Процессоры

Процессоры фирмы Intel

8088/8086

Этот процесср применялся фирмой IBM в своих первых персональных компьютерах. Он имел частоту 4.77 MHz. Процессоры работают внутри с 16-разрядными данными, однако, если CPU 8086 как передает, так и принимает 16 бит данных, CPU 8088 при передаче ограничен только 8 битами.

80286

В 1984 году IBM представила другой свой компьютер на базе новейшего тогда процессора 80286. Этот CPU (Central Processing Unit) обладал новым свойством: наряду с реальным режимом, он мог также работать и в защищенном режиме (смотрите оперативная память), что явилось предпосылкой для развития конкурирующих с DOS операционных систем, в частности, Windows, а также прочих программ, требующих наличие большего количества памяти - 80286 мог обращаться к 16 Mb фмзической и 1 Gb виртуальной памяти. Кроме того, 80286 может работать на более высокой частоте, чем 8086 - оригинальный процессор имел частоту 6 или 8 MHz. До вымирания компьютеров на базе этого CPU сердце некоторых из них билось уже с частотой 20 MHz. Надо отметить, что в середине 80-х годов прошлого столетия этот процессор де-факто стал символом мощного и продвинутого РС.

80386

Он появился в 1986 году. Наиболее распространенная частота - 33 MHz. В отличие от CPU 286, который был 16-разрядным, 386-й процессор является полностью 32-разрядным: он обеспечивает 32-разрядные операции ввода/вывода и 32-разрядную адресацию (что обеспечивает адресацию до 4 Gb физической памяти и до 64 Gb виртуальной. В виртуальном режиме процессор может эмулировать несколько (до 256) CPU 8086, что позволяет запускать на одном компьютере одновременно более одного процесса, в том числе и более одной операционной системы. Впервые появилось такое понятие, как процессорный кэш. Кэш - cache - это небольшая по объему область сверхбыстрой (по сравнению с RAM) памяти, которая хранит те данные, взятые из оперативной памяти, которые процессор на следующем цикле работе запросит скорее всего. При обращении к системе памяти сначала осуществляется поиск инфорамцияи в кэш-памяти, а в случае ее там отсутствия происходит выборка данных из оперативной памяти. Так как время доступа к кэшу существенно меньше (он выполняется из статистической памяти, которая не требует регенерации), чем к системной RAM, применение кэш-памяти позволяет существенно поднять производительность системы.

Существует два вида, или уровня, кэша. Кэш-память первого уровня (L1 cache) имеет объем в несколько десятков или сотен Kb (это сейчас, а у 80386, по-моему, 4 килобайта, хотя я могу и ошибаться) и служит для согласования скорости работы процессора и внешней кэш-памяти. Внешняя кэш-память соответственно называются кэшем второго уровня, или L2 cache, и, собственно, она и отвечает за кэширование. Когда говорят о кэш-памяти, как правило, имеют ввиду именно L2 cache. Для эффективного кэширования используются алгоритмы предсказания, так что вероятность попадания в кэш достаточно велика. Сам 386-й процессор не имеет внешнего кэша, поэтому соответствующая микросхема устанавливается на материнскую плату.

Существует две разновидности процессора 80386: 80386DX и 80386SX. Вторая представляет линейку 386-х процессоров младшего класса - в отличие от 32-разрядного DX, SX имеет внешнюю 16-битную разрядность, хотя внутри по прежнему работает с 32 битами. Кроме того, у SX понижена тактовая частота (от 16 до 25 MHz), поэтому 386SX работает значительно медленне своего старшего брата.

