Развитие микропроцессоров в обозримом будущем: направления и технологии

На первый взгляд в выходе таких процессоров нет ничего из ряда вон выходящего, рост номинальной частоты -- вполне привычное направление развития процессорных линеек. Однако в данном случае мы имеем дело с совершенно особенным явлением: AMD подняла частоты имеющихся процессоров Vishera, закрыв глаза на реальные возможности этого процессорного дизайна. Итогом такого грубого и прямолинейного подхода стало формальное появление представителей серии FX, работающих на частотах до 5 ГГц, но с ограниченной доступностью, запредельным тепловыделением и энергопотреблением и проблемной совместимостью с имеющейся инфраструктурой. Мера эта вынужденная: к сожалению, на данном этапе каких-то других способов усилить линейку FX у AMD в распоряжении нет. Следующая микроархитектура Steamroller и более совершенные технологические процессы пока ещё не готовы, да и целесообразность дальнейшего развития семейства высокопроизводительных многоядерных процессоров FX для десктопных применений находится под большим вопросом.

В итоге новые процессоры вроде и представлены, но просто так пойти и купить их в магазине невозможно. По официальной версии, FX-9590 и FX-9370 доступны только для системных интеграторов и только в отдельных регионах. Россия в число стран, где распространяются новинки, не входит. В результате разыскать FX-9590 или FX-9370 для проведения тестирования оказалось практически нереальной задачей. Российское представительство компании AMD помочь нам с образцами наотрез отказалось, а в широкой продаже в отечественных магазинах они так и не появились, несмотря на то, что анонс состоялся ещё 11 июня. Тем не менее несколько экземпляров FX-9370 всё-таки просочилось в розницу по серым каналам, и после нескольких неудачных попыток ухватить один из них нам таки удалось. AMD FX-9590 -- это специальная тюнингованная модель, частота которой в турборежиме доходит до 5-гигагерцевой отметки, а номинальная частота установлена на уровне 4,7 ГГц. Такие процессоры AMD реализует в очень ограниченных количествах, так как их выпуск требует специального отбора наиболее удачных полупроводниковых кристаллов. Но даже, несмотря на "индивидуальный" подход к производству, TDP у FX-9590 достигает запредельных 220 Вт. Страдает и цена: как и всякий раритет, FX-9590 стоит неожиданно много. В тех немногих американских и европейских магазинах, где его можно найти, ниже $800 цены не опускаются.

Совершенно очевидно: расчёт в первую очередь делается на коллекционеров, интерес которых к FX-9590 дополнительно подогревается тем фактом, что он может оказаться самым последним процессором AMD в линейке FX. По крайней мере актуальные версии планов компании не предполагают дальнейшего развития этого семейства ни в нынешнем, ни в будущем году, и даже тогда, когда в распоряжении AMD совершенно точно появится новая микроархитектура Steamroller.

Доставшийся же нам на тестирование AMD FX-9370 -- более интересная с практической точки зрения модель. Её номинальная частота на 300 МГц ниже, чем у старшего собрата, -- она составляет 4,4 ГГц в номинале и 4,7 ГГц в турборежиме. Но при этом тепловой пакет установлен тот же, 220 Вт, что оставляет некоторое пространство для разгона. Демократичнее выглядит и цена. AMD противопоставляет FX-9370 старшим моделям Core i7 для LGA1150/1155-систем и реализует их по цене порядка $300-$350.

При этом внешне в AMD FX-9370 ничто не выдаёт продукт премиум-класса. Процессор поставляется в небольшой картонной коробочке, в которой, кроме самого CPU, инструкции по установке и наклейки на корпус, ничего нет. Учтя высокий уровень тепловыделения, выбор систем охлаждения AMD решила переложить на плечи сборщиков, а придумывание какой-то эксклюзивной упаковки (например, подобной той, в которой предлагались оверклокерские AMD Phenom II 42 Black Edition TWKR) не имело смысла по той причине, что FX-9370 вообще не должен распространяться в розницу. Сам же процессор на поверку оказался обычным Vishera, не имеющим каких-либо глубинных отличий от привычного FX-8350. В основе AMD FX-9370 используется точно такая же версия полупроводникового кристалла OR-C0, как и в других процессорах для платформы Socket AM3+, основанных на вычислительных ядрах Piledriver.

Совершенно очевидно, что FX-9370 -- это узаконенный разгон FX-8350 на 400-500 МГц, выполненный силами самого производителя. Скорее всего, для FX-9370 компания AMD отбирает более удачные полупроводниковые кристаллы, но в первую очередь работоспособность на повышенных частотах реализуется за счёт увеличения напряжения питания. Так, при работе на штатной частоте 4,4 ГГц напряжение, подаваемое на вычислительные ядра, составляет порядка 1,41 В, а при активации технологии Turbo Core 3.0 оно может увеличиваться до 1,46 В. Это примерно на 0,07-0,08 В выше, чем у обычных процессоров Vishera.

Развитие процессоров и платформ в ближайшие 10 лет.

Очевидно, что последние несколько лет были отмечены большим прогрессом вычислительных систем. Но какими бы ни были достижения прошедших десяти лет, в следующем десятилетии появление и миграция новых приложений и моделей использования на массовые компьютеры определят возросшие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.

