• Помощь
• Журнал "Компьютерный Мир"
• Журнал "Компьютерный Мир", Март 2008

Четыре лучше двух?

С развитием полупроводниковых технологий и совершенствованием внутренней архитектуры вычислительные возможности процессоров очень быстро выросли. Но наиболее важная их характеристика — производительность — сильно зависит от тактовой частоты ядра, рост которой не может продолжаться бесконечно. Поэтому дальнейшее повышение производительности возможно за счет совершенствования архитектуры и увеличения числа ядер.

С точки зрения пользователя, быстродействие процессора характеризуется временем выполнения определенного набора команд, последовательность которых образует компьютерную программу. Чем оно меньше, тем выше производительность. Иными словами:

Производительность = (количество микрокоманд за такт) х (тактовая частота)

Среди процессоров одного семейства большей производительностью обладают те, которые имеют более высокие тактовые частоты. Именно поэтому довольно долго повышение производительности процессора достигалось путем увеличения тактовых частот.
Однако безудержному росту тактовых частот препятствуют объективные физические законы. Ограничение роста частоты связано с уменьшением транзисторов, достигших уже нанометровых размеров, а также с увеличением их плотности размещения на полупроводниковом кристалле. В результате на работу элементов влияют помехи и паразитные токи. Причем их негативное влияние увеличивается с ростом тактовых частот, вызывая повышенные энергопотребление и теплообразование. Все это проявилось в старших процессорах Intel Pentium 4, требовавших не только мощных источников питания, но и больших кулеров для их охлаждения. Эти особенности ограничили развитие процессоров путем подъема тактовой частоты и инженерная мысль переключилась на разработку многоядерных моделей.
Для многоядерных моделей приведенная ранее формула выглядит так:

Производительность = (количество ядер) х (количество микрокоманд за такт) х (тактовая частота)

Эта идея была успешно опробована в процессорах Intel Pentium D: они характеризуются значительно большей производительностью при умеренных значениях тактовых частот, энергопотребления и теплообразования.

Новая архитектура — новые возможности
Для дальнейшего повышения производительности своих процессоров специалисты компании Intel предложили новую архитектуру, обеспечивающую эффективное снижение показателя Energy per Instruction (энергии, затраченной на выполнение одной инструкции). Архитектура получила наименование Core.
В продуктах, созданных на основе Core, нашли свое воплощение многие инновационные технологии. Данная архитектура стала основой для двухъядерных процессоров всех сегментов рынка ПК — настольных, ноутбуков и серверов.
На основе архитектуры Core для рынка настольных компьютеров компания Intel выпустила двухъядерные процессоры, получившие наименование Core 2 Duo.
Core 2 Duo — это уже третье поколение двухъядерных процессоров Intel для ПК (напомним, что к первому поколению относятся модели Pentium D, разработанные для настольных ПК, а ко второму — Core Duo для ноутбуков).
Все выпущенные в настоящее время процессоры Intel Core 2 Duo, ориентированные на рынок настольных систем, работают с процессорной шиной, унаследованной от Intel Pentium 4 и Intel Pentium D.
За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэш-памяти второго уровня. Весь объем памяти доступен обоим ядрам процессора.
Процессоры Core 2 Duo для настольных ПК поддерживаются наборами микросхем системной логики (чипсетами), среди которых — собственные наборы Intel: iX38, iP35, iG35, iQ35, iQ33, iP31, iG33, iG31, i975X, iP965, и наборы NVIDIA: nForce 600i и nForce 700i.

Новые процессорные технологии Intel Корпорация Intel готовит к выпуску процессоры с кодовыми именами Tukwila и Silverthorne. Первый из них принадлежит семейству серверных процессоров Itanium, он будет производиться по технологии 65 нанометров и насчитывать 4 ядра. В этой разработке Intel обещает вдвое превзойти производительность процессора Itanium 9100 (ядро Montvale), лишь на 25% подняв его энергопотребление (до 130 Вт). А процессор с кодовым именем Silverthorne предназначен для мобильных устройств для работы в Интернете (так называемые Mobile Internet Devices). В отличие от Tukwila, данный чип будет 45-нанометровым. В Silverthorne планируется реализовать новый режим энергосбережения и ряд технологий, которые вкупе с новыми материалами обеспечат очень малое энергопотребление. И что наиболее примечательно — в Silverthorne будет реализована новая версия известной технологии Hyper-Threading.

Новая архитектура против старой
Что же касается производительности процессоров с новой микроархитектурой, ее проще всего оценить при помощи тестирования. В качестве объекта тестирования мы использовали так называемую экстремальную модель Intel Core 2 Extreme X6800. А в роли эталона выступил процессор Intel Pentium D 820, относящийся к предыдущему поколению двухъядерных процессоров. Эта модель создана по технологии 90 нм. Тактовая частота работы ядер — 2,8 ГГц.
В качестве основы тестовой системы использовалась материнская плата Intel D975XBX.
Результаты выполнения популярного теста 3DMark06 представлены на диграмме 1.

