Сравнение компьютеров между собой обычно начинают с оценки их производительности. Это потребовало введения соответствующих единиц измерения производительности и разработки стандартных методов ее оценки.
Методы оценки производительности вычислительных систем должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего, они должны быть общепризнанными, максимально полно оценивать вычислительные системы и соответствовать задачам пользователя. Должна быть обеспечена их доступность для независимой и самостоятельной экспертизы.
В основе используемых в настоящее время методов оценки и сравнения производительности вычислительных систем лежит время.
"Ливерморские циклы" представляют собой типичный набор фрагментов программ на языке FORTRAN . [ , ] В этих программах реализованы разные вычислительные алгоритмы:
- сеточные;
- волновые;
- последовательные.
Их выбор был основан на богатом опыте создания суперкомпьютеров и проведения сложнейших научных и инженерных расчетов Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL ) Министерства энергетики США
При тестировании используется либо малый набор (14 циклов), либо большой набор (24 цикла ).
Коэффициент распараллеливания применяемых алгоритмов лежит в диапазоне от 0 до 1. Это позволяет использовать "Ливерморские циклы" для оценки производительности вычислительных систем, имеющих различную архитектуру. Тест практически не используется.
Тесты LINPACK представляют собой программы я решения систем линейных алгебраических уравнений большой размерности. Они написаны на языке программирования FORTRAN [
Производительность процессора является интегральной характеристикой, которая зависит от показателей частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить. Она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.
Итак, рассмотрим ряд ключевых характеристик и компонентов процессора:
Тактовая частота
Принято считать, что чтобы правильно выбрать процессор нужно первым делом посмотреть на его главную характеристику - тактовую частоту, ее еще называют скорость. Как было сказано выше, от возможностей процессора зависит скорость работы всей Вашей системы (быстродействие). Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Поэтому частота является главной характеристикой процессора.
Под тактом мы понимаем промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Тактовую частоту можно измерить и определить ее значение. Измеряется она в МегаГерцах (МГц) (MHz) или ГГц (GHz). Герц единица измерения, определяющая частоту какого-либо периодического процесса. Данная единица измерения имеет прямое соотношение с единицей времени, величиной в одну секунду. Иными словами, когда мы говорим 1 Гц - это означает одно исполнение какого-либо процесса за одну секунду (1 Гц = 1/с). Например, если мы имеем 10 Гц, то это означает, что мы имеем десять исполнений такого процесса за одну секунду. Приставка Мега увеличивает показатель базовой величины (Гц) в миллион раз (1 МГц - миллион тактов в секунду), а приставка Гига в миллиард (1 ГГц - миллиард тактов в секунду).
Ядро (совокупность технологических, физических и программных средств, лежащих в основе процессора)
Ядро - это главная часть центрального процессора (CPU). Именно эта часть определит большинство ключевых параметров Вашего CPU. Прежде всего - тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы внутренней шины передачи данных (FSB).
Ядро процессора характеризуется следующими параметрами:
объем внутреннего кэша первого и второго уровня (см. далее),
технологический процесс (последовательная цепочка операций и соединений между элементами),
теплоотдача или тепловыделение (мощность, которую система охлаждения отводит, чтобы обеспечить нормальную работу процессора. Насколько велико значение этого параметра, настолько сильно Ваш процессор будет нагреваться. Следует обратить внимание, что некоторые производители процессоров по разному измеряют тепловыделение, поэтому сравнения стоит проводить в рамках одного производителя).
Прежде чем покупать CPU с тем или иным ядром, необходимо удостовериться, что ваша материнская плата сможет работать с таким процессором. В рамках одной линейки могут существовать CPU с разными ядрами. Например, в линейке Pentium IV присутствуют процессоры с ядрами Northwood, Prescott, Willamette.
Одно и то же ядро может лежать в основе разных моделей процессоров, отличающихся друг от друга по стоимости и уровню производительности. Если Вы сталкиваетесь с одинаковым названием ядра у разных моделей процессоров - это говорит об их принадлежности к одному поколению. Чаще всего они совместимы с одинаковыми моделями материнских плат.
Количество ядер
На протяжении десятилетий процессоры с одним ядром были единственной и безальтернативной реальностью в сегменте персональных компьютеров. Так было пока в 2005 году два микропроцессорных гиганта - Intel и AMD - дружно не выпустили свои первые двухъядерные процессоры. Эти продукты стали не просто очередными новинками от лидеров отрасли, но возвестили своим появлением о начале целой эры в развитии профессиональных технологий для персональных компьютеров. Со временем у них появлялось все больше преемников.