80486

В свое время был самым мощным процессором и часто использовался в серверах и мощных рабочих станциях. Не так давно он являлся стандартом для высококлассных компьютеров. Различия CPU 80486 и 80386 значительны. Во первых, новый процессор имел расширенный набор из шести инструкций. В микросхему интегрирован 8-килобайтный L1 кэш (предусматривается установка L2 кэша на системную плату, хотя его можно и не устанавливать, но от этого пострадает производительность), но основное новшество заключается в том, что впервые, начиная с процессора 80486, в CPU стал интегриоваться математический сопроцессор, предназначенный для выполнения арифметических вычислений с плавающей точкой (FPU, Floating point Processing Unit, или NPU Numeric Processing Unit, однако первое название более употребительно), что существенно (чуть ли не в два раза) ускоряет действия над дробными числами. Предыдущие процессоры встроенного сопроцессора не имели, и поэтому системные платы под них имели дополнительное гнездо для утановки сопроцессора (опять же, в ущерб производительности на нем можно было сэкономить). Наконец, реализована так называемая конвейеризация опраций, то есть каждая последующая команда начинает выполняться сразу же после после прохождении конвейера предыдущей командой.

Под конвейером в данном случае понимается такой метод обработки внутренних команд, когда исполнение команды разбивается на несколько ступеней (Stages) и каждой ступени соответствует свой модуль в аппаратно-логической структуре CPU. По очередному тактовому импульсу каждая команда передвигается на следующую ступень, при этом уже выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.

Хотя геометрические размеры процессора 80486 больше, чем CPU 80386, первый имеет более высокую степень интеграции чипа. Из-за этого температура на поверхности микросхемы может быть весьма высокой, поэтому на 486-й процессор (а также на все последующие) рекомендуется устанавливать охладительное устройство. Процесор работает на частоте 33 или 50 MHz.

Как и 80386, Intel 80486 тоже имеет младшего брата, он называется 80486SX (старшая модель соответственно также зовется DX). Нет, у него все в порядке с разрядностью, но, кроме пониженной частоты (20-33 MHz) и полимерного корпуса (DX-вариант помещается в упаковку из керамики), инженеры из Intel решили удешевить процессор более варварским для конечного пользователя способом - из версии SX был убран математический сопроцессор. В результате производительность снизилась настолько, что хорошо сконфигурированный компьютер с CPU 386DX/40 MHz даже без сопроцессора работает всегда быстрее CPU 80486SX. Кстати, на самом деле у CPU 80486SX сопроцессор обычно есть, но просто он... отключен. Связано это с тем, что процессоры перед поступлением в продажу проходят жесткие тестирования на надежность, и если у процессора неисправен только математический блок, то его (не выбрасывать же добро!) переводят в класс SX. Кстати, несмотря на то, что DX-версия имеет встроенный FPU, он все же может быть дополнен сопроцессором Weitek (для SX имеется свой сопроцессор).

Развивая технологию, Intel спустя некоторое время выпустила усовершенствованные версии 486-го процессора. Это 80486DX/2 и 80486DX/4. У этих процессоров тактовая частота была увеличена соответственно в 2 и 4 раза и составила в первом случае 66 MHz и 100 MHz (или, реже, 75 MHz) во втором. Буквы DX в названи говорят, что сопроцессор на месте и он никуда не делся. CPU 80486DX/4 также содержит увеличенный объем кэш-памяти первого уровня, который составил уже 16 Kb. По своей мощности CPU 100-мегагерцовые 80486DX/4 процессоры достаточно сильны, и было даже время, когда они конкурировали с CPU Pentium, но в 1995 г. корпорация Intel полностью прекратила выпуск 486-х процессоров, сосредоточившись на производстве своего нового детища - процессора Pentium.

80586 (Pentium)

Первый 586-й процессор был анонсирован Intel 22 марта 1993 г. Он разрабатывался под кодовым названием P5 и должен был называться 80586, но фирма снабдила его более симпатичным именем Pentium. Pentium представляет собой 32-разрядный процессор, построенный по субмикронной технологии. Первые Pentium работали на частотах 60 и 66 MHz и были рассчитаны на напряжение питания 5 V. Частота процессора определялась частотой материнской платы.

В марте 1994 года начался серийный выпуск Pentium второго поколения. Первые экземпляры этих процессоров работали на частоте 90 и 100 MHz, затем частота была увеличена до 133, 150, 166 и, наконец, 200 MHz. Напряжение питания составляет 3.3 вольта. Pentium второго поколения выпускается в в 320-контактном корпусе SPGA (Staggered Pin Grid Array), который несовместим с корпусом CPU Pentium первого поколения (273-контактный Pin Grid Array, PGA). Процессоры Pentium второго поколения используют умножение тактовой частоты, и процессор работает быстрее, чем системная плата, так как не существует материнских плат под Pentium с частотой шины выше 66 MHz.

