Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (История развития).pdf

На Рисунок 4 пятиуровневый конвейер в RISC-процессорахпоказан простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах.

Описание конвейера:

− WB (англ. Register write back) — запись в регистр;

− MEM (англ. Memory access) — доступ к памяти;

− EX (англ. Execute) — выполнение;

− ID (англ. Instruction Decode) — раскодирование инструкции;

− IF (англ. Instruction Fetch) — получение инструкции.

Рисунок 4 пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах

Вертикальная ось — последовательные независимые инструкции, горизонтальная — время. Выделенная колонка описывает состояние процессора в один момент времени, в ней самая ранняя, верхняя инструкция уже находится в состоянии записи в регистр, а самая последняя, нижняя инструкция — только в процессе чтения.

Наряду с конвейерами существует и бесконвейерная архитектура, она менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных модулей процессора. Конвейер не убирает полностью время простоя модулей в процессорах как таковое и не уменьшает время выполнения каждой конкретной инструкции, но заставляет модули процессора работать параллельно над разными инструкциями, увеличивая тем самым количество инструкций, выполняемых за единицу времени, а значит, и общую производительность программ.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее, обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.

Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере, где обработка инструкции представлена пятью стадиями, для обеспечения полной загрузки, в то время, пока заканчивается обработка первой инструкции, должно обрабатываться параллельно ещё четыре последовательных независимых инструкции. [1, с. 108]

Существует ряд приёмов, таких, как форвардинг, значительно снижающих необходимость приостанавливать в таких случаях часть конвейера. Однако зависимость между инструкциями, одновременно обрабатываемыми процессором, не позволяет добиться увеличения производительности кратно количеству стадий конвейера в сравнении с бесконвейерным процессором.

К преимуществам можно отнести следующее:

− Уменьшение времени цикла процессора, при этом увеличение скорости обработки инструкций в большинстве случаев.

− Путем увеличения количества логических элементов некоторые комбинационные логические элементы могут быть ускорены. Использование конвейера может предотвратить ненужное наращивание количества элементов.

Из недостатков выделяют:

− Бесконвейерный процессор исполняет одну инструкцию за раз. Схема процессора проще и дешевле для производства.

− Задержка инструкций в бесконвейерном процессоре ниже, чем в конвейерном, так как в конвейерный процессор должны быть добавлены дополнительные триггеры.

− У бесконвейерного процессора стабильна скорость обработки поступающих инструкций. Производительность конвейерного процессора предсказать намного сложнее, и она может различаться в разных программах.

Основное назначение процессора заключается в:

• Выполнении арифметических и логических операций
• Координации работы всех устройств
• Управлении вычислительным процессом

5. Классификация современных процессоров

5.1. Линейка процессоров Intel

Компания Intel занимает ведущее положение на рынке. Большинство современных компьютеров собираются на чипах именно этой компании. В данном разделе будут проанализированы процессоры последних поколений.

Первые поколения процессоров этой компании были подчинены двухлетнему циклу. Такая стратегия делилась на два этапа. Первый этап заключался в переводе процессора на новый технологический процесс. Второй этап в свою очередь подразумевал коренное изменение архитектуры полупроводниковых кристаллов и значительное увеличение производительности.

Как пример можно привести следующее:

− 1-ое поколение «West Merre» и 2-ое поколение «Sandy Bridge». В данном случае техпроцесс был одинаков, но подверглась изменениям архитектура. Северный мост материнской платы и встроенный графический усилитель были перенесены на центральный процессор.

− 4-е поколение «Haswell» и 3-е поколение «Ivy Bridge». Был оптимизирован уровень энергопотребления процессора, а также повышены тактовые частоты чипов.

− 6-ое поколение «Skylake» и 5-ое поколение «Broadwell»: были повышены тактовые частоты, улучшен уровень энергопотребления и добавлено несколько новых инструкций, улучшающих быстродействие.

Процессоры от компании Intel позиционируются как:

− Celeron – самые доступные решения. Подходят для решения простых задач, использования в офисных компьютерах.

− Pentium – в архитектурном плане практически полностью идентичны процессорам Celeron, но у Pentium более высокие частоты и увеличенный кэш третьего уровня, что дает им особое преимущество в производительности.

− Core i3 – занимают средний сегмент от компании Intel. Два предыдущих типа процессоров, имеют два вычислительных блока. То же можно сказать про Core i3. Однако для двух первых семейств чипов отсутствует поддержка технологии Hyper-threading^[7] (HT, гиперпоточность). У процессоров Core i3 она имеется. Таким образом, на программном уровне два физических модуля могут быть преобразованы в четыре потока обработки программы. Это позволяет обеспечить существенное увеличение уровня быстродействия. На основе таких продуктов можно собрать собственный игровой персональный компьютер среднего уровня, сервер начального уровня или даже графическую станцию.

− Core i5 – занимают нишу решений выше среднего уровня, но ниже премиального сегмента. Данные полупроводниковые кристаллы могут похвастаться наличием сразу четырех физических ядер. Данная архитектурная особенность обеспечивает им преимущество в плане производительности. Более свежее поколение процессоров Corei5 обладает высокими тактовыми частотами, что позволяет постоянно получать прирост производительности.

− Core i7 – занимают нишу премиум-сегмента. В них количество вычислительных блоков такое же, как и в Corei5. Однако у них, так же, как и у Corei3 имеется поддержка технологии Hyper-threading. По этой причине четыре ядра на программном уровне преобразуются в восемь обрабатываемых потоков. Именно эта особенность позволяет обеспечить феноменальный уровень производительности, которым может похвастаться любой персональный компьютер, собранный на основе Intel Corei7. Данные чипы имеют соответствующую стоимость.

