Архитектура микропроцессора Intel и основные факторы, влияющие на его производительность. Быстродействие процессора

Быстродействие компьютера зависит прежде всего от того, какой центральный процессор (ЦП) в нем установлен. Какие бы задачи пользователь ни ставил перед системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной. Если же скорости процессора не хватает, есть риск, что рабочий процесс или игра превратится в нервотрепку.

расскажет об основных технических параметрах ЦП и о том, как они влияют на быстродействие процессора и всей системы.

Основные характеристики процессора

Современные модели ЦП довольно значительно превосходят по быстродействию своих предшественников. Этим они обязаны нескольким значительным усовершенствованиям.

Увеличение тактовой частоты.

Самый простой способ сделать процессор более производительным – повысить его тактовую частоту. Начиная с 1971 года, когда появился первый микропроцессор, тактовая частота увеличилась в 25000 раз. Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно как-то отводить от чипа. Заметим, что тактовая частота является всего лишь одним из факторов, определяющих производительность современного процессора, но не единственным. Поэтому «гонка частот» пошла на спад, и современные процессоры по частотным характеристикам недалеко продвинулись по сравнению с моделями двух- и трехлетней давности: тактовые частоты топовых ЦП едва превысили отметку в 3 ГГц.

Наличие нескольких ядер.

Большинство современных процессоров является двухъядерными (Dual Core). Это значит, что в одной микросхеме, по сути, находятся сразу два процессора. Уже появились модели, которые состоят из четырех ядер (Quad Core), например, Intel Core 2 Quad и AMD Phenom X4. В будущем количество ядер в процессорах будет только возрастать, потому как увеличивать их число проще, чем постоянно поднимать тактовую частоту.

Современные процессоры имеют два или даже четыре вычислительных ядра, как Intel Core 2 Quad. Для этого производитель умещает в одном корпусе два идентичных двухъядерных процессора

Увеличение объема кэш-памяти.

Данные, с которыми работает процессор, и команды для их обработки помещаются в оперативной памяти, но, помимо нее, в сам ЦП встроена кэш-память (cache), доступ к которой осуществляется гораздо быстрее. В кэш помещаются наиболее часто используемые процессором данные и куски программного кода. Чем больше объем кэш-памяти, тем выше скорость работы процессора в реальных задачах (при этом прирост производительности сильно зависит от самой задачи). Вся кэш-память делится на два уровня. К первому у ровню процессор получает доступ быстрее, поэтому в нем содержится самая нужная информация. В кэш второго уровня попадают менее «ходовые» данные. Объем первого уровня невелик и у нынешних ЦП различается не столь сильно, поэтому является менее показательной характеристикой. А кэш-память второго уровня увеличивается ударными темпами: у современных двухъядерных процессоров она может иметь объем до 6 Мб, а у четырехъядерных – до 12 Мб.

Увеличение тактовой частоты фронтальной шины.

Обмен данными современных процессоров с оперативной памятью происходит через канал, называемый фронтальной шиной (Front Side Bus – FSB). Чем выше ее тактовая частота, тем быстрее происходит передача данных. Первые процессоры Pentium 4 c шиной 400 МГц могли сообщаться с памятью на скорости 3,2 Гб в секунду. Пропускная способность современных процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad с шиной 1333 МГц достигает 10,6 Гб в секунду.

Все вышеперечисленные достижения стали возможными благодаря постоянно развивающимся технологиям производства микропроцессоров. Последние модели четырехъядерных ЦП Intel содержат 820 (!) млн транзисторов. Для того чтобы уместить такое огромное количество элементов на площади, равной паре квадратных сантиметров, нужно уменьшить их до микроскопических размеров. Попутно уменьшается количество выделяемого тепла, и становится возможной работа на более высоких частотах. Размер транзистора передовых современных ЦП составляет всего 45 нанометров (для сравнения: толщина человеческого волоса равна 10 000 нанометров). В 2009 году производство процессоров перейдет уже на 32-нанометровую технологию.

С момента выпуска первого микропроцессора в 1971 году производительность ЦП возрастает вдвое каждые два года

Выбор процессора

Итак, параметры, определяющие производительность ЦП, – тактовая частота, количество вычислительных ядер, объем кэш-памяти и частота системной шины. Однако все не так просто. Прежде чем идти в магазин за новым процессором, нужно найти ответы на ряд важных вопросов.

