рассмотрение основных характеристик современных процессоров; - выделение особенностей современных процессоров.
Программные продукты и системы
Главной особенностью новых чипов является архитектура Alder Lake, благодаря которой стало возможным размещение двух типов ядер в процессоре. Intel называет эти ядра P — Performance (производительные) и E — Efficiency (эффективные). p), а часть – энергоэффективное (efficient - e). Их же называют «большими» и «малыми» соответственно. В секционированной архитектуре каждый процессор загружается в отдельные сегменты физической памяти и работает независимо; в SMP-ОС процессоры работают в общем пространстве, выполняя потоки внутри ОС независимо. Если кому-то нужно распознавание изображений, то он реализует эти алгоритмы в «железе». Если кто-то хочет симулировать работу новой аппаратной архитектуры, то перед изготовлением её можно протестировать на FPGA. ИИ позволяет процессору обучаться и адаптироваться к различным задачам, что позволяет повысить эффективность работы и увеличить скорость выполнения задач. Еще одной новой технологией в архитектуре процессоров является использование распределенных систем. p), а часть – энергоэффективное (efficient - e). Их же называют «большими» и «малыми» соответственно.
Как устроен процессор. Почему за ARM будущее?
Что это такое и зачем нужно знать их разновидности? Арина Жукова Копирайтер, автор текстов про дом и отдых 24 марта 2021 г. Уже многие годы её удачно используют в планшетах и смартфонах. А приход новой эпохи IT-автоматизации вывел продукт на более продвинутый уровень популярности.
Смартфон давно расширил свои возможности — мы звоним, проверяем почту, общаемся в социальных сетях, смотрим видео и загружаем новые приложения для игр. Разработчики обеспечены работой на многие годы вперед, ведь каждая модель нуждается в своей версии — тогда работа программы будет происходить без сбоев. Какие основные разновидности процессоров известны?
Соответственно скачивать его не советуют. Впрочем, часть программ, созданных для 32-битных систем, подходят к 64-разрядным и отлично работают.
Впрочем, заявление ARM о том, что ядро Cortex-A715 имеет ту же производительность, что и Cortex-Х1, является отличной новостью для производителей чипов, которые в конечном итоге задействуют новинку в процессорах среднего уровня. Эти системы на кристалле потенциально смогут обеспечить значительное повышение производительности центрального процессора без соответствующего повышения энергопотребления, как это было в последних флагманских процессорах. Какие перспективы у Immortalis-G715? Дело в том, что Qualcomm и Samsung уже предлагают свои собственные графические процессоры в системах на кристалле — Adreno и AMD Xclipse соответственно. А вот MediaTek по-прежнему использует графические чипы компании ARM для своих флагманских систем на кристалле, так что никого не должно удивить появление в 2023 году топового чипсета с графическим ускорителем Immortalis-G715. Но не стоит забывать, что Samsung и MediaTek также используют графические процессоры ARM в своих процессорах среднего уровня, так что придётся немного подождать и посмотреть, будут ли эти компании использовать Mali-G715 или Mali-G615 в своих более доступных системах на кристалле в следующем году.
Стоит ли ожидать в 2023 году только 64-битные смартфоны? Ещё в октябре 2020 года компания ARM официально заявила, что начиная с 2022 года её процессоры будут исключительно 64-битными. Сейчас как раз подходит к концу 2022 год, и технически это действительно так — Cortex-X3 и Cortex-A715 являются 64-битными ядрами, в то время как Cortex-A510 выступает полностью 64-разрядным ядром с дополнительной поддержкой 32-разрядной архитектуры для устаревших вариантов систем. Кроме того, стоит напомнить, что сейчас Google Play требует, чтобы все представленные на платформе приложения имели 64-битную поддержку, а альянс компаний Xiaomi, Vivo и Oppo в Китае объявил, что все приложения должны иметь 64-битную поддержку. Правда, есть несколько препятствий на пути к полному переходу на исключительно 64-битные приложения.
И несколько слов о Bobcat.
Процессоры на этом ядре будут довольно сильно урезанными версиями Bulldozer. С одной стороны это снизит производительность, а с другой позволит значительно уменьшить энергопотребление. Ожидается, что они найдут свое место в сегменте смартфонов, карманных компьютеров, UMPC, телевизорах, ТВ-приставках и так далее. Теперь посмотрим, чем на все это "безобразие" ответит Intel. Nehalem: реинкарнация нерожденных процессоров Intel У Intel архитектура следующего поколения называется Nehalem. Однако если обратиться к архивным документам, то можно обнаружить, что процессор с таким кодовым именем был запланирован еще в 2000 году.