Диаграмма 1. Результаты тестов 3DMark06

Одно из достоинств систем с двухъядерными процессорами — возможность одновременной работы с несколькими программами. В превосходстве архитектуры Intel Core и созданных на ее основе процессоров можно убедиться на примере теста CPUmark99, который позволяет запустить несколько копий и загрузить оба ядра процессора.
Результаты выполнения нескольких копий теста CPUmark99 приведены на диаграмме 2.
Тестирование показывает преимущество микроархитектуры Core над NetBurst. Модель Intel Core 2 Extreme X6800 при превышении на 4,6% тактовой частоты по сравнению с Intel Pentium D 820 в тесте 3DMark06 демонстрирует на 86% большую производительность. Не менее интересны результаты одновременного выполнения нескольких копий CPUmark99. В случае запуска одной копии превышение составляет 162%, при запуске двух — 161%. С ростом числа копий теста CPUmark99 преимущество в производительности процессора новой архитектуры сохраняется.
Кстати, из тестирования следует, что многоядерные процессоры наиболее эффективны при выполнении нескольких независимых задач, а также приложений, допускающих распараллеливание программного кода.
Остается напомнить, что в тестах использовался инженерный сэмпл модели Intel Core 2 Extreme X6800, а как показывает опыт, по мере совершенствования технологии и внутренней архитектуры параметры процессоров улучшаются.
Итак, новая микроархитектура обеспечила 1,5-кратное, а в некоторых задачах и более высокое, увеличение производительности при таком же снижении энергопотребления.

Четыре против двух
Однако инженеры Intel не стали почивать на лаврах и выпустили более совершенный продукт — четырехъядерный процессор (ядро получило наименование Kentsfield).
Данный чип позиционируется как процессор для игровых ПК. Однако как показало многочисленное тестирование, этот процессор демонстрирует высокие результаты не только в играх, но и в приложениях трехмерного моделирования, рендеринга, обработки видео- и аудио.
С конструктивной точки зрения Intel Core 2 Extreme QX6700 представляет собой два двухъядерных полупроводниковых кристалла, совмещенных в одном процессорном корпусе. Не вдаваясь в подробную оценку положительных и отрицательных сторон этого решения, нужно сказать, что оно позволило существенно снизить его себестоимость, а следовательно, и конечную цену. Что же касается пользователей, как показывает практика, их не очень волнует, каким образом скомпоновано многоядерное ядро: представляет оно собой цельный кристалл или собрано из двух отдельных частей, соединенных вместе внутри единого корпуса.
В конце концов, главное, что требуется от процессора, — это корректное и быстрое выполнение прикладных задач, а внутреннее строение — все-таки удел специалистов и энтузиастов. Но вот возможностям и особенностям использования новых, производительных, а поэтому и недешевых, компьютерных элементов необходимо уделять повышенное внимание.
Для поддержки четырехъядерных моделей компания Intel рекомендует использовать свои материнские платы, однако вполне подойдут системные платы и от других производителей. Но здесь следует уточнить: не каждая материнская плата, поддерживающая ставшие уже привычными двухъядерные процессоры Intel Core 2 Duo, способна работать с четырехъядерными моделями. Для этого требуется не только соответствующий вариант программного кода BIOS, но и выполнение определенных требований к встроенным преобразователям питания. Кроме того, в системе необходим и блок питания повышенной по сравнению с системами Intel Core 2 Duo электрической мощности.
Для поддержки четырех-, а также и двухъядерных процессоров можно использовать материнские платы, созданные на основе соответствующих чипсетов. Это могут быть изделия с топовыми чипсетами Intel Х38 или 975X. Менее взыскательным пользователям, не использующим мощные процессоры и не требующим от своих компьютеров повышенной производительности и функциональности, можно порекомендовать материнские платы, созданные на основе чипсетов Intel P35, Q35, G35. Несколько меньшими возможностями обладают платы, созданные на основе чипсетов Intel P31, G31, G33. Кроме того, в компьютерных магазинах в большом количестве представлены материнские платы на чипсетах серии 965, также способные работать с четырехъядерными процессорами. Однако такие варианты следует рассматривать как промежуточные этапы конструкторской мысли. Они были предложены в период отсутствия соответствующих элементов, хотя надо признать, что подобные платы нередко хорошо справляются с поставленными задачами. Сегодня же пользователям следует ориентироваться на более совершенные материнские платы, специально созданные для поддержки современных многоядерных процессоров.