Учитывая то, что фактически произошел титанический сдвиг в моделях использования компьютеров, определяются и проектируются компьютерные платформы будущего, которые существенно, глобально изменят не только вычисления, но также интерфейсы и требования к инфраструктуре.

Архитектура микропроцессоров 2015 года.

Глядя в будущее, можно сказать, что процессоры и платформы будут выделяться не только высокой производительностью самой по себе, но также богатыми и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы. Intel планирует в течение нескольких последующих лет выпустить процессоры, которые будут содержать множество ядер - в некоторых случаях даже сотни. В корпорации считают, что архитектуры Intel с поддержкой многопроцессорной обработки на уровне кристалла (chip-level multiprocessing, CMP) представляют будущее микропроцессоров, потому что такие архитектуры позволяют достичь огромных уровней производительности и в то же время обеспечить эффективное управление питанием и эффективный режим охлаждения. В прошлом повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет увеличения тактовой частоты (до настоящего времени около 80% производительности определяла тактовая частота). Но постоянное повышение частоты упирается в ряд фундаментальных физических барьеров. Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и выделению тепла. Во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам. В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого фон-неймановского узкого места - ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты. Следовательно, необходимо добиваться повышения производительности другими средствами, отличными от повышения тактовой частоты больших монолитных ядер.

Решением является принцип "разделяй и властвуй" - разделение задачи на множество одновременных операций и их распределение между множеством небольших вычислительных устройств. В отличие от последовательного выполнения операций с максимально возможной тактовой частотой, процессоры с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при более приемлемых тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций. Новые Архитектуры смогут обойти проблемы, вызванные повышением тактовой частоты (увеличение тока утечки, несоответствие производительности процессора и памяти, а также проблемы фон-неймановского узкого места).

Специализированное аппаратное обеспечение.

Со временем многие важные функции, которые сейчас выполняются программным обеспечением или специализированными микросхемами, перейдут непосредственно к процессору. Это направление является движущей силой развития бизнес-моделей уже на протяжении 35 лет. Перенося выполнение функций на кристалл, образуется большой выигрыш в скорости, существенная экономия места и значительное сокращение энергопотребления. Связь с малыми задержками между специализированным аппаратным обеспечением и ядрами общего назначения может стать очень важной для того, чтобы удовлетворить потребности производительности и функциональности архитектур будущих процессоров и платформ.

Специализированное аппаратное обеспечение - важная составляющая архитектур будущих процессоров и платформ. Примеры таких устройств, реализованные в прошлом - вычисления с плавающей запятой, обработка графики и сетевых пакетов. В течение нескольких последующих лет в процессорах специализированное аппаратное обеспечение будет использоваться для широкого спектра задач. Возможные варианты включают: критические функциональные блоки приемопередатчиков для беспроводных сетей, цифровую обработку сигналов, рендеринг трехмерной графики, расширенную обработку изображений, распознавание речи и рукописного текста, расширенные функции безопасности, надежности и управления, обработка XML и других интернет-протоколов, извлечение информации, а также обработка естественных языков.

Подсистемы памяти большой емкости.

По мере постоянного роста производительности непосредственно процессоров доступ к памяти может стать серьезным "узким местом". Для того чтобы загрузить множество высокопроизводительных ядер соответствующим количеством данных, важно организовать подсистему памяти таким образом, чтобы память большой емкости находилась на кристалле и ядра имели к ней прямой доступ. Некоторые области памяти могут быть выделены определенным ядрам, совместно использоваться группами ядер или использоваться всеми ядрами глобально, в зависимости от потребностей приложений. Такая гибкая возможность изменения конфигурации необходима для того, чтобы ликвидировать "узкое место" производительности, когда множество ядер будет соперничать за доступ к памяти.

Микроядро.

Для управления всеми этими сложными процессами: назначением задач ядрам, включением и выключением ядер при необходимости, реконфигурацией ядер при изменении рабочей загрузки и многими другими микропроцессорам потребуется изрядная доля встроенных интеллектуальных способностей. В архитектурах с развитыми возможностями параллельной обработки процессор сам по себе сможет выполнять несколько потоков вычислений, невидимых на пользовательском уровне, разделяя приложение на потоки, которые могут выполняться параллельно. Один из способов эффективного выполнения всех этих задач - встроенное микроядро, дополняющее ПО высокого уровня для решения задач всестороннего управления аппаратным обеспечением.

Виртуализация.

Для работы микропроцессоров будущего потребуется несколько уровней виртуализации. Например, виртуализация необходима для того, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от расположенного выше ПО. Виртуализация также будет использоваться для обеспечения управляемости, надежности и безопасности. Например, процессор можно разделить на множество виртуальных процессоров, часть из которых будет выделена для задач управления и безопасности, а остальные будут управлять приложениями.

Управление питанием и охлаждением.

В настоящее время увеличение производительности на один процент вызывает повышение потребляемой мощности на три процента. Это происходит из-за того, что при уменьшении размера транзисторов и их плотности на кристалле, наряду с тактовой частотой увеличивается и ток утечки, что ведет к нагреву и неэффективному расходованию электроэнергии. Если рост плотности транзисторов будет расти нынешними темпами, то без усовершенствований управления питанием микропроцессоры будут выделять десятки тысяч ватт тепла на квадратный сантиметр. Чтобы удовлетворить потребности будущего, необходимо существенно сократить потребляемую мощность.