Нужно ли покупать самый быстрый процессор?

Ответ – нет. Даже если вы играете в трехмерные игры или работаете с профессиональными графическими приложениями, ваш компьютер должен обладать хорошим, но не обязательно самым быстрым и новейшим ЦП, так как у них тоже есть свои недостатки.

Высокая цена.

Стоимость «флагманских » моделей процессоров достаточно высока. Например, за самый быстрый ЦП из тех, которые сейчас производит компания Intel – четырехъядерный Core 2 Extreme QX9770, – придется выложить от 44 тыс. рублей. При этом за 25–30 тыс. рублей можно приобрести целый компьютер с очень достойной производительностью, укомплектованный процессором Core 2 Duo E8500 стоимостью около 8 тыс. рублей, быстродействие которого в большинстве случаев будет ненамного меньше показателей более мощных аналогов. Кроме того, самые современные производительные процессоры раскрывают свой потенциал полностью лишь в том случае, если и остальные компоненты компьютера – графическая карта, оперативная память и жесткий диск – тоже принадлежат к «высшей категории». В противном случае общая производительность системы будет все же ограничена ее самым слабым звеном. А компьютер, полностью состоящий только из самых дорогих комплектующих, стоит от 60 до 150 тыс. рублей.

Несмотря на увеличение количества транзисторов, физические размеры процессоров постепенно уменьшаются

Если же задачи, которые вы решаете на компьютере, ограничиваются просмотром веб-сайтов, прослушиванием музыки и работой с текстом, то вам с избытком хватит мощности относительно дешевого двухъядерного процессора. Такого, например, как Athlon 64 X2 5000+ фирмы AMD (стоит он от 2 тыс. рублей). Компьютеры на основе таких ЦП с полной комплектацией и соответствующим программным обеспечением можно купить за 15 тыс. рублей.

Помимо астрономической цены, производительные процессоры характеризуются

высоким энергопотреблением

Особенно это ощутимо при максимальной нагрузке: потребляемая мощность может достигать 130 Ватт, в то время как у менее производительных моделей этот показатель не превысит 65 или даже 45 Ватт. Наличие такого процессора требует мощной системы охлаждения, которая сделает ваш компьютер либо более шумным, либо более дорогим.

Спасает только то, что процессор работает при максимальной загрузке так же редко, как машина ездит на предельной скорости. Поэтому все современные ЦП, как и процессоры для ноутбуков, оснащены технологией экономии энергии. У фирмы AMD она называется Cool’n’Quiet, у Intel – Enhanced SpeedStep. Суть и той, и другой заключается в следующем: при отсутствии необходимости работать с высокой производительностью процессор снижает тактовую частоту, а при повышении нагрузки снова ее увеличивает.

Современные процессоры вырабатывают тепло, по количеству сопоставимое с тем, которое выделяют небольшие электронагревательные приборы. Кулер процессора отводит от него тепло и отвечает за то, чтобы температура не превышала критических значений – иначе процессор начнет сбоить, а компьютер – «глючить»; в худшем случае электроника может полностью выйти из строя. Большинство кулеров состоит из вентилятора и большого радиатора, который устанавливается на процессор. Более современные модели оснащены одной или несколькими тепловыми трубками.

Работает ли двухъядерный процессор в два раза быстрее?

Вовсе не обязательно. Более того, одноядерные процессоры с высокой тактовой частотой могут работать даже быстрее двухъядерных с меньшей тактовой частотой. Дело в том, что для полноценного использования ресурсов двух и более ядер программное обеспечение должно эффективно разделять нагрузку на несколько потоков.

Многопоточные вычисления

должны поддерживать прикладные программы, на что уходит дополнительный труд разработчиков ПО. Расходы на оптимизацию программного обеспечения под технологию многоядерных процессоров столь велики, что множество программных продуктов до сих пор остаются неоптимизированными. Но поскольку компьютеров с многоядерными процессорами становится все больше, разработчикам приходится не отставать.