Но по планам того времени это должен был стать чип, в основу которого легла бы архитектура NetBurst, используемая в Pentium 4 и Pentium D. В 2004 году Intel официально заявила, что Tejas представлен не будет, а все силы компания бросает на разработку принципиально нового процессора, которым стал Core 2 Duo, представленный в 2006 году. Покопавшись в архиве новостей за последние несколько лет мы обнаружили некоторые интересные сведения о первой версии Nehalem. В 2003 году предполагалось, что частота Prescott достигнет 5. В конце 2004 года ожидался выход чипов на ядре Tejas. Выполненные по 90 нм техпроцессу его первые версии должны были работать на частотах до 5.
Судя по слухам, Tejas смог бы "дорасти" до внушительных 9. Nehalem в свою очередь стал бы очередным эволюционным витком NetBurst. Его начальная частота должна была составить 9. Системная шина при этом работала на 1200 МГц. Что ж, внушает надо сказать. Из данных прогнозов сбылись предсказания только насчет системной шины: сегодня она составляет 1333 МГц, а в будущих Penryn поднимется до 1600 МГц.
Да и Nehalem вновь всплыл в роадмэпе Intel. Вообще компания говорит о новой архитектуре еще с 2005 года, а во второй половине следующего она должна увидеть свет. Посмотрим, что предложат новые процессоры своим потенциальным потребителям. Вот примерный список возможностей архитектуры Nehalem: переменное число ядер. У первых версий их число достигнет восьми; встроенный контроллер памяти; поддержка новой высокоскоростной шины CSI; встроенное графическое ядро в специальных версиях ; 45 нм техпроцесс производства; поддержка новых SIMD-инструкций; поддержка многоуровневой кэш-памяти. При первом взгляде на данный список в голове мелькает мысль "где-то это мы уже видели".
И действительно, второй и третий пункты уже реализованы в процессорах AMD, а первый и четвертый будут присутствовать в Bulldozer. Конечно, реализация компании Intel будет довольно сильно отличаться - общие только идеи. Пока неизвестно, сколько ядер будет в Nehalem на пике развития этой архитектуры. Но точно известно даже официально подтверждено , что вернется поддержка технологии логической многопроцессорности, ранее применявшейся в Pentium 4 и известной как HyperThreading. О встроенном контроллере памяти известно очень мало. Мы только знаем, что он будет.
Данных о канальности пока нет. Информация о шине CSI ходит по Интернету уже несколько лет. По сути это альтернативная реализация HyperTransport. Последняя, к слову, присутствует на рынке уже более семи лет, хоть используется в процессорах AMD не более четырех. Теперь Intel решила реализовать идею последовательной шины, работающей по принципу точка-точка, и внедрить ее в свой процессор нового поколения. К сожалению, никаких данных о возможностях CSI пока нет.
Встроенное графическое ядро вероятнее всего будет присутствовать в мобильных версиях чипов Nehalem. При этом пока тоже не ясно, какой именно GPU будет взят за основу. По слухам Intel в последнее время стала вкладывать большие средства в разработку графических процессоров, поэтому не исключено, что новая встроенная графика будет обеспечивать весьма достойный уровень производительности. Само собой Nehalem будут устанавливаться в новые процессорные разъемы и ни о какой обратной совместимости с современными Core 2 Duo и Pentium D речи не идет. По неофициальным данным для работы новых ЦП потребуется 1366-контактный разъем Socket B. Как уже было сказано, первые версии Nehalem появятся в следующем году и будут изготовлены по 45 нм нормам техпроцесса.
Они будут позиционироваться в серверный сегмент. Настольные и мобильные варианты выйдут в 2009 году. Тогда же начнется постепенный переход на 32 нм техпроцесс. Первым чипом на его основе станет Westmere - эволюционное развитие Nehalem. Чуть позже предположительно в 2009-2010 годах его сменят новые процессоры на архитектуре Gesher. О ней сейчас известно еще меньше, чем о Nehalem.
Но Nehalem и Gesher - это далеко не единственные разработки Intel. Эта компания имеет достаточно ресурсов, чтобы финансировать множество независимых друг от друга проектов. К примеру, многим известен чип Itanium, который так и не оправдал возложенных на него надежд. Еще одна перспективная разработка сейчас создается в рамках проекта Terascale. Но это может статьи темой для одной из наших будущих статей.
Сама по себе крошечная доля джоуля не кажется особо значительной, но при передаче данных внутри, а не снаружи чипа, она используется на 3-4 порядка эффективнее. Благодаря интеграции таких акселераторов с ЦП, мы наблюдали рост количества чипов со сверхнизким энергопотреблением.