− Core i9 – модельный ряд был представлен в мае 2017 г. как решение для высокопроизводительных ПК, семейство процессоров с архитектурой X86-64. Линейка разработана на основе микроархитектуры Skylake. Чипы в 1.5-2 раза дороже i7, в настоящее время самый быстрый процессор для персональных компьютеров, имеет от десяти до восемнадцати ядер.

5.2. Линейка процессоров AMD

Большинство процессоров AMD базируются на основе архитектуры К10.5. Она имеет следующие характеристики:

− техпроцесс — 45 нм SOI;

− площадь ядра — 243 мм2;

− количество транзисторов — около 705 млн;

− напряжение — 0,875-1,5 В;

− Socket-АМЗ (941 pin).

Несмотря на это, в линейку AMD входит несколько совершенно разных по позиционированию и характеристикам семейств, и разобраться в этом изобилии не так и просто.

В отличие от уже рассмотренной линейки Intel (Core i9, i7, i5, i3, Pentium), в процессорах AMD выделяется всего два семейства (не считая Operton) — Phenom II и Athlon II. В феврале 2017 было представлено семейство Ryzen.

По сравнению с Intel, сменившей за последние годы сразу несколько архитектур и почти десяток ядер, модельный ряд AMD более стабилен: в основе процессоров AMD лежит одна и та же архитектура К10.

Последней линейкой процессоров с данной архитектурой стало семейство Phenom II. Главное отличие новых процессоров Phenom II от Phenom состоит в том, что они выполнены по 45-нанометровому техпроцессу с применением технологии SOI, в то время как процессоры семейства Phenom выполняются по 65-нанометровому техпроцессу.

Точно так же, как и модели семейства AMD Phenom Х4, они представляют собой четырехъядерные процессоры, то есть с четырмя ядрами на кристалле. Каждое ядро процессора Phenom II Х4 имеет выделенный кэш L2 размером 512 Кбайт и разделяемый между всеми ядрами кэш L3 размером 6 Мбайт.

Процессоры AMD Phenom II Х4, как и AMD Phenom Х4, совместимы с разъемами Socket АМ2+ и поддерживают шину HyperTransport 3.0.

Процессоры семейства Phenom II Х4 имеют интегрированный двухканальный контроллер памяти DDR2 и поддерживают память DDR2-667/800/1066.

Среди новшеств в процессорах AMD Phenom II Х4 можно также отметить усовершенствованную технологию Cool'n'Quiet 3.0. Она объединяет в себе ряд функций, позволяющих снизить энергопотребление процессора в те моменты, когда он недозагружен, а также предотвратить перегрев процессора.

При анонсе нового процессора семейства Phenom II Х4 компания AMD указывала также и на другие преимущества по сравнению с предыдущим семейством. А именно, отмечалось, что новые процессоры способны выполнять больше инструкций за такт.

Семейство процессоров AMD Phenom II в настоящее время включает две модификации — трехъядерные процессоры и четырехъядерные. Большая часть последних построена на хорошо отлаженном ядре Agena. Однако новые модели высшей ценовой категории построены на основе усовершенствованного ядра Deneb, потребляющего значительно меньше мощности при увеличенном кэше третьего уровня. Ядро Deneb (Shanghai) представляет собой 45-нанометровый процессор поколения К10.5. Оно отличается увеличенным кэшем L3, а также незначительной оптимизацией архитектуры.

Параллельно с Phenom II AMD поддерживает еще одну линейку процессоров на основе архитектуры AMD К10 — Athlon II. Можно сказать, что она заменила линейку Sempron. В отличие от Phenom, эти процессоры лишены кэша L3, однако в качестве компенсации оснащены кэшем L2 удвоенного объема. Кроме того, серия Athlon II обладает значительно меньшим тепловыделением по сравнению с Phenom II.

Тесты показывают, что на одинаковой частоте и с одинаковым количеством ядер процессоры Athlon II отстают от своих коллег Phenom II не более чем на 10 %, а в ряде случаев оказываются наравне с ними. Учитывая более чем 50-процентную разницу в цене и отличный потенциал для разгона, эти модели можно рекомендовать экономным пользователям, которые хотят, чтобы цена соответствовала качеству.

6. Intel и AMD

Подведя итоги, можно сделать вывод, что начальные в линейке процессоры компании Intel и AMD, в той или иной степени могут справиться со всем спектром задач, от рабочих до развлекательных. Производительность современных процессоров в большинстве случаев определяется программным обеспечением, которое способно загрузить все ядра.

Постоянная конкуренция между Intel и AMD не позволяет развить монополию, производители вынуждены инвестировать деньги в разработку новых технологий и увеличивать мощность в процессорах новых поколений.

Заключение

На общую производительность системы влияет большое количество различных факторов. Внедрение и широкое распространение средств вычислительной техники является одним из главных факторов ускорения научно-технического прогресса во всем мире. В настоящее время мы не можем представить себе жизнь без использования технологий, ведь они в значительной мере облегчают нам жизнь, экономят наше время, позволяя выполнить больше работы в сжатые сроки. Отсюда можно сделать вывод о том, что роль компьютеров в деятельности общества очень велика и с каждым годом она возрастает. Большинство предприятий не смогут работать без быстродействующих ЭВМ, а этот фактор зависит от быстродействия процессора. Параметры современных процессоров с высокой тактовой частотой, большим количеством ядер и объемом кэш-памяти современной архитектуры имеют разное значение для разных типов задач.

Темпы научно-технического прогресса, усиление роли науки в значительной степени определяются качеством средств вычислительной техники и их программным обеспечением.