Для этого будут использоваться несколько технологий. Как упоминалось выше, процессоры будут состоять из десятков и даже сотен небольших ядер с низкой потребляемой мощностью и интеллектуальным управлением питанием, которое сможет значительно сократить потери электроэнергии, позволяя процессору использовать только те ресурсы, которые нужны в данный момент .

Кроме этого, архитектура будет обеспечивать ультравысокую производительность без ультравысоких тактовых частот, что позволит обойти некоторые проблемы тока утечки, связанные с увеличением частоты. Задачи, критичные по времени, будут работать на быстрых ядрах с большей потребляемой мощностью, в то время как остальные - на более медленных с пониженным энергопотреблением.

Основная цель этих усовершенствований - построение архитектур с интеллектуальным управлением питанием, которое сможет автоматически реконфигурировать процессор с учетом потребностей питания и рабочей нагрузки.

Параллелизм.

Для того чтобы в полной мере получить преимущества от использования будущих архитектур, задачи должны быть существенно распараллелены - например, разделены на подзадачи, которые могут выполняться одновременно на множестве ядер. Сегодняшние одноядерные и многоядерные процессоры способны одновременно обслуживать всего несколько потоков. Будущие процессоры смогут обрабатывать множество потоков - сотни, а в некоторых случая даже тысячи. Некоторые задачи можно достаточно просто распараллелить (с небольшой помощью компиляторов), т. к. процессор и микроядро смогут обеспечить необходимую многопоточность. Например, в обработке изображений полное изображение можно разделить на множество отдельных областей, каждую из которых можно обрабатывать независимо и одновременно. К этой категории относится от 10 до 20% предполагаемых задач будущего. Вторая группа задач - около 60% - может быть распараллелена, если применить некоторые усилия.

Среди таких задач - некоторые приложения баз данных, извлечения информации, синтеза, обработки текста и голоса. Третья группа - задачи, распараллелить которые очень трудно: задачи с линейными алгоритмами, когда выполнение каждой стадии зависит от результатов выполнения предыдущей стадии. Анализируя сегодняшние потребности и тенденции, можно утверждать, что архитектура процессоров и платформ должна двигаться в направлении виртуализированной, реконфигурируемой архитектуры с большим числом ядер, богатым набором встроенных функциональных возможностей, большим объемом внутрикристальной памяти и интеллектуальным микроядром.

Следовательно, эволюция архитектур, сопровождаемая необходимостью увеличения объемов вычислений и строгим соблюдением совместимости с тысячами существующих приложений, создает уверенность в том, что процессоры и платформы в ближайшие годы станут основой для создания огромного количества фантастических и интеллектуальных новых приложений, которые изменят наш бизнес и образ жизни так, как мы даже не можем представить.

2.2 Нанотехнологии

Нанотехнология -- междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнологии в микроэлектронике -- довольно горячо обсуждаемая в данное время тема, ей посвящены сотни научных конференций и семинаров в год. Только в 2002 и 2003 годах затраты Intel на проведение научных исследований в области нанотехнологий в микроэлектронике составили более 4 миллиардов долларов. Чтобы микропроцессоры с десятками и сотнями миллионов транзисторов не превратились попутно в микроволновые печи (а такая перспектива при работе процессоров на частотах в единицы ГГц, увы, есть), Intel ведет исследования в области нанотехнологий в микроэлектронике. Уже пал барьер геометрического разрешения в 0,1 мкм или 100 нм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами уже удалось получить разрешение менее 40-50 нм. Толщина диэлектрика полевых транзисторов ныне составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием самоформирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев. Для улучшения электрических характеристик кремния используется его растяжение (напряженный кремний), улучшающее атомарную структуру материала.

Вместо алюминия для проводников все чаще применяется медь -- материал с меньшим удельным сопротивлением. Уже нынешний уровень развития нанотехнологий в микроэлектронике позволяет создавать пластины и даже трубки толщиной в атомный слой, так что возможности этого направления почти безграничны. Они и служат гарантией того, что закон Мура будет соблюдаться еще многие годы. Закон Мура (1975 год) гласит, что число интегральных транзисторов на кристаллах микросхем (прежде всего микропроцессоров) будет удваиваться каждые полтора-два года. Массовое распространение персональных ЭВМ изменило требования к программам. Главными из этих требований стали: простота правил работы, эстетичность, надежность программ, универсальность их функций, простота обучения работе на компьютерах.

Нанотехнологии в микроэлектронике развиваются уверенными шагами. В данное время в России создаются научные центры и открываются факультеты в ВУЗах, ориентированные на изучение нанотехнологий и их развитие.

Сейчас работы в области нанотехнологий ведутся в четырех основных направлениях:

- молекулярная электроника;

- биохимические и органические решения;

- квазимеханические решения на основе нанотрубок;

- квантовые компьютеры.

Молекулярная электроника.

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекул как активных элементов электроники уже давно привлекает внимание исследователей различных областей науки. Однако только в последнее время, когда стали практически ощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной идеологии построения базовых элементов электроники перешел в русло активных и целенаправленных исследований, которые стали сегодня одним из важнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.