И всё же ускорители не идеальны. Чем больше мы добавляем их в схемы, тем менее гибким становится чип, и мы начинаем жертвовать общей производительностью ради пиковой производительности специализированных видов вычислений. На каком-то этапе весь чип просто превращается в набор акселераторов и перестаёт быть ЦП как таковым. Баланс между производительностью специализированных вычислений и общей производительностью всегда очень тщательно настраивается. Это разногласие между оборудованием общего назначения и специализированными нагрузками называется разрывом специализации specialization gap. Облачные вычисления и ИИ продолжают развиваться, поэтому GPU выглядят лучшим решением для достижения требуемого уровня объёма вычислений. Другой областью, где разработчики ищут способы повышения производительности, является память.
Традиционно, чтение и запись значений всегда были одним из самых серьёзных «узких мест» для процессоров. Поэтому инженеры часто рассматривают доступ к памяти как более затратный, чем сами вычисления. Если процессор хочет сложить два числа, то ему сначала нужно вычислить адреса памяти, по которым хранятся числа, выяснить, на каком уровне иерархии памяти есть эти данные, считать данные в регистры, выполнить вычисления, вычислить адрес приёмника и записать значение в нужное место. Для простых инструкций, выполнение которых может занимать один-два цикла, это чрезвычайно неэффективно. Вместо того, чтобы извлекать небольшие фрагменты данных из памяти и вычислять их быстрым процессором, исследователи делают наоборот. Разместив вычисления ближе к памяти, мы можем получить огромную экономию энергии и времени, ведь теперь нет нужды гонять данные столь много и долго. Вычислительные модули имеют прямой доступ к нужным им данным, поскольку находятся непосредственно в памяти.
Эта идея всё ещё находится в зачаточном состоянии, но результаты выглядят многообещающе. Одно из препятствий, стоящих на пути реализации near-memory computing — это ограничения, накладываемые процессом изготовления чипа. Как говорилось в третьей части, процесс кремниевого производства очень сложен и состоит из десятков этапов. Эти процессы обычно специализированы для изготовления либо быстрых логических элементов, либо элементов памяти. Если попытаться создать чип памяти с помощью процесса, оптимизированного для вычислительных элементов, то получится чип с чрезвычайно низкой плотностью элементов. Если же попробовать создать процессор с помощью процесса, предназначенного для модулей памяти, то получим очень низкую производительность и большие тайминги. Пример 3D-интеграции, демонстрирующий вертикальные соединения между слоями транзисторов.
Одним из возможных решений этой проблемы является трёхмерная интеграция 3D Integration. Традиционные процессоры обладают одним очень широким слоем транзисторов, и это имеет свои ограничения. Как видно из названия, 3D-интеграция — это процесс расположения нескольких слоёв транзисторов друг над другом для повышения плотности и снижения задержек. Вертикальные проводники, производимые на разных процессах изготовления, используются для соединений между слоями.
Как устроен центральный процессор
В режиме Legacy процессор работает по принципу обычной x86-архитектуры. Козырем такой системы режимов является то, что процессор можно эксплуатировать до выхода стабильных релизов 64-разрядных операционок. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst. В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части — кэш данных и кэш команд. Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя. Процессоры восьмого поколения Coffee Lake не будут архитектурно отличаться от предшественников, но предложат большее количество ядер в каждом сегменте. Выход процессоров Coffee Lake снова сломает систему Intel. На данный момент архитектура x86 не располагает к развитию: создавать более мощные процессоры можно только за счет увеличения частоты работы процессора, объема потребления энергии. У процессоров есть понятие архитектуры: как в нём всё устроено, как двигаются сигналы, в каком порядке и кем обрабатываются инструкции. Архитектура процессора похожа на устройство студенческого общежития. Внизу: небольшой фрагмент нового процессора (фотографии University of Texas at Austin). Исследователи из университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) создали центральный процессор (ЦП) весьма необычной архитектуры.
Почему процессоры Apple M1 такие быстрые
Компания AMD благодаря революционной микроархитектуре Zen выдала несколько рекордных лет. В 2021 году на десктопах она ненадолго даже опередила Intel , впервые с 2006 года. AMD стала реальным технологическим лидером, у которого реально лучшие микросхемы по всем параметрам: производительность, энергоэффективность и цена. Но во второй половине года Intel попыталась выровнять ситуацию, выпустив 12-е поколение Alder Lake по техпроцессу Intel 7 бывший 10ESF с поддержкой DDR5 и предложив большие скидки на процессоры предыдущих поколений. Нас ждёт очень интересный 2022 год. В то же время Intel дополнит линейку 12-го поколения, в том числе выпустит топовый Core i9-12900KS c частотой 5,2 ГГц на всех ядрах.