Новые 45-нанометровые процессоры Intel c ядром Penryn, отличаются от предшественников тем, что имеют более низкое энергопотребление

Оценить производительность четырехъядерного процессора можно на примере модели Intel Core 2 Extreme QX6700 (ядро Kentsfield). Этот процессор имеет тактовую частоту ядра 2,66 ГГц, разъем LGA775, частоту шины 1066 МГц и суммарный объем кэш-памяти второго уровня 8 Мбайт (2×4 Мбайт).
Основой для тестирования послужила материнская плата Intel BadAxe 2 D975XBX2 Rev. 303. Кстати, как показало тестирование, данный процессор устойчиво работал и на предыдущем варианте материнской платы — D975XBX.
В качестве эталона для четырехъядерного Intel Core 2 Extreme QX6700 был использован процессор Intel Core 2 Extreme X6800 (ядро Conroe). Такой выбор объясняется тем фактом, что до появления Intel Core 2 Extreme QX6700 модель Intel Core 2 Extreme X6800 считалась самым производительным процессором для настольных систем.
Сравнительные характеристики этих процессоров приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики процессоров

Таблица 2. Результаты сравнительного тестирования

Результаты теста (таблица 2) показывают преимущество четырехъядерного процессора Intel Core 2 Extreme QX6700 над двухъядерным Intel Core 2 Extreme X6800, созданным, кстати, по той же архитектуре Core. Остается напомнить, что этот прототип не так давно в тестах легко обгонял своих двухъядерных предшественников Intel Pentium D, не говоря уже об одноядерных моделях, ставших достоянием славной истории эволюции процессоров.
Но и на приведенном четырехъядерном варианте прогресс не остановился, и в 2007 году линейка пополнилась моделями Intel Core 2 Quad. В этой линейке место нашлось для разных представителей, отличающихся частотными показателями ядра и шины, размерами кэш-памяти второго уровня и, конечно, ценой. Объединял же их единый технологический процесс с масштабом литографии 65 нм.

Поколение Penryn
Однако уже в конце прошлого года были представлены новые модели четырех- и двухъядерных процессоров, созданных на основе улучшенной архитектуры Core и выполненных по технологическому процессу 45 нм (таблицы 3—5).

Таблица 3. Четырехъядерные модели Core 2 Extreme

Таблица 4. Четырехъядерные модели Core 2 Quad

Таблица 5. Двухъядерные модели Intel Core 2 Duo

Новые представители процессорного семейства обладают повышенным ресурсом для наращивания частот для ядра и шины. Это позволяет создавать более производительные модели процессоров. Притом 45-нм чипы отличаются от предшественников высокой энергоэкономичностью, что открывает возможности для конструирования высокопроизводительных, но малошумных систем.
Что же касается областей применения многоядерных систем, ими могут быть и традиционные офисные приложения, и задачи, связанные с работой в Интернете, и обработка аудио- и видеоинформации, и, разумеется, различные игры. Однако в наибольшей степени преимущества многоядерных процессоров проявляются при одновременном выполнении большого количества программ, а также приложений, специально спроектированных для многопоточного выполнения. К слову сказать, число таких приложений стремительно увеличивается.

Заключение
В соответствии с планами Intel, в конце 2008 года будут представлены процессоры новой микроархитектуры ядра. Как ожидается, старшие модели будут иметь по восемь ядер, размещенных в едином процессорном корпусе, а также встроенный контроллер оперативной памяти. В некоторые модели новых процессоров будут интегрированы еще и видеосредства, не уступающие по своим возможностям существующим встроенным в чипсеты решениям. Все это позволит поднять планку производительности еще выше и, в свою очередь, расширить сферу применения компьютеров.

Платформа для самых быстрых ПК Высокопроизводительная платформа компании Intel под названием Skulltrail сочетает возможности рабочей станции и игровой системы. Ключевым компонентом платформы является материнская плата Intel D5400XS — единственная на сегодня, которая поддерживает одновременно технологии NVIDIA SLI и AMD CrossFire, позволяющие применять связку из двух видеокарт. Также в состав платформы войдет четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme QX9775 (общим числом до двух) с тактовой частотой 3,2 ГГц. В продаже все компоненты платформы Intel Skulltrail появятся до конца марта. Согласно позиционированию Intel, данная платформа может быть интересна бескомпромиссным геймерам и профессионалам в области 2D- и 3D-моделирования.

Процессорный кулер с двумя вентиляторами Кулер компании Thermaltake по имени DuOrb предназначен для охлаждения центрального процессора, он оснащен двумя вентиляторами диаметром 80 мм каждый, которые расположены параллельно плоскости материнской платы. К радиаторам от медного основания кулера тянется по три тепловых трубки. Кулер с такой конструкцией может попутно обдувать как силовые элементы рядом с процессором, так и модули памяти. Вентиляторы имеют приятную красную и синюю светодиодную подсветку. Они вращаются со скоростью 2000 об/мин, при этом уровень шума не превышает 21 дБА. Кулер можно установить на любую материнскую плату с с разъемами LGA 775 и Socket AM2/AM2+.