Справедливости ради скажем, что не взирая на глубоко укоренившуюся идею о полном несоответствии одного ядра современным реалиям, «старички-одноядернички» по-прежнему находят своего пользователя. Связано это с тем, что большинство программ еще не умеют использовать возможности многоядерных чипов. Вот несколько наименований одноядерных процессоров широко используемых и по сей день: AMD Athlon 64, AMD Sempron, Intel Celeron, Intel Core Solo, Intel Pentium 4.
Какие же реальные преимущества дает многоядерный процессор? Параллельная работа двух и более ядер при меньшей тактовой частоте обеспечивает бóльшую производительность. Работающая в текущий момент программа распределяет задачи по обработке данных на оба ядра. Это обеспечивает максимальный эффект, когда и операционная система, и прикладные программы работают в параллельном режиме, как, например, это часто бывает с приложениями для обработки графики. Многоядерность влияет также на одновременную работу стандартных приложений. Например, одно ядро процессора может отвечать за программу, работающую в фоновом режиме, в то время как антивирусная программа занимает ресурсы второго ядра.
Стоит, однако, оговориться, что управление параллельными задачами, тем не менее, требует времени и задействует другие ресурсы системы. А иногда даже для решения одной из задач приходится ждать результата выполнения другой. Поэтому на практике наличие 2-х ядерного процессора не означает производительность вычислений в два раза быстрее. Хотя прирост быстродействия и может оказаться весьма значительным, но в зависимости от типа приложения.
У игр, которые пока еще совсем не используют новую технологию, быстродействие увеличивается не более чем на 5% при одинаковой тактовой частоте. В большей степени игры получают пользу лишь от большого размера кэша процессора, установленного в Вашем компьютере. Пройдет еще некоторое время, пока появятся игры, которые на многоядерных процессорах будут работать заметно быстрее.
А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы для обработки музыки и видео будут работать уже на 50% быстрее. Увеличение скорости особенно заметно, если используемое приложение для работы по обработке и сжатию видео-файлов заточено под многоядерный процессор. Наличие 2-х и более ядер также повысит качество воспроизведения фильмов с высоким разрешением (Blu-ray, HD-DVD), т.к. при декомпрессии такого видео, содержащего большие объемы данных, процессор должен производить огромное количество вычислений.
Еще одно реальное преимущество многоядерного процессора - сниженное энергопотребление. Многоядерные чипы, в которых реализованы все современные технологии энергосбережения, быстрее обычных справляются с поставленными задачами и поэтому быстрее могут перейти в режим с меньшей тактовой частотой и, соответственно, с меньшим энергопотреблением. Особенно существенна эта деталь для ноутбука, чья автономная работа от аккумулятора в значительной степени продлевается.
В наше время среди моделей 2-х ядерных процессоров наиболее распространены AMD Athlon 64 х 2, Intel Core 2 Duo, Intel Pentium Dual Core, Intel Pentium D. Существуют также и 4-х ядерные процессоры для настольных компьютеров, как например Intel Core 2 Quad.
Однако чтобы воспользоваться всеми вышеописанными преимуществами многоядерного процессора, операционная система и приложения должны поддерживать именно многоядерный режим обработки. Современные операционные системы Windows, ориентированные на повышение производительности компьютера, самостоятельно распределяют программные задачи по разным ядрам процессора. Так, Windows XP перекладывает на второе ядро процессора фоновые задачи программ, специально разработанных для многоядерных процессоров (например, профессиональные приложения для обработки графики от Adobe). Windows Vista идет дальше, распределяя по ядрам задачи прикладных программ, изначально не предназначенных для использования на многоядерных чипах. Если Вы используете старые версии операционных систем - например, Windows 98 или Windows Me - то выгоды из использования многоядерных процессоров Вам не извлечь.
Кэш-память
Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. Кэш память процессора выполняет примерно ту же функцию, что и оперативная память. Только кэш - это память, встроенная в процессор. Кэш-память используется процессором для хранения информации, с которыми Ваш компьютер работает непосредственно в текущий момент, а также другие наиболее часто используемые данные. Благодаря работе кэш-памяти время очередного обращения к ним значительно сокращается. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.
В общем, можно выделить следующие задачи, которые выполняет кэш-память:
обеспечение быстрого доступа к интенсивно используемым данным;
согласование интерфейсов процессора и контроллера памяти;
отложенная запись данных.