ARM наступает Процессоры на архитектуре ARM традиционно доминировали на рынке смартфонов, но постепенно находят применение и в настольных компьютерах, и в серверах. На массовый рынок выходят также производители вроде Qualcomm, которая недавно выпустила десктопный процессор Snapdragon 8cx Gen 3 5 нм. Ну а среди серверов буквально все облачные компании разрабатывают собственные ARM-процессоры. Дошло до того, что Intel вынуждена на своём сайте публиковать антирекламу процессоров Graviton2, рассказывая об их недостатках.
Однако, при низкой частоте работы процессор может работать более эффективно, потребляя меньше энергии при выполнении задач.
Кроме того, архитектура самого ядра процессора также влияет на энергопотребление. Некоторые архитектурные решения направлены на оптимизацию энергопотребления, позволяя процессору более эффективно выполнять задачи. Например, использование технологии динамического управления напряжением и частотой позволяет процессору автоматически регулировать энергопотребление в зависимости от текущих нагрузок. Резюмируя, архитектура процессора играет определяющую роль в энергопотреблении компьютера. Путем выбора оптимальной архитектуры процессора, можно добиться баланса между производительностью и энергоэффективностью, что позволяет создавать более энергоэффективные компьютеры.
Влияние архитектуры на многозадачность Различные архитектуры процессора могут предоставлять разные уровни поддержки многозадачности. Одноядерные процессоры обрабатывают только одну задачу за один раз, поэтому многозадачность с ними может быть ограничена. Однако, многозадачность все равно может быть реализована с помощью различных алгоритмов планирования задач и переключения контекста. В многоядерных процессорах, таких как двухядерные, четырехядерные или даже более мощные системы, каждое ядро может обрабатывать задачи независимо друг от друга. Это позволяет распределить нагрузку и выполнять несколько задач одновременно.
В данном случае, уровень поддержки многозадачности будет выше. Кроме того, современные процессоры часто имеют возможность выполнения одновременных потоков инструкций SMT — это также важная функция для обеспечения многозадачности. SMT позволяет процессору исполнять инструкции из нескольких потоков одновременно, повышая производительность и увеличивая количество задач, которые может выполнять процессор одновременно. Кроме процессора, архитектура памяти также влияет на многозадачность компьютера.
Таким образом сформировалось понятие архитектуры Intel Architecture 32-bit IA-32 , она же Intel х86, или просто x86 [6]. В дальнейшем она стала 64-битной и получила название x86-64, или AMD64, так как впервые 64-битное расширение архитектуры х86 представила компания AMD. Формально все процессоры х86 являются процессорами CISC-архитектуры. Итак, x86 — это типичный представитель CISC-архитектуры.
Таким образом, в современной интерпретации, говоря CISC, подразумеваем х86, и наоборот. Для архитектуры CISC характерно: 1 малое количество регистров общего назначения; 2 большое количество различных машинных команд, каждая из которых выполняется за несколько тактов процессора; 3 различные форматы команд с разной длиной; 4 преобладание двухадресной системы команд; 5 развитой механизм адресации операндов. Основными плюсами данной архитектуры можно считать простоту и эффективность программирования несколько команд могут быть заменены одной более сложной , а также большое историческое наследие в виде множества написанных для неё программ. Данная архитектура на текущий момент является основной для настольных и серверных систем. Производительность Разработчики вычислительных систем постоянно стремятся к повышению их производительности, определяющим показателем которой является количество инструкций, выполненных за единицу времени. Таким образом, как следует из выражения 2 , для увеличения производительности процессора нужно либо поднимать тактовую частоту, либо увеличивать число инструкций, выполняемых за один такт. Самый простой способ увеличения скорости вычислений — повышение тактовой частоты процессора. Однако на этом пути существуют некоторые технологические ограничения, не позволяющие постоянно наращивать частоту.
Поэтому большинство проектировщиков для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора применяют параллелизм — исполнение двух и более инструкций одновременно. Параллелизм может быть на уровне команд и уровне процессоров. В случае параллелизма на уровне команд происходит запуск большего количества команд в секунду. В случае параллелизма на уровне процессоров над одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества, и в современных системах используются оба подхода. Конвейер Первоначально с целью повышения быстродействия при той же тактовой частоте в центральный процессор была введена конвейерная архитектура Pipelining. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, таких как выборка команды, дешифрация команды, выборка операнда, выполнение команды и запись результата. Выполнение каждой из этих операций сопоставляют с одной ступенью конвейера рис.
На рисунке видно, как работает конвейер во времени. В момент времени 5 происходит выполнение уже пяти команд одновременно. Если принять время цикла равным 2 нс, тогда для выполнения инструкции прохождения через конвейер потребуется 10 нс. В результате конвейерной обработки, когда каждый такт конвейер выдаёт результат, время выполнения инструкции будет 2 нс. Архитектура RISC Повышение производительности CISC-микропроцессоров из-за особенностей архитектуры приводило к росту количества транзисторов, в результате чего кристаллы становились всё более сложными и дорогостоящими в производстве. Вопросы закрывались конструктивно-технологическими решениями, но в конечном итоге по экономическим соображениям уже не давали адекватного роста производительности. CISC-архитектура в первозданном своём виде достигла потолка производительности. Применение конвейера для повышения производительности требовало использования простых и быстрых команд.