Дальнейшие перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.

Основное внимание было сосредоточено на молекулярных системах не случайно. Во-первых, молекула представляет собой идеальную квантовую структуру, состоящую из отдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическими законами и является естественным пределом миниатюризации. Другой, не менее важной особенностью молекулярной технологии, является то, что создание подобных квантовых структур в значительной мере облегчено тем, что в основе их создания лежит принцип самосборки. Способность атомов и молекул при определенных условиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярные образования является средством организации микроскопических квантовых структур; оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтез молекулярной системы является первым актом самосборки соответствующих устройств. В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций развития молекулярной электроники и физических принципов функционирования, и разрабатываются основы построения базовых элементов. Для решения поставленных задач и концентрации усилий исследователей, работающих в различных областях знаний, во всех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся международные конференции и семинары.

Биохимические и органические решения.

Сегодня биофизики обнаружили уже более пятидесяти соединений, на основе которых могут быть построены процессоры-модели различных нелинейных задач. Отдельного внимания заслуживают разработки нового типа процессора - белкового.

Управление у белкового процессора химическое: воздействуя на него различными веществами, можно регулировать законы распространения волны - получить волну, развитие которой описывается теми же уравнениями, что и исследуемые процессы. Словом, с помощью таких процессоров можно моделировать нелинейные задачи, недоступные сегодня даже самым быстродействующим компьютерам. Причем решение получается в считанные секунды. Ведь ответ на задачу - поведение самой волны.

Каждая частица белка на подложке процессора имеет диаметр всего в 50 мкм и занимает площадь меньшую, чем транзистор на подложке интегральной микросхемы. Можно подсчитать: на подложке площадью в одинквадратный сантиметр умещается 1012 таких вычислительных белковых ячеек. В образование волны за одну секунду вовлекаются 1012 частиц. Если пересчитать это на скорость вычислений обычной, цифровой вычислительной машины, получится весьма хорошее быстродействие - миллион операций в секунду. Это, кстати, если волна движется со скоростью всего, лишь в одну десятую миллиметра в секунду. А ведь движение может быть и быстрее - скорость распространения волны зависит от веществ, входящих в состав белков. Сама волна, как сказано выше - решение задачи. Но как прочесть это решение? Ученые решили и эту проблему. Им удалось сделать волну зримой. То есть ее движение сопровождает либо изменение цвета, либо излучение световых волн. Так что за волной-ответом можно с высокой точностью следить с помощью оптических устройств. Уже сегодня можно говорить о новом поколении вычислительных устройств- гибридах электронной техники и биологии. И не будем забывать: работа биофизиков по созданию живых вычислителей сегодня в самом начале.

Квазимеханические решения на основе нанотрубок.

Углеродные нанотрубки (НТ) - своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Эти полимерные системы впервые обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза. Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометрового (молекулярного) размера. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят элементы аналогичного назначения в компьютерах. В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации (порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины обретут практически неограниченную память и быстродействие, лимитируемое только временем прохождения сигнала через прибор.

Существует 2 основных типа нанотрубок: одностенные нанотрубки ОСНТ (single-walled nanotubes - SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, и многостенные МСНТ (multi-walled nanotubes - MWNT), которые состоят из множества сгруппированных углеродных трубок. Нанотрубки склонны крепко слипаться между собой, формируя набор или "канат", состоящий из металлических и полупроводниковых нанотрубок. Металлические проводящие ток нанотрубки могут выдерживать плотности тока в 100 раз выше, чем обычные металлы, а полупроводниковые нанотрубки можно электрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом, что позволяет создавать полевые транзисторы.

Квантовые компьютеры.

Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера. Но настоящий бум начался в 1995 году, когда американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел.

Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2 в степени 1000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000 в степени 3 операций.

Компьютер на ядерно-магнитном резонансе.

Теоретических моделей квантового компьютера множество. Проблема, скорее, в том, чтобы найти разумные пути создания реального прибора. Существует как минимум два подхода к осуществлению идеи такого устройства. Ученые, сами того не предполагая, уже создали квантовый компьютер. Его первый "опытный образец" - это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать, остальные же ядра "молчат". Для того чтобы заставить эволюционировать второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного магнитного поля, - нужно только написать алгоритм поставленной задачи.

Компьютер на ионных ловушках.

Этот подход основан на использовании ионных ловушек, или "подвешенных" в вакууме ионов. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили их больше всего ученые из Лос-Аламосской лаборатории в США. И оказалось, что больших кристаллов не удается получить, на сегодняшний день получена цепочка из 30 ионов. Но дальнейший прогресс в увеличении числа ионов связывают с созданием трехмерной лазерной стоячей волны созданием трехмерной лазерной стоячей волны - трехмерной совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для поляризованных атомов. Конечно, в этом направлении очень много работы, но само направление - верное.

Квантовый компьютер на твердом теле.

Это могут быть сверхпроводники, как предлагают ученые из Института Ландау. Предпочтительнее же подход, который в позапрошлом году высказал австралийский физик Кейн: делать квантовый компьютер на точно таком же кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных местах на расстояниях порядка 100 мкм располагают атомы фосфора - обычная примесь в кремнии, которая прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два атома фосфора, то облака внешних электронов немного пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы смогут обмениваться состояниями (один атом управляет электронами другого). Очень похоже на полевой транзистор - те же затворы, только вместо тока - состояния атома.