Уже существуют некоторые программы, работа которых значительно улучшается при использовании многоядерных процессоров – например, современные версии программ-архиваторов или кодировщиков видео.

К числу «консервативных» приложений относятся компьютерные игры, многие из которых работают быстрее при наличии одноядерного процессора с более высокой тактовой частотой, чем двухъядерного с более низкой. Но есть и оптимизированные под многоядерные процессоры игровые релизы, например Supreme Commander, Crysis и World in Conflict.

Заметим, что практически все современные процессоры теперь выпускаются как минимум с двумя ядрами, так что выбирать стало не из чего. Более актуален выбор между двух- и четырехъядерными ЦП, и здесь очень важен один момент: как бы соблазнительно ни выглядел процессор «4 в 1», толку от дополнительной пары ядер в большинстве случа ев еще меньше, чем от перехода с одного ядра на два.

Операционная система

также должна поддерживать многопоточную технологию. В старых версиях «операционок» – например, Windows 98 и Me – из всех ядер процессора будет работать только одно. Для операционной системы Windows XP нужно установить пакет обновлений Service Pack 2, чтобы фоновые задания переназначались на второе ядро процессора. Лучше всех совместима с многоядерной технологией Windows Vista: она может распределять по разным ядрам не только фоновые задачи, но и вычислительные процессы отдельных программ. Так, например, пока одно ядро процессора занято демонстрацией видео, на другом работает антивирус.

Можно ли определить производительность процессора по названию?

Долгое время о производительности процессора можно было судить по его тактовой частоте. Однако правило «чем больше частота, тем больше производительность » уже не актуально. Компании – производители процессоров AMD и Intel отказались от «гонки мегагерц» и даже в названии моделей ЦП используют не частоту, а числовые индексы.

При этом по-прежнему действует принцип: чем больше число в названии модели, тем быстрее процессор. Например, процессор Core 2 Duo E8200 имеет два ядра и частоту 2,66 ГГц, а процессор E8400 – те же два ядра и частоту около 3,0 ГГц.

Фирма AMD измеряет производительность процессоров Athlon X2 в единицах частоты старых процессоров Athlon Thunderbird, хотя более уместно сравнение с Pentium 4 в качестве эталона. Так, в названии 2,4-гигагерцевого процессора AMD Athlon 64 3800+ цифры «3800» обозначают частоту, которую должен был бы иметь старый одноядерный процессор Athlon Thunderbird с тем, чтобы сравняться с этой моделью в производительности. Сейчас фирма AMD отказывается от такой маркировки и переходит на абстрактную нумерацию моделей. К примеру, процессор Phenom X3 8650 оснащен тремя ядрами с тактовой частотой 2,3 ГГц, а в процессоре Phenom X4 9850 работают четыре ядра с тактовой частотой 2,5 ГГц.

Хотя числовые индексы позволяют узнать, как процессоры из одной серии соотносятся друг с другом по быстродействию, сравнить между собой ЦП из конкурирующих «станов» можно только на основании тестирования.

Что скрывается за обозначениями Conroe или Wolfdale?

После названия модели процессора в таблице указаны дополнительные обозначения. Например, в одной строке рядом с названием Core 2 Duo стоит обозначение Conroe, а в другой – Wolfdale. В данном случае Core 2 Duo – это торговая марка, наименование модели процессора, а Conroe или Wolfdale – название ядра, микросхемы, заключенной в ЦП. Таким образом, под одной и той же маркой могут существовать несколько разных устройств.

Технические характеристики современных процессоров:

По названию ядра можно определить характеристики процессора. Например, Conroe произведен по 65-нанометровой технологии, имеет 4 Мб кэша второго уровня и максимальную тактовую частоту 3 ГГц. Его последователь Wolfdale выполнен по 45-нанометровой технологии, благодаря чему удалось увеличить кэш-память до 6 Мб, а тактовую частоту – до 3,16 ГГц.

На определенном этапе производства процессоры представляют собой единую кремниевую пластину, которая затем разрезается на отдельные кристаллы

Чьи процессоры лучше – Intel или AMD?