Необходимость дальнейшего роста производительности привела к использованию архитектуры RISС Reduced Instruction Set Computer , что означает «компьютер с сокращённым набором команд» табл. В 1980 году группа разработчиков приступила к созданию процессора, не ориентированного на интерпретацию, в котором инструкции должны выполняться процессорным ядром без использования микрокода. Исследования работы процессора Motorola 68000 показали, что программы попросту не использовали подавляющее большинство инструкций, заложенных в процессор. Планировалось создать процессор, который бы содержал лишь самые необходимые инструкции. При этом не только уменьшилось общее количество процессорных инструкций, принципиальное отличие заключается в том, что любая инструкция платформы RISC является простой и выполняется за один такт по крайней мере, должна выполняться , тогда как на выполнение СISC-инструкции могло уходить несколько десятков тактов. При этом длина команды является фиксированной. Первый «настоящий» RISC-процессор имел всего 31 команду.
В этой архитектуре память также разделена на ОЗУ и ПЗУ, но процессор имеет отдельные шины для доступа к каждому типу памяти. Это позволяет увеличить скорость доступа к данным, что может положительно сказаться на производительности. Еще одним типом архитектуры является архитектура суперскалярная. В этой архитектуре процессор имеет несколько функциональных блоков, которые могут выполнять инструкции параллельно. Это позволяет увеличить производительность за счет одновременного выполнения нескольких инструкций. В архитектуре RISC используются простые и однородные инструкции, что позволяет достичь более высокой производительности. В архитектуре CISC используются сложные и разнообразные инструкции, что может упростить написание программ, но может негативно сказаться на производительности. Преимущества и недостатки различных типов архитектур Архитектура процессора является одним из ключевых факторов, определяющих производительность компьютера. Различные типы архитектур имеют свои преимущества и недостатки, которые важно учитывать при выборе процессора. Преимущества различных типов архитектур: Архитектура с одним ядром: эта архитектура характеризуется простотой и низкой стоимостью производства. Она эффективна для задач, не требующих большой вычислительной мощности. Архитектура с многоядерным процессором: такая архитектура позволяет выполнять несколько задач одновременно, улучшая общую производительность системы. Она особенно полезна для многозадачных приложений. Архитектура с графическим процессором GPU : графические процессоры специализируются на обработке графики и видео, что делает их идеальным выбором для игр и других графически интенсивных приложений. Архитектура с векторным процессором: векторные процессоры эффективно обрабатывают большие объемы данных и могут значительно улучшить производительность при выполнении операций с векторами и матрицами. Недостатки различных типов архитектур: Архитектура с одним ядром: она обладает ограниченной производительностью при выполнении сложных вычислений и неэффективна для многозадачности. Архитектура с многоядерным процессором: некоторые приложения не могут полностью использовать множество ядер, что может привести к неравномерному распределению нагрузки и снижению производительности. Архитектура с графическим процессором GPU : она может быть менее эффективной для общих вычислений, не связанных с графикой. Архитектура с векторным процессором: не все задачи могут быть эффективно выполнены с помощью векторных вычислений, поэтому эта архитектура может быть излишне сложной для некоторых приложений. При выборе типа архитектуры процессора необходимо учитывать конкретные требования приложений, которые будут выполняться на компьютере. Оптимальный выбор архитектуры может значительно повлиять на производительность системы и удовлетворить потребности пользователя. Сравнение производительности различных архитектур Сравнение производительности различных архитектур является важным аспектом при выборе процессора.
Intel Core 12-го поколения
- Процессорные архитектуры ближайшего будущего
- Процессорные архитектуры ближайшего будущего
- RISC-V: архитектура, перспективы, Java-порт
- Проектирование процессорных ядер. Часть 3. Микроархитектуры ядра
- Война за чипы: сменят ли ARM процессоры x86 и почему все зависит от Apple
Чем отличаются архитектуры процессоров и можно ли их сравнивать?
И вот здесь начинается магия взаимодействия аппаратной и программной части или результат сотрудничества Microsoft и Intel — Windows 11 и технология Thread Director. Thread Director. Windows 11 vs Windows 10 Еще до официальной презентации Alder Lake Intel активно рекламировала технологию Thread Director, которая, по всей видимости, была создана в сотрудничестве с Microsoft. Thread Director — это такой аппаратный планировщик, который распределяет процессы по потокам. Подробнее об этой технологии можно почитать здесь.