Дальнейшие усовершенствования в области процессоростроения проявились фирмой Intel в CPU Pentium третьего поколения. Они производятся по CMOS-технологии, при которой используется структура минимального размера 0.25 микрометра. Работают процессоры при напряжении питния 2.9 и 2.5 V. Для установки Pentium'а третьего поколения опять требуется другое гнездо, которое, в отличие от SPGA, имеет не 320, а 321 вывод (Socket 7). Это гнездо также оборудовано модулем измерения напряжения (VRM). Он легко заменяется, если необходимо установить процессор, рассчитанный на другое напряжение. Забегая вперед, скажем, что разъем Socket 7 стал стандартным для CPU класса Pentium и все дальнейшие поколения этого процессора своего интерфейса не изменяли, что безусловно, очень важно в целях совместимости.

В процессоре Pentium получила дальнейшее развитие конвейеризация вычислений. Во-первых, увеличино до 5 количество ступеней в конвейере; во-вторых, Pentium имеет два конвейера, поэтому он называется суперскалярным (superscalar) в отличие от одноконвейерного (скалярного) CPU 80486. Таким образом, одновременно может обрабатываться две команды. В процессор интегрировано 16 Kb кэша первого уровня, разделенного на две области по 8 Kb для кэш-памяти команд и кэш-памяти данных. Благодаря такому разделению исключается наложение команд и данных. Адресная шина осталась 32-битной, но зато шина данных расширена до 64 бит.

В процессоре Pentium впервые появляется предсказание переходов. Переход - это изменение последовательност выполнения команд в соответствии с алгоритмом программного обеспечения. Согласно статистике, переходы встречаются в среднем через каждые 6 команд. Различают безусловные переходы (типа GOTO), когда управление передается по новому указанному адресу, и условные (типа IF), когда когда изменяется ход выполнения программы в зависимости от результатов сравнения. условные переходы снижают общую производительность процессора, так как в ожидании этого перехода конвейер работает в холостую. Поэтому имеется специальный буфер адресов перехода, который хранит данные о последних переходах. Путем применения специальных алгоритмов предсказания переходов удается с той или иной точностью предсказать следующий переход, согласно которому и ведутся дальнейшие вычисления, чтобы процессор не простаивал, а потом, после осуществления перехода, выдаются уже готовые (или не совсем готовые, но уже прошедшие некоторый путь по конвейеру) результаты. Естественно, для обеспечивания оптимальной производительности переходы должны предсказываться максимально точно, иначе будет постоянно складываться ситуация, когда после выполнения перехода будет выясняться, что считалось совсем не то, что нужно. Максимальная эффективность предсказаний для CPU Pentium составляет примерно 80%.

В феврале 1995 года Intel провела презентацию первых рабочих образцов микропроцессора 80686 (Р6), носящий имя Pentium Pro, который явился еще одним усовершенствованием архитектуры процессоров семейства Pentium. В отличие от обыкновенного Pentium, CPU Pentium Pro имеет уже не пять, а четырнадцать ступеней при конвейерной обработке, а количество самих конвейеров увеличилось до трех. Применяются статистичекий и динамический методы предсказания переходов, что повышает их эффективность до 90%. Впервые (уже который раз мне приходится писать это слово) L2 cache стал встроенным в микросхему самого процессора, что не замедлило сказаться на эффективности использования процессорного времени, так как кэш-память теперь смогла работать на более высоких частотах по сравнению с системной платой. В последствии внешний кэш стал встраиваться во все Intel'овские (и не только Intel'овские) микропроцсессоры. CPU Pentium Pro функционирют на частотах 133, 150, 166 и 200 MHz. Благодаря введенным новшествам Pentium Pro при равных тактовых частотах выполняет расчеты на 20-40% быстрее, чем обычный Pentium. Pentium Pro также поддерживает многопроцессорные (до 4-х штук в системе) конфигурации.

