Do it HARD: выбираем процессор

Привет, друзья! Мы продолжаем цикл статей, рассказывающий о том, как выбрать комплектующие и собрать компьютер собственноручно. Сегодня мы наконец-то будем выбирать процессор, а это замечательный повод устроить классический холливар в комментариях, считайте это приглашением.Процессор, жаргонно “проц”, “камень”. В мануалах “CPU”, “ЦПУ”. По сути – это кристалл кремния (как песок или стекло), выращенный по особой технологии. Выращивают их в виде метровых дисков, красиво переливающихся на свету. Затем такой круг разрезают на десятки процессоров. Технология такова, что на этапе производства неизвестно, какой тип процессора получится, и какую тактовую частоту он будет поддерживать. Изначально они все равны. Только после заводского тестирования производитель маркирует камешки. Самые качественные и устойчивые получают более высокие частоты или разблокированный множитель. Остальным для стабильной работы понижают частоту, отключают ядра и пр.

Процессор – это далеко не монолитная штука. Внутри него множество блоков, которые по умным алгоритмам обрабатывают данные. Прежде, чем пройдёт вычисление, данные много раз могут отсеяться и преобразоваться. А промежуточные варианты хранятся в собственной памяти процессора.

Да, процессор  имеет свою собственную память. Чтобы не бегать каждый раз на поклон к RAM. Причём, её несколько видов. Называется эта память кеш-памятью первого, второго или третьего уровня. Объем L1 и L2, как правило — очень крохотный. Зато к ней крайне быстрый доступ. Если у вас многоядерный процессор, то у каждого ядра своя L1-L2 память. В L3 хранятся общие данные, над которыми работает процессор. Обычно её объем от 2 до 8 Мб. В серверных камнях и того больше.

Миф о частоте

Издревле люди привыкли мериться частотой процессора. Более того, когда появились многоядерные процессоры, они начали плюсовать частоту ядер. Например, говорить не 4 ядра по 3 ГГц, а 12 ГГц! Да будь такая частота, у вас не то, что процессор расплавился бы, у вас бы дыра в материнской плате образовалась!

Мне кажется, что пора положить этому конец. Ведь что такое частота? Частота – это количество тактов процессорных операций в секунду. Т.е. 3 ГГц – это три миллиарда тактов в секунду. А теперь представьте, что есть процессоры разных производителей, разной архитектуры, разных лет производства, которые вы сравниваете по количеству тактов (даже не операций!) за секунду. Это всё равно, что сравнивать ложку с черпаком по количеству ходок ко рту =)

Шина

Между разными блоками процессора, да и между ядрами тоже, данные должны как-то передаваться. И передаются они по так называемой шине. Понятное дело, чем шина шире и чем больше ее тактовая частота – тем лучше. Но вы здесь повлиять ни на что не можете. Производитель меняет шину раз в много лет. Другое дело, что есть отличия между шинами разных производителей.

Долгое время производители мерились частотой и пропускной способностью шины. А затем Intel сделали технологию, которую AMD не может превзойти без малого десять лет: они сделали кольцевую шину. Такая технология позволила увеличить скорость доступа к некоторым блокам многократно. И итоговая пропускная способность, естественно возросла.

Особенности технологии

Что такое x86? Это архитектура настольных процессоров. У мобильных процессоров своя архитектура – ARM. А все настольные процессоры, в том числе, и в ноутбуках – это х86. Название это ничего не означает. Это просто дань уважения к первым представителям серии от Intel.

Эта архитектура появилась очень давно и для совместимости со старым оборудованием в ней предусмотрено просто нереальное количество «костылей», обеспечивающих работоспособность уже вымерших компонентов и совместимость для современных. Но — альтернативы нет. Главное отличие х86 от ARM, царствующей на портативной технике, в количестве блоков. В х86 тьма блоков, которые выполняют только свою определенную задачу, а всё остальное время простаивают. В ARM минимум специализированных блоков, а все остальное — универсальные. В итоге, ARM менее прожорлив, но, если требуется решить какую-то сложную задачу, х86 даже дыхание не собьет, а ARM будет пора пристреливать.

Сколько бывает бит в процессоре? Вот уже лет 10 все процессоры поддерживают 64-битную адресацию, что позволяет им управлять большими объёмами памяти. Но они прекрасно работают и с 32-битными операционными системами. В таком случае часть их потенциала будет незадействованной.

Энергосберегающие технологии

Последнее время производители начали задумываться, как снизить энергопотребление процессоров. Это явление стало трендовым с популяризацией ультрабуков. Снижение потребления достигается за счет понижения тактовых частот (что сказывается на производительности) и микроархитектурных улучшениях, например, интеграция модуля питания в сам процессор в Haswell-ах (что мало сказывается на производительности). AMD в этой нише очень сильно отстает.