Если не хочется переходить по ссылке, демонстрацию работы Thread Director можно посмотреть в видео ниже: Однако главная особенность Thread Director — это то, что технология работает только с Windows 11. Таким образом, Intel как бы говорит пользователям: «Хочешь полностью раскрыть производительность процессора — переходи на Windows 11». Однако действительно ли Thread Director является «рывком и прорывом» или же это маркетинг? Дело в том, что Windows уже давно научилась сама распределять процессы по ядрам и потокам.
Однако еще никогда софт не работал с двумя типами ядер, потому что таких процессоров попросту не было. Казалось бы, здесь и должен пригодиться Thread Director, как технология, созданная под новый тип процессора. На деле все оказалось проще. В большом видеообзоре Core i9-12900K от канала Pro Hi-Tech есть показательный момент с тестированием процессора при одновременной нагрузке Adobe Premiere и «Компас 3D».
Рендеринг был запущен в фоне, а инженерная софтина работала в активном режиме. По итогу оказалось, что и в Windows 11, и в Windows 10 рендеринг выполнялся на эффективных ядрах, а «Компас 3D» работал на производительных ядрах. Результаты этого теста оказались практически одинаковыми для обеих систем. Таким образом, Thread Director — это либо очередная маркетинговая «замануха», либо технология на перспективу.
Кстати, тот факт, что Alder Lake одинаково работает на Windows 10 и Windows 11 подтвердил авторитетный канал Gamers Nexus 1,5 миллиона подписчиков в своем обзоре. Однако все же есть причина, по которой стоит использовать Alder Lake с ОС Windows 11 — задержки памяти.
Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов техпроцесс , и увеличивается их количество на кристалле. В условиях использования единой технологии и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи — стало изобретение различных архитектур ЦП. Что такое архитектура процессора Архитектура процессора — это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом.
Если еще более упрощенно, то архитектура — это схема, по которой устроен процессор. За все время было создано много различных архитектур. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Как работает архитектура процессора В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором — производится чтение данных из памяти, на третьем — осуществляется вычислительная операция, а на четвертой — выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается — он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса — конвейер двигается дальше.
Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый — опять прикручивает ступицы на следующей машине. Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер — тем больше операций выполняется за такт 1 герц частоты процессора. В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера — это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин.
Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура — это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура — всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой. Виды микроархитектур ARM для смартфонов Большинство чипсетов для смартфонов содержат процессоры, созданные на ARM, а именно — микроархитектурах семейства Cortex и других. Список актуальных версий и их отличия приведены ниже.
Cortex A7. Устаревающая микроархитектура процессоров для смартфонов. Отличается низким энергопотреблением, имеет конвейер из 8-10 этапов. Не умеет работать с 64-битными инструкциями. Относится к семейству ARMv7. Cortex A7 Cortex A53. Актуальная микроархитектура, также имеет ковейер, состоящий из 8 стадий. Поддерживает новые инструкции и 64-битность, за счет этого работает быстрее, чем A7. Относится к семейству ARMv8.
Cortex A53 Cortex A35. Модификация предыдущей микроархитектуры, отличающаяся сниженными производительностью и энергопотреблением. Принадлежит к семейству ARMv8. Cortex A35 Cortex A72.
Так что этот момент можно считать первой победой x86-процессоров. Переместимся еще на 4 года вперед — в 2006. Уже было очевидно, что эра одноядерных процессоров подходит к концу: у AMD уже есть двухядерные процессоры, Intel тоже готовит к выпуску двухядерные Core 2 Duo. А что же в этом время происходит на Mac?
Тогда они были если не лучше, то, как минимум, конкурировали на равных с решениями от Intel. Но тут в игру вмешалась AMD, и в стане x86 началась гонка за частотой — она росла вдвое чуть ли не раз в два года, и в итоге к 2004 году частоты процессоров доросли до вполне современных 3 ГГц. А вот с PowerPC так не получилось сразу по двум причинам: более «толстый» техпроцесс и нежелание отказаться от старых наработок привели к тому, что к тому же году частоты топового PowerPC G5 были лишь на уровне 2 ГГц, а производительность Pentium 4 с 3 ГГц была местами вдвое выше. Но у читателя наверное возникнет вопрос — а что с программами? Ведь эти две архитектуры сильно различаются, так что люди, купившие новые Mac с процессорами от Intel, должны были остаться без софта. Ответ прост — был написан эмулятор, который позволял на процессорах от Intel запускать софт для PowerPC. С учетом того, что Core 2 Duo были местами в 3-4 раза быстрее, даже с учетом эмуляции программы зачастую работали даже быстрее, чем на «родной» архитектуре, так что конечные потребители или не заметили разницы, или были даже довольны приростом производительности. Ну а через год большинство разработчиков программ оптимизировало их под x86, а еще через год Apple убрала из системы эмулятор PowerPC за ненадобностью.