Наконец, последним представителем семейства CPU под общим названием Pentium является микропроцессор Pentium MMX, появившийся 8 января 1997-го года. Технология MMX представляет собой одно из наиболее существенных улучшений в процессорной архитектуре, когда-либо производимых Intel. Процессор Pentium MMX имеет 57 дополнительных инструкций, ускоряющих выполнение мультимедийных операций, например работу графических и коммуникационных программ (естественно, скомпилированных с учетом технологии MMX, а это практически все Windows-программы). В сопроцессорах Pentium MMX имеется 8 универсальных регистров по 80 битов каждый каждый для операций над числами с плавающей точкой. При описании числа с плавающей точкой используется 64 бита для мантиссы и 16 бит для экспоненты. Команды MMX используют только 64-разрядную часть мантиссы каждого из регистров сопроцессора. Регистры сопроцессора могут содержать 8 упакованных байт, 4 упакованных 16-разрядных слова, два упакованных 32-разрядных слова или же одно 64-разрядное слово. Таким образом, данные мультимедиа, разрядность которых равна восьми, упаковывается в одно 64-разрядное слово, и над ним производится некотрое обще действие. Эта методика называется одиночной командой со множественными данными (Single Instruction Multiple Data, SIMD) и ориентирована на алгоритмы и типы данных, которые характерны для мультимедиа-приложений. Так как во времена процессоров Pentium такие приложения получили повсеместное распространение, то введение технологии MMX позволило существенно поднять производительность этих CPU. MMX поддерживают также и все последующие процессоры Intel и других фирм. Кроме того, быстродействие нового процессора повышено за счет вдвое большей кэш-памяти первого уровня (теперь ее объем составляет 32 Kb - по 16 Kb для команд и данных) и оптимизированной внутренней архитектуры. Увеличена на один шаг по сравнению с Pentium длина конвейера - теперь она составила 6 ступеней. Блок предсказаний был заимствован у Pentium Pro. Благодаря этим изменениям линия Pentium обрела второе дыхание - повышение производительности составляло до 50% по сравнению с обычным Pentium'ом. Процессор использует напряжение питания 3.3 V (внутренние схемы - 2.2 V) и предназначен для установки в стандартный для Pentium разъем Socket 7. Тактовые частоты могут быть равными 130, 150, 166, 200 и 233 MHz. На этом развитие процессоров Pentuim заканчивается, и Intel начинает работу над Pentium II.

Сейчас процессоры класса Pentium считаются давно устаревшими и используются очень нечасто, хотя надо отдать должное, что для многих офисных применений их мощности и по сей день достаточно.

Pentium II

При конструировании очередного CPU фирма решила не отказываться от уже раскрученной марки Pentium, пользующейся очень широкой известностью. В процессоре Pentium II Intel использовала новую технологию корпусов - картридж с односторонним контактом (Single Edge Contact, SEC) в виде прямоугольного футляра, в который помещается сам процессор. Картридж устанавливается в 242-контактный разъем, называемый Slot 1 и внешне похожий на слоты памяти. На картридже имеется специальная теплоотводная ластина, к которой присоединяется радиатор с вентилятором.

Размер кэша таков: 32 Kb (16+16 Kb) L1 и 512 Kb L2 кэша. В отличие от CPU Pentium и Pentium PRO, у которых кэш-память интегрирована в ядро, у Pentium II она выполнена на процессорной плате. Важным является то, что кэш второго уровня работает на половине частоты процессора, а так как частота Pentium II варьируется от 233 до 450 MHz, то и частота кэша получается по сравнению с предыдущими процессорами довольно внушительной. Производительность повышается и за счет использования выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Также повысилась внешняя частота: теперь обмен с памятью ведется на скорости 100 MHz (напомню, что у Pentium было 66 MHz). Еще одним нововведением стала подержка слота AGP. Для масштабируемых систем обеспечивается поддержка двух процессоров и до 64 Gb физической памяти.

Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU) поддерживает 32- и 64-разрядные форматы данных, а также 80-битный формат (конвейер был заимствован у Pentium Pro). Технология множественного предсказания ветвлений предсказывает направления в ветвлении программы, увеличивая эффективность загрузки процессора. В результате анализа зависимости инструкций друг от друга процессор разрабатывает оптимизированный график их выполнения. Добавлено 57 новых инструкций и четыре новых типа данных (естественно, осталась и поддержика технологии MMX^™ и прочие элементы оптимизации, присутствующие в предыдущих поколениях CPU). Имеется серверная версия CPU Pentium II Xeon, которая имеет до 2-х Mb кеша, а также поддерживается одновременное использование до восьми процессоров.

Pentium III

Пожалуй, самый легендарный со времен CPU 80486DX процессор. Кроме ставших стандартными технологии динамического исполнения команд, системной шины с множественными транзакциями, технологей Intel MMX для обработки данных мультимедиа, в процессоре Pentium III реализованы новые потоковые SIMD расширения (Streaming SIMD Extensions) - 70 новых команд SSE, обеспечивающих расширенные возможности обработки изображений, трехмерной графики, потокового видео и аудио и т. д. При одинаковых частотах (Pentium III работает на частотах от 450 до 1000 MHz) Pentium III значительно опережает своего предшественника в приложениях, откомпилированных под SSE. В связи с тем, что процессоры от Intel пользуются большой популярностью, под SSE оптимизируются практически все (если не сказать вообще все) современные приложения, особенно это касается игр. Кэш и внешняя частота остались таким же, как и у Pentium II. Процессор выпускается в похожем на упаковку Pentium II картридже SECC II и устанавливается в тот же Slot 1, но есть и варианты для Socket-370 в корпусе FC-PGA (Flip-Chip PGA). Существует также версия Pentium III Xeon для серверов.

Одним интересным новшеством стал серийный номер процессора, являющийся уникальным идентификатором каждого процессора Pentium III. Сделано это вроде бы из тех соображений, что "серийный номер процессора существенно повысит уровень безопасности в Internet". По сообщениям Intel, "владелец процессора Pentium III сможет использовать серийный номер процессора по своему усмотрению. Серийный номер процессора не может самостоятельно передаваться по Internet. В общем случае, пользователь должен явным образом разрешить web-сайту считать серийный номер процессора". Для того, чтобы получить серийный номер процессора, теоретически на пользовательском РС должна быть запущена специальная программа. Но практически, как мы знаем (или для кого-то это новость?) web-сервера, обычно при немалом содействии браузера, могут получать самую разнообразную информацию о пользователе и его компьютере, и нельзя гарантировать, что среди прочих данных не будет передан и идентификационный номер CPU. Например, при посещении сайта Microsoft поток от клиента к провайдеру превышае все допустимые пределы - интересно, чем они там занимаются?. Введение номера вызвало бурю протестов в сети (хотя раньше, например, серийными номерами стали оснащаться жесткие диски, но на это почему-то мало кто обратил внимание), поэтому, если не ошибаюсь, впоследстивии серийный номер был ликвидирован.

Затем был создан усовершенствованный Pentium III на ядре Coppermine. В основном усовершенствования коснулись шины памяти и кэша. Внешняя частота процессора составила теперь 133 MHz (тогда как раз начала набирать популярность 133-мегагерцевая SDRAM), а вот кэш-память второго уровня уменьшилась до 256 Kb, но зато стала в два раза быстрее - в новом Pentium III кэш работает на частоте ядра. Эта информация общеизвестна, но не все знают, что главное улучшение производительности кэша произошло благодаря революционной 256-разрядной шине кэш-процессор с усовершенствованной буферизацией - Advanced Transfer Cache Architecture. В связи с этим L2 cache стал интегрирваться в процессор, так как применявшийся до этого вынос кэша на процессорную плату в этом случае повлек бы за собой увеличение количества выводов процессора на 196, а также некоторые другие не слишком приятные для фирмы издержки.

