Персональный компьютер

ign="justify">    10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.

     19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

    27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это, в свою очередь, ожидается к 2010 году.

    26 октября 2009 года Tilera анонсировала 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx. Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством технологии Mesh Network. Процессоры производятся по 40-нм нормам техпроцесса и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

    На  данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

    Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

    К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

    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 . Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно, чем у предшественника.

Кэширование

    Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кеш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

    Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Гарвардская архитектура

    Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

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).

Характеристики  современных процессоров

    Современный процессор для ПК — это сложнейшее устройство с множеством технических характеристик. И однозначного ответа на вопрос, какой процессор лучше, просто не существует в силу того, что нельзя все характеристики процессора свести к единому интегральному критерию, который мог бы служить показателем его качества.

    Если  попытаться классифицировать все характеристики современных процессоров с точки  зрения пользователя, то можно выделить четыре основные группы:

производительность;

энергоэффективность;

функциональные  возможности;

стоимость.

    Если  со стоимостью все понятно, то вот  остальные характеристики процессоров  нуждаются в комментариях.

Энергоэффективность

    Еще два-три года назад выбор процессора для ПК ограничивался рассмотрением двух составляющих — производительности процессора и его стоимости, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота. Однако времена меняются, и уже сейчас сводить все только к производительности и стоимости — значит сильно упрощать реальную ситуацию. Кроме абсолютной производительности процессоры принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой электроэнергии. Ранее, когда потребляемая процессором мощность составляла всего несколько десятков ватт, на такую характеристику, как энергоэффективность, просто не обращали внимание. Однако при достижении потребляемой процессором мощности рубежа в 100 Вт и даже его превышении энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик процессора.

    И дело даже не только (и не столько) в  том, что чем выше потребляемая процессором  мощность, тем больше приходится платить  за электроэнергию (в России эта  проблема не столь актуальна), а в том, что процессоры с высоким энергопотреблением трудно охлаждать. Приходится использовать массивные и шумные кулеры, что исключает возможность создавать малошумные ПК. Естественно, оптимальным решением будет производительный процессор с низким энергопотреблением, что, собственно, и отражено в понятии энергоэффективности.

    Понятно, что энергоэффективность процессора, как и его производительность, не имеет численного выражения и  в этом смысле не является технической  характеристикой процессора. В то же время энергоэффективность зависит от таких характеристик, как микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая мощность и поддержка процессором функции энергосбережения.

Функциональные  возможности

    Кроме производительности и энергоэффективности, современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. К примеру, современные процессоры Intel (в зависимости от модели) поддерживают такие технологии, как технология виртуализации Intel Virtualization Technology (Intel VT), технология защиты от вирусов Execute Disable Bit, технология 64-разрядных вычислений Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T), технология защиты от перегрева Intel Thermal Monitor 2, технологии энергосбережения Enhanced Intel SpeedStep и Enhanced Halt State (C1E).

    В процессорах AMD тоже присутствуют аналогичные  технологии, но называются они по-другому, да и реализованы несколько иначе. К примеру, в зависимости от модели, в процессорах AMD могут поддерживаться технология 64-разрядных вычислений AMD 64, технология антивирусной защиты NX Bit, технология виртуализации AMD Virtualization и технология энергосбережения AMD Cool ‘n’ Quiet.

Производительность

    Под производительностью процессора принято  понимать скорость выполнения им задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на реализацию той или иной задачи, тем выше его производительность. Казалось бы, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако не все так просто. Рассмотрим простой пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в первом приложении, а второй процессор — во втором. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Ответ здесь отнюдь не тривиален, и реальная ситуация такова, что какие-то процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а какие-то — на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой абсолютной истине), а о производительности на наборе приложений.

    На  производительность процессора оказывают  непосредственное влияние его микроархитектура, размер кэша, тактовая частота и  количество ядер процессора. Напомним, что, кроме одноядерных, в настоящее время существует большое многообразие двухъядерных процессоров для ПК. Собственно, переход от одноядерных процессоров к многоядерным — это современный тренд в развитии процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне очевидна. Дело в том, что на протяжении всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности являлось наращивание тактовой частоты. В то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Собственно, энергопотребление процессоров сегодня уже достигло той критической отметки, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты стало невозможным, поскольку процессоры просто нечем будет охлаждать. А это означает, что возникла необходимость в поиске кардинально иных способов увеличения производительности процессоров, и один из них — переход от одноядерных процессоров к двухъядерным и многоядерным. Причем это действительно революционный шаг в развитии процессоров, поскольку он не просто меняет архитектуру процессоров, но и требует изменения всей инфраструктуры, включая программное обеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать выигрыш по производительности только в том случае, если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код написан таким образом, что подразумевает только последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности проку не будет.