В настоящий момент несомненным технологическим лидером является фирма Intel. Топовые процессоры Intel работают быстрее, чем аналогичные ЦП производства AMD, хотя процессоры AMD Phenom в среднем ценовом диапазоне тоже весьма достойны. При этом «камни» Intel стоят достаточно дорого: в линейке процессоров Quad-Core представлено сразу 6 моделей стоимостью более 10 тыс. рублей, а самый дорогой процессор AMD стоит максимум 9 тыс. рублей.

Не редко пользователи компьютеров считают, что мощность компьютера, и мощность процессора компьютера - это практически одно и то же. На самом деле это не совсем так. Конечно, говоря о производительности ПК невозможно не учитывать производительность CPU, но, все - же эти показатели не являются главными, так как во многих случаях за производительность ПК отвечают другие компоненты.

Давая общую оценку производительности компьютера, имеет смысл рассмотреть свойства какого - либо определенного приложения. Как известно, процессор компьютера - это модуль, который работает с вычислениями, хотя у CPU есть и другие модули, такие как блок управления, графическое ядро и др. В любом случае, главным является то, что производительность процессора определяется в основном именно скоростью выполнения вычислительных операций (FLOPS). Этот показатель очень важен для приложений, так как они требуют выполнения большого количества вычислений, причем не обязательно очень сложных. Те же компьютерные игры, системы архивирования, конвертация видеопотока, также достаточно сильно загружают процессор.

Для некоторых приложений производительность можно повысить только за счет увеличения объема ОЗУ, увеличения производительности и мощности видеоконтроллера. То есть в этих случаях производительность компьютера нельзя увеличить только за счет CPU. Поэтому имеет смысл разделять производительность всей системы по конкретным направлениям, например, по работе с графикой, по работе с офисными приложениями, и т.д.

Для каких же работ важна именно мощность процессора?

Как уже говорилось, процессор выполняет различные вычисления, и даже суперкомпьютер, который, например, высчитывает, ядерные реакции, является, по сути, очень мощным процессором. Именно в похожих системах производительность процессора является определяющим фактором. То есть, для людей, работающих с фото - редакторами, занимающихся 3D моделированием, создателей электронной музыки, для любителей многопользовательских игр, такой показатель, как производительность процессора, на самом деле играет важную роль. С другой стороны, в ноутбуках, планшетных компьютерах и других подобных устройств, все обстоит как раз наоборот. Дело в том, что чем производительнее процессор устройства, тем меньше времени оно будет работать в автономном режиме, то есть без подключения к сети, так как мощные процессоры вовсе не отличаются экономичностью и низким энергопотреблением. Так что в этом случае приходится выбирать между высокой или хотя бы оптимальной производительностью процессора, и комфортной работой с устройством в автономном режиме.

Давайте разберемся в каких случаях важно количество ядер процессора, а в каких его тактовая частота?

Не трудно догадаться, что чем выше частота процессора, тем быстрее он будет выполнять расчеты. Также, не нужно забывать, что некоторые задачи быстрее выполняются за счет нескольких, параллельно работающих ядер. То есть, разбивая выполняемую задачу на части и давая выполнение отдельной части определенному ядру процессора, время решения задачи сокращается пропорционально числу ядер имеющихся ядер процессора. Особенно многоядерность способствует приросту производительности при работе с видео и аудио файлами, изображениями, и в некоторых играх. Но, отвечая на вопрос о большей важности частоты или количества ядер, нужно знать, имеется ли в том или ином продукте возможность параллельной обработки вычислений. Для мобильных устройств, также сюда нужно добавить фактор низкого энергопотребления процессора, который в этом случае нужно учитывать.

Вообще же, многие специалисты считают, что не совсем правильно, говоря о возможности процессоров, уделять внимание только показателям их производительности. Процессор является только частью компьютерной системы, и его возможности нужно оценивать в сравнении с похожими по устройству ПК, при решении сравниваемыми системами конкретных задач. Именно так, произведя оценку целого комплекса показателей, таких как влияние частоты и многоядерности, многопоточности, графической подсистемы, размеров кэш-памяти, жесткого диска и т.д. можно выбирать оптимальную комплектацию. Кстати, не нужно забывать, что обычные современные ПК и без того часто имеют больше ресурсов, чем нужно для выполнения задач рядового пользователя.