Так что это можно считать второй победой x86. Переместимся в совсем уж недалекое прошлое — 2012 год: Microsoft представляет две системы, Windows 8 и Windows RT. Про первую думаю рассказывать нет смысла: обычная Windows, работающая только на x86-64, с несколько видоизмененным интерфейсом. А вот вторая ОС была несколько интереснее: с виду она выглядела как Windows 8, и даже имела бесплатный предустановленный Office 2013. Ничего не напоминает? Да, история с Windows CE повторяется. Достаточно большому количеству пользователей захотелось попробовать и новую ОС, и сам планшет Surface от ее создателя. И даже это не было бы большой проблемой, если бы Microsoft продавали свой планшет по цене популярных нетбуков — тогда бы его хотя бы брали как печатную машинку с выходом в интернет.
Но, увы, ценник на Surface был на уровне планшетов на Windows 8 с процессорами Intel Atom. Да, производительность Atom была на уровне Tegra 3 в Surface, но вот полноценная ОС позволяла ставить любой нужный софт, так что в итоге продажи Surface на Windows RT были крайне низкими. Microsoft через год обновила ее до Windows 8.
Навигация по записям
- Устройство
- 1. Введение.
- Сделан кардинально новый шаг в архитектуре процессоров
- Чем хорош процессор RISC-V
Эволюция процессоров. Часть 4: архитектура RISC и развитие индустрии в 1990-е годы
Этот материал представляет собой обновлённую, существенно переработанную и дополненную версию статьи 2006 года, которая называлась «Современные десктопные процессоры архитектуры x86: общие принципы работы (x86 CPU FAQ 1.0)». Правда, чтобы не вводить. RISC I и RISC II. Компания Apple, с ее переходом к собственным процессорам на архитектуре ARM в компьютерах Mac, представляет яркий пример того, как эффективно можно использовать эту архитектуру в высокопроизводительных системах. Мало того что память и процессор работают на одной частоте (100 МГц Quad Pumped Bus и 200 МГц PC1600 DDR SDRAM), так и пропускная способность вокруг MCH тоже составляет 3,2 Гбайт/с относительно контроллера ввода-вывода (ICH3-S). – EPIC: Компилятор размещает данные на аппаратных регистрах и управляет стеком регистров с помощью специальных команд. Сравнение суперскалярных и VLIW/EPIC-процессоров. Какие задачи управления приходится решать, чтобы процессор работал быстро.
Этапы разработки новых процессоров и графических процессоров от Intel, AMD и NVIDIA
Далее благодаря прогрессу и росту сложности вычислительных задач архитектурные концепции начали меняться, хотя многие принципы фон Неймана остаются применимыми. Преимущество перед десятичной системой счисления состоит в том, что такие устройства можно делать достаточно простыми. Арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются просто и быстро. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, которая состоит из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Память компьютера используется для хранения не только данных, но и программ. При этом программы, как и данные, хранятся в той же двоичной системе. Поэтому, например, во многих языках программирования у нас есть возможность использовать команды функции и данные схожим образом. Ячейки памяти последовательно пронумерованы, то есть каждая ячейка имеет свой адрес. Этот принцип даёт нам возможность использовать переменные в программировании.
Возможность перехода по какому-либо условию в процессе выполнения программы.
Число регистров небольшое, каждое занято собственной функцией. Главное отличие от CISC — сокращённые набор команд, которые, в большинстве, выполняются по одной за такт. Регистров гораздо больше, чем у CISC-процессоров. И пусть программы из-за RISC стали длиннее из-за использования множества мелких команд, процессоры с этой архитектурой всё равно отличаются сниженным энергопотреблением.
Здесь энергопотребление ниже, но производительность может быть повышена за счёт выполнения команд до того, как станет понятно, нужны они или нет. Здесь предполагается, что некоторые инструкции могут выполняться одновременно, а не по очереди. Это своего рода CISC-архитектура, но доработанная. На эти базисы опирается большинство архитектур, а CISC остаётся наиболее популярной, так как на ней сделаны основные сборки инструкций Intel и AMD, ключевых игроков рынка. Влияние на производительность Пока вам могло быть непонятно, какая польза от знания архитектур, но я сейчас расскажу и об этом.
Ведь здесь всё опирается на производительность процессора. В первую очередь, дело как раз таки в самих инструкциях, которые входят в состав сборок. Ведь я уже рассказывал, что есть универсальные инструкции, которые и позволяют процессору обрабатывать запросы пользователя, а есть дополнительные, сделанные для оптимизации работы CPU. Чем больше инструкций процессор может обрабатывать, тем лучше, ведь с большим количеством инструментов можно оптимальнее выполнять задачи вне зависимости от их сложности.