Предположим, Вы регулярно заходите на один и тот веб-сайт в интернете или каждый день запускаете любимую игру. Кэш-память Вашего процессора будет хранить основную массу изображений и видео-фрагментов, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти.
Если емкость оперативной памяти на новых компьютерах от 1 Гб, то кэш у них около 2-8 Мб. Как видите, разница в объеме памяти ощутимая. Но даже этого объема вполне хватает, чтобы обеспечить нормальное быстродействие всей системы.
При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Ранее были распространены процессоры с двумя уровнями кэш-памяти: L1 (первый уровень) и L2 (второй). Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему (обычно около 128 Кб) кэш первого уровня с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. Кэш первого уровня намного меньше кэша второго уровня, он, т.к. используется исключительно для хранения инструкций. А вот второй уровень используется для хранения данных, поэтому он, как правило, гораздо больше по объему. Кэш второго уровня у большинства процессоров общий, т.е. смешанный, без разделения на кэш команд и кэш данных. Но не у всех, вот например в AMD Athlon 64 X 2 у каждого ядра по своему кэшу L2.
19 ноября 2007 года настал исторический момент. Компания AMD, после 18-ти месячного отставания от Intel с их весьма успешной линейкой Intel Core 2, представила долгожданный процессор AMD Phenom с четырьмя ядрами и тремя уровнями кэш-памяти. После этого большинство современных серверных процессоров, стали обзаводиться кэшем третьего уровня (L3). Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.
Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не эксклюзивный. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не эксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.
Разрядность
Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность. В общем случае производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность. В настоящее время практически все программы рассчитаны на 32- и 64-разрядные процессоры.
32-разрядные процессоры обрабатывают 32 бита за один такт, а 64-разрядные вдвое больше данных, то есть 64 бита. Это преимущество особенно заметно при обработке больших объемов данных (например, при преобразовании фотографий). Но чтобы им воспользоваться, операционная система и приложения должны поддерживать именно 64-битный режим обработки. Под специально разработанными 64-битными версиями Windows XP и Windows Vista в зависимости от необходимости запускаются 32-битные и 64-битные программы. Но 64-битные приложения до сих пор достаточно редки: большинство программ, даже профессиональных, поддерживает лишь 32-битный режим.
При уточнении разрядности процессора и пишут, например, 32/20, что означает, что процессор имеет 32-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. максимальный объем оперативной памяти, который может быть установлен в компьютере.
В первом отечественном персональном компьютере «Агат» (1985 г.) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно его адресное пространство составляло 64 Кб. Процессор Pentium II имел разрядность 64/32, т.е. его адресное пространство составляет 4 Гб. Все 32-разрядные приложения имеют адресное пространство процесса размером не более 4 ГБ
64-битный процессор позволил расширить адресуемое пространство оперативной памяти и избавиться от существующего ограничения в 4 Гб. В этом его существенное преимущество, которое позволяет компьютеру управлять бóльшей оперативной памятью. При наличии 64-битного чипа в настоящее время можно использовать до 32 Гб оперативной памяти. Но это отличие для большинства обычных пользователей мало актуально.
Сокет
Сокет (по-английски - Socket) - это гнездо (разъем) на материнской плате, в которое вставляется процессор. Каждому типу процессора соответствует свой тип сокета. Поэтому, при необходимости, через год-другой заменить процессор на более современный, почти всегда приходится менять и материнскую плату.
Наименование сокета как правило содержит в себе определенный номер, обозначающий число контактов у разъема. В последнее время наиболее используемы сокеты со следующими номерами: 478, 604, 754, 775, 939, 940.
Некоторым исключением из общего правила установки процессоров являлись варианты процессоров Pentium 2 и 3, которые сажались не в сокеты, а в узкие слоты, похожие на слоты под платы расширения на материнской плате. Однако подобная конструкция не прижилась.
Частота системной шины
Системная шина (по-английски - Front Side Bus, или FSB) - это магистраль, проходящая по материнской плате и соединяющая процессор с другими ключевыми компонентами системы, с которыми он обменивается данными и командами (например, контроллер-концентратор памяти).
Частота системной шины определяет скорость, с которой процессор взаимодействует с другими системными устройствами компьютера, получая от них необходимые данные и отправляя их в обратном направлении. Чем выше частота системной шины, тем больше общая производительность системы. Частота системной шины измеряется в ГГц или МГц.
Современные процессоры рассчитаны на работу с конкретным значением частоты FSB, в то время как материнские платы поддерживают несколько значений этой частоты.