Что касается выбора производителя процессора, то этот вопрос также волнует многих пользователей компьютеров, особенно если приходится выбирать между процессорами с одинаковой тактовой частотой, но от разных производителей. Какую сторону выбрать в «войне» между Intel и AMD? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос нет. Можно найти в Интернете сравнительные тесты процессоров от обоих производителей, но, даже в этом случае мнение будет в основном субъективным. Даже по классу выполняемых задач (игровой или офисный компьютер, бюджетный или дорогой, ноутбук или настольный ПК и т.д.), выигрывать будет то Intel то AMD, так что отдать предпочтение одному из этих производителей невозможно.

Выбор которого должен производится обдуманно. Процессор это то, на что нужно обратить внимание в первую очередь при выборе компьютера.

Чем выше тактовая частота, тем лучше?
Когда люди выбирают компьютер, либо настольный либо ноутбук, то обращая внимание на процессор, в частности на его тактовую частоту, делают ошибку. Они считают, что чем она выше, тем быстрее будет компьютер. Но это не совсем так. Да, от тактовой частоты процессора зависит скорость работы компьютера, но не только от нее. Скорость работы компьютера зависит от всей совокупности составляющих и их сбалансированной работы. Поэтому, обращая внимание на отдельные ее составляющие, в частности, на процессор, нужно помнить, что с одним и тем же процессором, но разным всем остальным и скорость будет разная.

Также существуют различия между процессорами для ноутбуков, мобильных процессорами, и процессорами для настольных, стационарных компьютеров. Что также нужно учитывать. Например, мобильные процессоры, из-за некоторых особенностей их архитектуры, меньше выделяют тепла, а также более экономичные в целом. А это позволяет увеличить время работы до подзарядки ноутбука. А это, время работы, важно, поэтому при разработке таких процессоров, разработчики учитывают его. Поэтому и Вы должны понимать, что при выборе мобильных процессоров, нужно обращать внимание на их экономичность.

Чем определяется производительность процессора?
Как было отмечено выше, производительность всей системы в целом зависит от многих ее составляющих, а не только процессора и его тактовой частоты. Но и производительность процессора также зависит не только от его тактовой частоты. Также производительность процессора зависит от его архитектуры, объема памяти, а также разрядности. Давайте теперь подробнее рассмотрим, каждую из этих характеристик процессора, в том числе и тактовую частоту.

Тактовую частоту процессора принято измерять в МГц (мегагерцах). Она определяет количество выполняемых простейших операций в секунду. Часто высокая тактовая частота процессора требуется при обработке трехмерной графики, а также при других сложных математических расчетах. А значить неверно ее ставить ее во главу угла, при выборе, компьютера, процессора.

Кэш-память – это блок высокоскоростной памяти. В нее компьютер сохраняет копии основных команд, извлекаемых из ОЗУ, что позволяет увеличить быстродействие обработки информации. У процессоров выделяют кэш-память первого, второго и третьего уровней, соответственно L1, L2, L3. В первую очередь необходимо обращать внимание на кэш-память второго уровня(L2), именно в нем помещены и команды и данные, которые будут необходимо процессору в скором времени.

Разрядность работы между ядром и шинами ввода/выводы и адреса, также самым непосредственным образом влияет на скорость работы процессора. И чем разрядность выше, тем быстрее будет работа. Ведь чем выше разрядность шины (32, 64), тем больше она может одновременно информации передавать, а значить и быстрее будет работа процессора в целом.

Сколько ядер?
Увеличение количества ядер процессора позволяет выполнять более одной задачи одновременно. Чем больше ядер, тем больше задач может выполнять процессор одновременно. Значить, с увеличением количества ядер увеличивается и скорость работы всего процессора.

В основном существуют две крупнейшие компании, процессоры которых очень распространены. Это компания Intel и компания AMD. Процессоры, какой фирмы лучше сказать сложно, как у той, так и у другой имеются свои поклонники. В общем же, какой ни будь принципиально-значимой разницы, в процессорах фирм AMD и Intel нет.

Не забывайте, что помимо процессора, необходимо еще обратить внимание и на другие составные компоненты компьютера, ведь они также влияют на скорость работы компьютера. В частности, стоит обратить внимание на оперативную память и видеокарту.