Глава 3. Сравнительные характеристики процессоров

3.1 Процессоры Intel на ядре Clarkdale

Ценовое позиционирование двухъядерного CPU Intel Core i3-530 представляется намного более взвешенным и обоснованным по сравнению с его собратом Intel Core i5-661. Недорогой Intel Core i3-530 унаследовал от линейки Clarkdale поддержку технологии Intel Hyper-Threading с возможностью создания виртуальных ядер, интегрированный контроллер памяти DDR3 и большой потенциал производительности, заложенный в новейшей архитектуре Intel. Уникальность процессоров на ядре Clarkdale состоит в том, что они содержат два кристалла: на одном располагаются два 32 нм вычислительных ядра Westmere и кэш-память, а на другом 45 нм графическое ядро, встроенный контроллер памяти и контроллер PCI Express. Процессоры на ядре Clarkdale работают на Socket LGA1155 и Socket LGA1156 платформах, однако использовать возможности встроенного графического ядра позволяют только материнские платы с сокетом LGA1155.

Краткая характеристика процессоров линейки Clarkdale показаны в таблице 1.

Таблица 1. Краткая характеристика процессоров Intel линейки Clarkdale.

Относительно недорогой Intel Core i3-530 инженеры Intel лишили возможности при определённых условиях автоматически поднимать тактовую частоту - такую функциональность обеспечивает технология Intel Turbo Boost. Правда, при этом его стандартная частота составляет немалые 2,93 ГГц, что само по себе неплохо. Тепловой пакет Intel Core i3-530 заявлен на уровне 73 Вт и соответствует аналогичному показателю других моделей линейки, за исключением Intel Core i5-661 87 Вт (в данном случае повышенное тепловыделение обусловлено более высокой частотой работы встроенного видеоядра, которая составляет 900 МГц - против 733 МГц у других моделей). В тестировании участвовали оба процессора, а также CPU Intel Core i7-920.

3.2 Процессоры AMD

Спустя некоторое время после дебюта процессоров Intel на ядре Clarkdale компания AMD провела масштабное обновление практически всей своей линейки процессоров. Обращают на себя внимание сразу два обстоятельства: во-первых, были представлены одновременно пять новых моделей CPU; во-вторых, по сравнению с предыдущими моделями, тактовая частота была повышена всего на 100 МГц. Таким образом, обновление происходило широким фронтом и сопровождалось небольшим снижением цены в сочетании с некоторыми улучшениями. CPU серии Athlon II X2 базируются на появившемся сравнительно недавно кристалле Regor с двумя вычислительными ядрами (как у некоторых CPU Phenom II), для каждого из которых предусмотрена индивидуальная кэш-память второго уровня объёмом 1 МБ. Эти CPU лишены кэша L3, что является характерной особенностью всего модельного ряда Athlon II. Потенциал разгона процессоров Regor не поражает воображение, зато сам кристалл имеет небольшие размеры и характеризуется низким энергопотреблением в сочетании с малой себестоимостью. Так, AMD Athlon II X2 255 тактован на 3,1 ГГц, имеет TDP 65 Вт и стоит всего $74 - неплохое сочетание цены и качества.

Как бы то ни было, трёхъядерники и четырёхъядерники от AMD являются достойными соперниками для семейства Intel Core i3. Хотя AMD пока не может обеспечить тот же уровень вычислительной мощности с помощью двух ядер, она вполне способна предложить за те же деньги большее количество процессорных ядер с некоторыми издержками в виде повышенного энергопотребления и тепловыделения . Тестировались: Athlon II Х3 440, Athlon II Х4 635, Phenom II Х4 965 (таблица 2).

Таблица 2. Краткая характеристика процессоров AMD

3.3 Сравнение характеристик

Тестовое ПО: SiSoft Sandra 2010.1.16.11, Prime95, Stream Memory Bandwidth, 64-битная версия CPU-Z 1.52.2, WorldBench 6 Gold, Valve VRAD map build benchmark, Panorama Factory, Cinebench. Использованное программное обеспечение, представляется в широком доступе. Для большинства тестов использовался режим питания "сбалансированный" (Balanced), подразумевающий включение энергосберегающих функций SpeedStep и Cool'n'Quiet. Тестирование показало, что включение SpeedStep и Cool'n'Quiet не влияет негативно на производительность современных CPU. Это особенно актуально с учётом того, что в большинстве случаев современные компьютерные системы используют эти режимы. Единственным случаем, когда функции энергосбережения были отключены, стало измерение задержки кэш-памяти; в остальных ситуациях их отключение не имело смысла.

Для обеспечения чистоты эксперимента и получения объективных данных были приняты все необходимые меры. Проход каждого теста осуществлялся три раза с последующим усреднением полученных данных.

Общая производительность системы.

