для персональных компьютеров (Athlon 64), а к настоящему времени совместимое 64-битное расширение было добавлено также в процессоры Pentium 4, принадлежащие к шестисотой серии. И по прогнозам экспертов, в течение ближайших 2–3 лет 64-битные процессоры полностью вытеснят в продаваемых компьютерах своих предшественников, хотя в общей массе они будут преобладать лишь через 3–4 года.