Intel стала говорить об этом еще два года назад, а AMD в этом году объявила о намерении представить новый процессор с высокой интеграцией компонентов.
В этой статье мы собрали всю имеющуюся информацию о планах этих компаний касательно готовящегося обновления архитектур. Сведений пока мало, но из них уже можно делать кое-какие выводы. Что есть сейчас Прежде чем перейти к новому поколению процессоров Intel и AMD вкратце остановимся на том, что есть на рынке сейчас и что будет в ближайшее время. Начнем с AMD. Как было отмечено выше, этот производитель готовит к выходу условно называемую архитектуру K10.
Первые чипы, в основу которых она ляжет, станут серверные Opteron на ядре Barcelona. Их анонс назначен на 10 сентября этого года, хотя изначально компания планировала это событие шестью месяцами ранее. Вполне возможно, что главной причиной задержки стал неотработанный 65 нм техпроцесс производства. До сих пор на эти нормы переведены только процессоры на ядре Brisbane, и их частота не превышает 2. А вот старшие модели на 90 нм ядре Windsor работают на частотах до 3.
Главной "фишкой" Barcelona должен стать специально разработанный четырехъядерный дизайн. А четыре ядра на одном кристалле будут весьма ощутимо греться. Не удивительно, что частота первых моделей не превысит 2. В ноябре появится 2. В следующем году K10 пойдет в массы.
AMD представит новые процессоры для настольных компьютеров. О мобильных модификациях пока ничего неизвестно. Первые три будут оснащены общим кэшем третьего уровня объемом 2 Мбайта. Это одно из главных нововведений, что позволит повысить скорость обмена данными между ядрами. Остальные процессоры предназначаются для бюджетного сегмента и L3-кэшем похвастать не смогут.
Тем не менее, остальные нововведения K10 им будут не чужды. Мы не будем подробно расписывать изменения, внесенные в новую архитектуру AMD, поскольку цель этой статьи несколько иная. Поэтому только приведем их краткий список. Выборка инструкций. Процессоры K10 будут производить выборку инструкций из кэша первого уровня по 32 байта, а не 16 как это делают все K8 и Core2.
Предсказание переходов. В K10 будет улучшен блок предсказаний переходов. Он используется для содержания исполнительного конвейера постоянном загруженным. Теперь конвейер будет простаивать меньше благодаря лучшей приспособленности процессора к угадыванию правильных переходов. Будет значительно улучшен блок отвечающий за декодирование команд.
К схемам декодера даже добавлен специальный блок Sidebank Stack Optimizer, назначение которого повысить эффективность декодирования. Произойдет оптимизация блока целочисленных вычислений. В нем закроют наиболее слабые места процессоров K8. В K10 он будет модернизирован и улучшен. В частности повысится скорость работы с SSE-инструкциями.
Кроме того по ряду параметров он превзойдет FPU чипов Core 2. Одним из главных недостатков кэша процессоров Athlon была и есть узкая шина обмена данными между L1 и L2 кэшами. В K10 ожидается ее двухкратное расширение, хотя эти данные не подтверждены. Если это случится, то возрастет как скорость работы кэша, так и снизятся его задержки. Помимо этого у старших семейств появится кэш третьего уровня.
Он будет общим для всех ядер двух или четырех в зависимости от модели чипа. Это позволит значительно повысить скорость обмена данными между ними. Будут увеличены буферы кэша TLB translation-lookaside buffer. Этот кэш используется для хранения соответствия между виртуальными и физическими страницами. В новых процессорах преобразования адресов будут происходить быстрее.
Предвыборка данных. Предвыборка данных впервые была реализована в процессорах Pentium 4, после чего перекочевала в Athlon XP и во все их последователи. Специальный блок отслеживает за обработкой данных процессором и пытается рассчитать, которые могут пригодиться в ближайшее время, после чего подгружает их в кэш-память из ОЗУ. В K8 данный блок был скорее для галочки. AMD не уделила его реализации должного внимания, положившись на низколатентный контроллер памяти.
Но данное упущение будет исправлено с выходом Barcelona - блок предвыборки в нем значительно усовершенствован. Контроллер памяти. Интегрированный на кристалл контроллер памяти уже четыре года остается одной из сильнейших сторон архитектуры K8.
При этом десктопные решения, с большой долей вероятности, не получат гибридную систему с «малыми» ядрами «С». Дата выхода процессоров на Zen 5 AMD Ryzen 9000 на архитектуре Zen 5 будут представлены уже во второй половине 2024 года. Сообщается, что анонс новинок может состояться примерно в то же время, когда Intel покажет свежие настольные процессоры Arrow Lake-S на новом разъеме LGA 1851.