С недавнего времени в составе тестового программного обеспечения появился пакет PC WorldBench. При работе с ним возникали ситуации, когда невозможно было получить повторяющихся устойчивых результатов. Было обнаружено, что WorldBench проявляет крутой нрав и периодически отказывается корректно работать. Также было замечено, что в одних и тех же тестах могут получаться разные результаты, и далеко не всегда это обусловлено различием в уровне производительности процессоров. Некоторые бенчмарки в составе PC WorldBench 6, такие как Windows Media Encoder 9, не оптимизированы под многопоточность, хотя современные версии подобного рода приложений в большинстве своём умеют использовать все преимущества многоядерности/многопоточности. По этой причине было решено воспользоваться только некоторыми тестами в составе PC WorldBench.

Тестовый модуль MS Office Productivity помогает получить представление о реальной производительности системы при работе с приложениями офисного пакета Microsoft Office 2003 SP-1 (Приложение А, Таблица 3). В ходе тестирования осуществлялось симулирование работы в многозадачной среде посредством переключения между несколькими офисными приложениями. В данном случае польза от дополнительных вычислительных ядер минимальна, поэтому результаты для различных моделей разнятся не более чем на 20%.

Одновременная работа с Firefox и Windows Media Encoder.

В тесте выполняется кодирование видео в фоновом режиме с активным интернет-браузером Firefox (Приложение А, Таблица 4). Работа ещё одного приложения в фоновом режиме незначительно отразилась на результатах предыдущего теста.

Потребляемая мощность и энергоэффективность.

Потребляемая мощность играет очень важную роль в комплексной оценке производительности современных процессоров. Этот показатель особенно актуален с учётом проводимого сравнительного анализа для определения лидера в модельных парах, составленных конкурирующими решениями. Для оценки мощности, потребляемой системой на протяжении определённого промежутка времени, использовался анализатор Extech 380803. Замеры производились в точке подключения системы к питающей сети. Таким образом, полученные результаты отражают данные по энергопотреблению системы в целом, в том числе процессора, материнской платы, подсистемы памяти, графической подсистемы, жёстких дисков (питание монитора осуществлялось по отдельной линии).

Для большей наглядности результаты представлены на двух графиках (диаграммы 1 и 2).

На диаграмме 1(Приложение Ж) представлена потребляемая мощность процессора AMD.

На диаграмме 2 (Приложение И) представлена потребляемая мощность процессора Intel.

Cистемная конфигурация на базе Phenom II демонстрирует показатели на уровне Intel Core i7-920.

Таблица 5 (приложение К) содержит средневзвешенные результаты тестирования на пиковое потребление мощности, характеризующие работу системы при рендеринге 3D-сцены в течение 10 секунд в промежутке между 15-й и 25-й секундами.

В этом тесте лидерство Intel проявляется в ещё большей степени. Сравнение данных по Intel Core i5-661 и Athlon II Х4 635 показывает, что система на базе AMD Athlon II Х4 635 потребляет на 28 Вт больше. Сравнение полученных результатов говорит о большом прогрессе, достигнутом в области эффективного расходования электроэнергии. Так, система на базе самого раннего решения от Intel в составе тестового набора потребляет в 7,5 раз больше энергии по сравнению с системой на основе самого передового в этом смысле CPU Intel Core i7-920.

Очевидно, что переход от одного вычислительного ядра к четырём сопровождался существенным повышением уровня энергетической эффективности, хотя стремительный прогресс в этой области обусловлен также и рядом других усовершенствований.

Разгон.

Был проведён комплекс мер по определению максимально возможного значения тактовой частоты процессора, при котором будет возможна стабильная работа системы. Процедура разгона включала в себя изменение базовой частоты, повышение напряжения питания процессора и уменьшение множителя частоты памяти с соответствующим температурным мониторингом. При каждом новом повышении тактовой частоты запускался тест стабильности Prime95.

Следуя стандартной процедуре, частоту Intel Core i5-661 удалось поднять до невероятных 4,5 ГГц при 1,4 В, что означает 50% повышение по сравнению со штатным значением 3,3 ГГц. В ходе манипуляций с базовой частотой (133 МГц) и множителем памяти было подобрано максимальное значение тактовой частоты процессора, при котором система функционировала стабильно. При достижении уровня 4,15 ГГц стало заметно, что CPU сильно греется, а стандартный кулер от Intel не успевает отводить тепло. В тесте на предельную нагрузку 661-я модель работала без сбоев, но нагревалась до 74°C. Перегрев был вызван тем, что в BIOS Setup материнской платы ASUS значение напряжения питания процессора было установлено в положении AUTO. Таким образом, к тому моменту, когда частота CPU достигла максимального уровня, напряжение питания ядра автоматически поднялось до 1,4 В против штатных 1,16 В (надо отдать должное интеллектуальным способностям утилиты). Что касается штатного кулера Intel, то подобного рода разгон предполагает обязательное применение более производительной модели.

Результат представлен на рисунке 7.(Приложение Л). Воодушевляющие результаты для Core i5-661 позволили предположить, что в случае с Core i3-530 удастся достичь того же уровня. Разгон Intel Core i3-530 позволил добиться его стабильной работы при значении базовой частоты 200 МГц и соответствующей тактовой частоте процессора 4,4 ГГц. Таким образом, и в этом случае удалось достичь почти 50% прироста производительности С повышением тактовой частоты до 4,4 ГГц BIOS автоматически поднял напряжение питания до 1,4 В. Для того, чтобы оценить, насколько точно и корректно утилита способна регулировать напряжение питания, был проведён эксперимент по определению минимального значения напряжения питания CPU, при котором система сможет функционировать стабильно. Вручную выставив значение 1,237 В (для 4,4 ГГц), была произведена перезагрузка системы, но её работа оказалась нестабильной. Методом подбора было найдено искомое значение - 1,387 В.