Рабочая температура процессора.
Еще один параметр ЦП - допустимая максимальная температура поверхности процессора, при которой возможна нормальная работа (от 54.8 до 100 C). Температура процессора зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. В холостом режиме и при нормальном охлаждении температура процессора находится в пределах 25-40C, при высокой загруженности она может достигать 60-65 градусов. При температуре, превышающей максимально допустимую производителем, нет гарантии, что процессор будет функционировать нормально. В таких случаях возможны ошибки в работе программ или зависание компьютера. Процессоры разных производителей нагреваются по-разному. Соответственно чем сильнее нагревается процессор, тем более мощный вентилятор для его охлаждения (кулер) следует покупать. Можно так же купить системнеый блок с дополнительными вентиляторами - это уменьшит температуру внутри ситемного блока.
Арифметико-логическое устройство и блок управления
Обязательными компонентами процессора является арифметико-логическое устройство и блок управления, или FPU (по-английски Floating Point Unit, устройство для выполнения операций с плавающей точкой). Особенно мощным этот блок представлен в линейках AMD. Эти параметры важны для игр и математических вычислений (то есть для программистов).
Арифметико-логическое устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций. Процессор компьютера предназначен для обработки информации и каждый процессор имеет определенный набор базовых операций (команд), например, одной из таких операций является операция сложения двоичных чисел.
Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до 5 миллионов в процессоре Pentium II и до 30 миллионов в Intel Core Duo). Блок управления координирует работу всех этих компонентов и выполнение процессов, происходящих в компьютере.
Быстродействие процессора - это одна из важнейших его характеристик, определяющая эффективность работы всей микропроцессорной системы в целом. Быстродействие процессора зависит от множества факторов, что затрудняет сравнение быстродействия даже разных процессоров внутри одного семейства, не говоря уже о процессорах разных фирм и разного назначения.
Выделим важнейшие факторы, влияющие на быстродействие процессора.
Прежде всего, быстродействие зависит от тактовой частоты процессора. Все операции внутри процессора выполняются синхронно, тактируются единым тактовым сигналом. Понятно, что чем больше тактовая частота, тем быстрее работает процессор, причем, например, двукратное увеличение тактовой частоты какого-то процессора снижает вдвое время выполнения команд этим процессором.
Однако надо учитывать, что разные процессоры выполняют одинаковые команды за разное количество тактов, причем количество тактов, затрачиваемых на команду, может изменяться от одного такта до десятков или даже сотен. В некоторых процессорах за счет распараллеливания микроопераций на команду тратится даже меньше одного такта.
Количество тактов, затрачиваемых на выполнение команды, зависит от сложности этой команды и от методов адресации операндов. Например, быстрее всего (за меньшее число тактов) выполняются команды пересылки данных между внутренними регистрами процессора. Медленнее всего (за большое число тактов) выполняются сложные арифметические команды с плавающей запятой, операнды которых хранятся в памяти.
Первоначально для количественной оценки производительности процессоров применялась единица измерения MIPS (Mega Instruction Per Second), соответствовавшая количеству миллионов выполняемых инструкций (команд) за секунду. Естественно, изготовители микропроцессоров старались ориентироваться на самые быстрые команды. Понятно, что подобный показатель не слишком удачен. Для измерения производительности при выполнении вычислений с плавающей запятой (точкой) чуть позже была предложена единица FLOPS (Floating point Operations Per Second), но она по определению узкоспециальная, так как в некоторых системах операции с плавающей запятой просто не используются.
Другой аналогичный показатель быстродействия процессора - время выполнения коротких (быстрых) операций. Для примера в таблице 3.1 представлены показатели быстродействия нескольких 8-разрядных и 16-разрядных процессоров. В настоящее время этот показатель практически не используется, как и MIPS.
Время выполнения команд - важный, но далеко не единственный фактор, определяющий быстродействие. Большое значение имеет также структура системы команд процессора. Например, некоторым процессорам для выполнения какой-то операции понадобится одна команда, а другим процессорам - несколько команд. Какие-то процессоры имеют систему команд, позволяющую быстро решать задачи одного типа, а какие-то - задачи другого типа. Важны и методы адресации, разрешенные в данном процессоре, и наличие сегментирования памяти, и способы взаимодействия процессора с устройствами ввода/вывода и т.д.
Существенно влияет на быстродействие системы в целом и то, как процессор «общается» с памятью команд и памятью данных, применяется ли совмещение выборки команд из памяти с выполнением ранее выбранных команд.