Технологии

Hyper–threading – многопоточность. Эта технология появилась в процессорах ещё раньше, чем многоядерность. Она позволяет одному ядру выполнять два потока операций. Как это работает? Во-первых, в архитектуре х86 множество узкоспециализированных блоков, большая часть которых часто простаивает, помните? Во-вторых, алгоритмы предсказания могут не срабатывать, или возникать кеш-промахи. В итоге, некоторые блоки процессора один такт простаивают незадействованными. В случае многопоточности на ядро подается два потока данных. Если какой-то блок шарится без дела – ему сразу передаются данные второго потока. В противном случае второй поток просто подождёт конца такта и тогда будет обработан.

В операционной системе одно многопоточное ядро представлено, как два. Но чудес не бывает – ядер не становится в 2 раза больше. И производительность не возрастает в 2 раза. Производительность может даже уменьшаться.

HT повышает тепловыделение кристалла, поэтому в поколении процессоров Core от этой технологии отказались.

У AMD практически нет альтернативы этой технологии. В архитектуре Bobcat использовалась методика внеочередного исполнения команд. Впрочем, повышение производительности оказалось едва заметным, и компания отказалась от её развития.

TurboBust/TurboCore – процессор сам повышает свою тактовую частоту. У Intel чем больше простаивающих ядер – тем сильнее разгоняется занятое ядро. Т.е., повышается однопоточная производительность. Если все ядра процессора задействованы полностью – частота повышается совсем немного. А если процессор начинает перегреваться – частота вообще сбрасывается на минимум (или вовсе происходит его отключение). Это технологии самозащиты – повредить процессор штатными средствами совсем не просто. Отличие AMD состоит в том, что частота повышается всегда на фиксированное значение, а при загрузке всех ядер частота возвращается в номинальную. Обратная сторона технологии – при простое частота ядер просто снижается, а Intel вообще может полностью отключать неактивные ядра.

Ядра и потоки

В интернете сформировалась очень стойкая концепция: многоядерность не нужна, потому что существует очень мало программ, оптимизированных под многопоточность. Но суть многоядерности не только в этом. Современные операционные системы в каждый момент времени исполняют множество задач. Поэтому очень удобно, когда одно ядро занято проигрыванием HD-фильма, второе – запаковкой архива, третье – антивирусным сканированием, а четвертое позволяет работать операционной системе без зависаний и подергиваний.

Основные игроки

Сейчас процессоры фактически производят только две компании: Intel и AMD. Раньше их было больше, но постепенно остались только эти две. Еще немножко на этой халтурке подрабатывает Via, но у неё — своя ниша.

У компании AMD есть небольшой секрет. Они не производят процессоры. Как бы парадоксально это не звучало. Они их проектируют и отдают заказ подсобникам. А вот у Intel есть свои заводы. При этом их много. И совсем недавно они построили ещё один.

История Intel спокойна и её рассказ сведётся к перечислению основных поколений процессоров. История AMD полна своих взлетов и падений, так что я не удержусь и перескажу чуток.

Самые первые процессоры, которые выпустила AMD, были разработаны не ими. AMD добросовестно разбирали процессоры Intel, смотрели, как те устроены, и собирали такие же, но дешевле. Затем короткое время они покупали лицензию у Intel и производили клоны официально. Сейчас сложно представить, но в те времена их процессоры были полностью совместимы, и в сокет для Pentium можно было засунуть камень от AMD.

После этого пути компаний разошлись. AMD начинают разрабатывать собственные процессоры.

В начале 00-х компания перехватывает пальму технического превосходства. Пока Intel беззаботно клепала горячий и не очень смышленый Pentium 4, AMD начала делать кристаллы гораздо более высокого качества, да ещё и дешевле.

Продукция АМД получила больший кеш второго уровня, удачные инструкции 3DNow!, а затем и первые ввели поддержку 64-битности. Контроллер оперативной памяти встроить в процессор тоже AMD придумали. Техноманы советовали собирать производительные игровые системы на камнях от AMD. К AMD пришёл успех. Началось строительство собственного завода.

Однако Intel быстро спохватились и взяли ситуацию под контроль. 2006 год становится переломным в процессорной гонке. Intel выкатывает поколение Core. На 40% мощнее предыдущего поколения, гораздо более энергоэффективнее и прохладнее, гораздо тоньше техпроцесс, гораздо производительнее при меньшей частоте. В ответ AMD выкатывает… ничего. Более того, компания тратит деньги на приобретение огромной компании-производителя видеокарт ATI. Тратятся деньги, тратится время на слияние. И это во время мощного удара от голубого гиганта.