Полученный результат говорит о том, что при работе с процессорами Clarkdale утилита BIOS прекрасно справилась со своими обязанностями, продемонстрировав способности грамотно управлять напряжением питания процессора.

Результат представлен на рисунке 8. (Приложение М)

AMD Athlon II X4 635 разгонялся менее охотно. Тем не менее, его частоту удалось поднять со стандартных 2,9 ГГц (1,4 В) до 3,48 ГГц (1,45 В). При этом использовался мощный. Результат представлен на рисунке 9.(Приложение Н)

В таблице 10 (приложение П), в разогнанном состоянии (с использованием Dirt) процессоры Clarkdale просто "летают", демонстрируя производительность на уровне самых быстрых CPU.

Говоря о разгоне, нельзя обойти вниманием такой немаловажный момент, как сопутствующее ему повышенное энергопотребление. Полученные результаты говорят о том, что современные CPU обладают высоким потенциалом для разгона (хотя при этом он ограничивается максимальным уровнем напряжения и тепловыделения, т.е. процессор может в буквальном смысле сгореть). Как бы то ни было, разгон можно считать вполне оправданным, даже несмотря на неизбежное повышение расхода электроэнергии. Если посмотреть на результаты теста, можно заметить, что система на базе разогнанного Intel Core i3-530 потребляет энергии меньше, чем тестовая конфигурация с неразогнанным Intel Core i7-920. Таким образом, энергопотребление дорогих высокопроизводительных процессоров Intel или AMD и их более доступных собратьев в состоянии разгона находится в пределах одного диапазона. В самой процедуре разгона нет ничего сложного, разве что кулер нужно будет заменить на более мощный.

Оптимальный вариант.

Теперь можно дать оценку каждой из тестируемых моделей процессоров с точки зрения комплексного анализа её потребительских свойств. К этой чрезвычайно важной задаче следует отнестись со всей ответственностью, поскольку существует опасность допустить ошибку при расчётах, некорректно сформулировать мысль или исказить эмоциональную составляющую оценки.

Прежде всего, данные для каждого CPU по каждому бенчмарку были собраны воедино и переведены в процентную систему счисления, где в качестве базового уровня (100%) был взят классический Intel Pentium 4 670. В ситуациях, когда один тест включает в себя несколько модулей/сценариев, рассчитывалось средневзвешенное значение с учётом результатов по каждому из них. Таким образом соблюдался принцип равенства всех бенчмарков и результатов, полученных в каждом из них.

Индекс общей производительности получен методом простого учёта всех данных по всем тестам и не предполагает подробного анализа в аспекте приоритетности или других подобных "изысков". Вместе с тем тестовый пакет формировался с прицелом на максимально полный охват, поэтому итоговый рейтинг производительности позволяет получить достаточно полное представление о тестируемых CPU. Следующий этап анализа включает в себя сбор данных о стоимости CPU, содержащихся в официальных прайс-листах Intel и AMD (цены определялись по данным официальных сайтов). Стоимости указаны на момент их появления в розничной продаже. Если взять общую производительность по каждому CPU и поделить на цену, то полученные результаты будут выглядеть так, как показано в приложении П (таблица 11). Эти результаты позволяют получить достаточно полное представление об оценке каждого из процессоров с точки зрения производительности на доллар цены - и здесь CPU из семейства Athlon II выглядят лучше других. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема оптимального соотношения цены и качества, поэтому был подготовлен график, отражающий именно этот аспект: соотношение "цена/производительность. Этот график удобен тем, что позволяет найти наиболее производительное решение в определённом ценовом диапазоне. За основу взят Pentium 4-670, как 100% производительности (Приложение Р, график 1).

Заключение

Итак, вследствие проведенного исследования необходимо отметить, что, ученые и инженеры успешно преодолевают барьеры на пути повышения производительности элементов и систем. Они предлагают различные пути решения встающих перед компьютерной отраслью проблем. Это и улучшение полупроводниковых техпроцессов, и совершенствование архитектуры высокочастотных микросхем, и внедрение перспективных технологий, и даже поиск путей модификации конструкций системных блоков.

За счёт того, что современные процессоры очень быстры, переключение между задачами обычно остаётся незаметным на взгляд пользователя. Однако существуют и приложения, прервать которые для передачи процессорного времени другим задачам в очереди достаточно сложно. В этом случае операционная система начинает подтормаживать, что нередко вызывает раздражение у человека, сидящего за компьютером. Также, нередко можно наблюдать и ситуацию, когда приложение, забрав ресурсы процессора, "зависает", и такое приложение бывает очень тяжело снять с выполнения, поскольку оно не отдаёт процессорные ресурсы даже планировщику операционной системы.

Подобные проблемы возникают в системах, оснащённых многоядерными процессорами, на порядок реже. Дело в том, процессоры с несколькими ядрами способны выполнять одновременно несколько вычислительных потоков, соответственно, для функционирования планировщика появляется больше свободных ресурсов, которые можно разделять между работающими приложениями. Фактически, для того, чтобы работа в системе с многоядерным процессором стала некомфортной, необходимо одновременное пересечение процессов, пытающихся захватить в безраздельное пользование все ресурсы CPU.

Исходя из проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

- ученые и инженеры успешно преодолевают барьеры на пути повышения производительности элементов и систем;

- достигнутая степень интеграции позволяет строить параллельные системы, в которых число процессоров может достигать десятков тысяч;

- ввиду того, что технология виртуальной многопоточности, Hyper-Threading присутствует в процессорах Intel уже очень продолжительно время, разработчики программного обеспечения к настоящему времени предлагают достаточно большое число программ, способных получить выигрыш от многоядерной архитектуры CPU;

- основная цель будущей нанотехнологии, по всей вероятности, - создание структур, способных к эволюции и саморазвитию;

- идея объединения нескольких ядер в одном процессоре продемонстрировала свою состоятельность на практике;

- среди приложений, скорость работы которых на многоядерных процессорах будет увеличена, следует отметить утилиты для кодирования видео и аудио, системы 3D моделирования и рендеринга, программы для редактирования фото и видео, а также профессиональные графические приложения класса САПР;

- существует большое количество программного обеспечения, которое многопоточность не использует или использует её крайне ограниченно. Среди ярких представителей таких программ - офисные приложения, веб-браузеры, почтовые клиенты, медиа-проигрыватели, а также игры. Однако даже при работе в таких приложениях многоядерная архитектура CPU способна оказать положительное влияние. Например, в тех случаях, когда несколько приложений выполняются одновременно. Будущее за нанотехнологиями, оперирующими величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход: скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Мир таких бесконечно малых величин намного меньше, чем мир сегодняшних микрокристаллов и микротранзисторов.

Наиболее значимые практические результаты достигнуты в области молекулярной электроники. Она логически близка к традиционной полупроводниковой электронике. Методами молекулярной электроники из углеводородных соединений удается получить аналоги диодов и транзисторов, а следовательно, и основные булевы модули И, ИЛИ и НЕ, из которых затем можно строить схемы любой сложности. Подобный подход позволяет сохранить преемственность архитектурных решений.

Глоссарий

Список использованных источников

1. Байцер, Б. Архитектура вычислительных комплексов. [Текст] / Б. Байцер. - М.: Мир, 2010. - 241 с. - ISBN 5-3269-7763-7.

2. Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. [Текст] / Под А.С. Басманов, Ю.Ф. Широков. - М.: Энергоатомиздат, 2009.-127 с.- ISBN 5-6248-3548-4.

3. Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро- и миниЭВМ. [Текст] Е.П. Балашов, В.Л. Григорьев, Г.А. Петров.- Л.: Энергоатомиздат, 2009. -376 с.- ISBN 5-235-48355-4.

4. Бачило А.Г., Ткаченко И.А. Два путешествия с компьютером [Текст] / А.Г. Бачило, И.А. Ткаченко - М.: Мол. гвардия, 2009. - 271 с. - ISBN 5-235-00912-6.

5. Белунцов В.О. Железо ПК [Текст] / В.О. Белунцов. - СПб.: Десс, 2010. - 196 с. - ISBN: 5-9604-0006-7.

6. Влох О.Г. Явления пространственной дисперсии в параметрической кристаллооптике [Текст] / О.Г. Влох.- М.: БИНОМ, 2010.- 212с.- ISBN 5-154789-25-7.

7. Вуд А. Микропроцессоры в вопросах и ответах. [Текст] / А. Вуд.- М.: Энергоатомиздат, 2009. -185 с. - ISBN 5-57468-105-6.

8. Быков С.Е. Производительность ПК [Текст] / С.Е. Быков. - СПб.: Десс, 2010. - 187 с. - ISBN: 5-8904-1876-7.

9. Гивоне Д., Россер Р. Микропроцессоры и микрокомпьютеры: Вводный курс [Текст] / Д. Гивоне.- М.: Мир, 2011.- 463 с. - ISBN 5-6378-4782-1.

10. Денисов Т.В. Обзор МП [Текст] / Т.В. Денисов. - М.: Наука, 2010.-102 с. - ISBN 5-862241-15-8.

11. Еременко В.В. Магнитные и магнитоупругие свойства антиферромагнетиков и сверхпроводников [Текст] / В.В. Еременко, В.А. Сиренко. - К.: Наук. думка, 2010.- 294 с.- ISBN 5-489751-45-5.

12. Кобаяси Н. Введение в нанотехологию [Текст] / Н. Кобаяси. - М.: БИНОМ, 2009. - 134 с. - ISBN 5-4021-4320-5.

13. Корнеев В.В. Современные микропроцессоры. [Текст] / В.В. Корнеев. - М.: Нолидж, 2010. - 240 с. - ISBN 5-3456-1103-7.

14. Кукин В.Н. Информатика: организация и управление [Текст] / В.Н. Кукин. - М.: Экономика, 2009. - 198 с. - ISBN 5-499246-45-5.

15. Леонтьев В.П. Персональный компьютер. Карманный справочник [Текст] / В.П. Леонтьев. - М.:ОЛМА-ПРЕСС, 2011. - 239 с. - ISBN 5-793241-21-1.