С тех пор компания начинает отставать минимум на год от своего конкурента. Постепенно доля компании уменьшается. В верхнем ценовом сегменте AMD практически отсутствует. Новых технологий от AMD практически нет. Конкуренция идёт только за счёт низкой цены.

Чтобы продержаться на плаву, компания в 2009 году продаёт собственный завод по производству процессоров и сосредотачивается исключительно на разработке. Но кардинально ситуацию это не меняет. В конце 2011 года появляются слухи о том, что совет директоров AMD ищет покупателя, чтобы продать бизнес. Компания, фактически — на краю банкротства.

И только в 2013 году тучи немного рассеялись. Intel отказывается от сотрудничества с Sony и Microsoft, контракт достаётся AMD. Компания становится поставщиком процессоров для игровых приставок нового поколения от этих производителей. А также становится поставщиком видеокарт для всех игровых приставок последнего поколения. Новый директор компании останавливает разработку некоторых запланированных процессоров и начинает формировать новую и сильную команду инженеров. Будущее покажет, есть ли еще порох в пороховницах этой компании.

Но — вернёмся к современности. Кто из производителей выпускает лучшую продукцию? Это дело религии, и в статью в любом случае набежит стадо фанатов обеих компаний. А фанаты — люди страшные, им факты не писаны. Так зажжем же факелы и пойдем громить дома AMD-шников!

А если серьезно, то камни от Intel пока что могут похвастаться более совершенной архитектурой. Начнем с того, что Intel на год опережает AMD в технологическом процессе. В то время, как Intel уже год, как выпускают 22-нм кристаллы, АМД всё ещё балуется с 32 нм. Кроме того, кристалл Intel использует «трёхмерные» транзисторы. Это сделано для борьбы с «токами утечки» на таких малых элементах. Также Intel постепенно отходит от гонки гигагерц и делает попытки повышения производительности на Ватт. Ну и последнее. У Intel используется кольцевая шина, что значительно ускоряет процесс передачи данных между блоками. В итоге, при меньшем значении частоты, а часто — и при меньшем количестве ядер, у Intel получается сделать больше математических вычислений.

В поисках истины попытаемся найти сильные стороны AMD. Это: более мощный встроенный графический чип (покупка ATI явно отразилась), большее количество ядер (это не опечатка, у АМД есть много 8-ядерных чипов и даже есть 16-ядерные монстры), лучше организована работа аппаратной виртуализации (если кто-то сможет заметить разницу) и, естественно – процессоры АМД дешевле. Причём, очень существенно дешевле. Причём, часто дешевле, чем Intel аналогичной производительности. За это вы расплатитесь большим энергопотреблением, большим тепловыделением и низшей однопоточной производительностью, но всё же. AMD явно берет количеством. За одни и те же деньги процессор от Intel с такой же частотой будет иметь на 1-2 ядра меньше. И пусть ядра AMD и менее производительные, часто стоит задуматься: «А может, ну их, эти маркетинговые предрассудки?».

Представители

Какие бывают процессоры у Intel? Когда-то выбор был: Celeron или Pentium. Сейчас выбор следующий:Celeron, Pentium, Core i3, Core i5 или Core i7. Напомню, серверное железо мы не рассматриваем.

А какие бывают процессоры у AMD? Две линейки – чисто процессоры (Sempron, Athlon, Phenom) и APU, содержащие также видеокарту (A-серия и FX-серия).

В каждой линейке есть свои представители, в зависимости от года выпуска. У Intel это Pentium 4 -> Core (первого поколения) -> Core (Sandy Bridge) -> Core (Ivy Bridge) -> Core (Haswell). При этом Core – это целый сонм камней с разной архитектурой, но все на сокете LGA 775.

AMD сначала называли свои камешки поэтично (K5 – K10), а затем стали использовать слова, подобно конкуренту. Так появились Bobcat -> Bulldozer -> Piledriver. Однако, у этого производителя каждая архитектура делится на семейства.

Забавный факт. Уже много лет процессоры от Intel не имеют ножек. Вместо этого на них расположены контактные площадки. Инженеры Intel посчитали, что возникает много брака при производстве и транспортировке процессоров со штырьками. И переложили этот труд на производителей материнских плат. Теперь производители материнских плат столкнулись с трудностями создания и транспортировки подпружиненных контактов. Но правила диктует Intel. Горе побеждённым. Камни от AMD производятся по старинке.

Традиционно, большая тема будет разбита на две части, продолжение темы ждите через неделю. Для тех, кто присоединился к нам недавно, вот выбор материнской платы: раз и два.