Из-за этих новшеств уменьшение объема кэш-памяти не только не понизило быстродействие CPU, но, наоборот, позволило на несколько процентов поднять производительность при сохранении и даже некотором уменьшении стоимости. А 133-мегагерцовая шина памяти стала еще одним шагом в эволюции аппаратных средств РС, и поэтому Pentium III на ядре Coppermine вскоре вытенил старый Pentium III (на ядре Katmai). Примечательно, что подавляющее большинство последних Pentium III делается под 370-контактный разъем Socket-370 (см. также материнские платы) - наверное, специалисты из Intel решили, что форм-фактор того типа, который традиционно использовался всеми процессорами начиная со времен появления первого РС, имеет все же больше преимуществ. На рубеже в 1 GHz линия процессоров Pentium III заканчивается, а с ним и предназначенность этого CPU для высокопроизводительных компьютеров.

Celeron

Аналогично процессорам 80386/486, Pentium II и III также имеют своих млажших братьев. Модельным рядом таких предназначенных для систем стоимостью до 1000 долларов процессоров стала линейка CPU класса Celeron. Первые Celeron'ы представляли собой полную копию Pentium II с тем лишь отличием, что у них внешняя частота равна 66 MHz, а объем кэша второго уровня понижен до 128 Kb. Надо отметить, что сначала в процессоре вообще не предусматривалась кэш-память, но из-за того, что производительность CPU падала от этого гораздо быстрее, чем его цена, Intel вскоре все-таки решила оснастить Celeron'ы небольшим 128-килобайтным кэшем (тогда в название добавляется суффикс А, например Celeron 300A, но так как CPU Celeron без кэша было выпущено немного, то, как правило, эту букву опускают). Но, в отличие от Pentium II, у которого множитель частоты кэш-памяти равнялся 1/2, у Celeron'ов он работает на полной скорости процессора, и эта добрая традиция сохранилась и в дальнейшем. CPU Celeron можно встретить в версии для Slot 1 (правда, без картриджа, только плата), но чаще встречается Socket'овый (Socket-370) вариант.

Второй вариант Celeron'а аналогичен первому, только отличия от Pentium'а параллельно сдвинулись вверх. То есть теперь основой служит Pentium III на ядре Coppermine, а не Pentum II, а частота шины стала равной 100 MHz. А что касается кэш-памяти, то тут ничего не изменилось, так как менять здесь вроде бы особо и нечего. В отличие от Celeron первого поколения, новые процессоры Celeron встречаються только под Socket-370. Надо отдать должное маргетинговым отделам фирмы Intel: улучшенный Celeron появился только тогда, когда Pentium III на ядре Coppermine окончательно вытеснил Pentium III первого поколения, так как иначе бы продукт для рынка компьютеров начального уровня начал бы конкурировать с дорогим Pentium III, так как, кроме уменьшенного кэша, в этом случае у Celeron'а ничего плохого бы и не было, а если учесть двухкратное различие в скорости этого самого кэша, то получается, что Celeron практически ничем не уступал бы этому самому Pentium'у, в то время как цена у них сильно отличается. Но с утверждением Pentium III Coppermine все получилось как надо, и модернизация CPU класса Celeron стала верным шагом в рыночной политике фирмы - вроде бы Celeron не так уж плох, но все равно хуже старшей модели, и последнюю можно спокойно продавать дороже.

Несмотря на свою некоторую ущербность, CPU Celeron показывают весьма неплохую производительность - не на очень много ниже, чем Pentium. Особенно это касается Celeron'ов и Pentium'овпервого поколения, когда Celer'оны имели превосходство в скорости кэша. В следствие того, что CPU Celeron делаются на базе более быстрых процессоров Pentium, они очень хорошо гонятся, что несомненно является плюсом для любителей всевозможных разгонов. Учитывая куда более низкие по сравнению с Pentium цены на эти процессоры (было даже время, когда Intel в целях влияния на рынок продавала свои Celeron'ы чуть ли не по себистоимости), Celeron с объективной точки зрения выглядит отнюдь не ущербным процессором, наоборот - он может стать наилучшим выбором, если требуется получить максимальную отдачу, заплатив как можно меньше денег. Однако с момента выхода Duron от AMD (см. ниже) позиции Celeron, а вместе с ним и Intel в области производства продуктов начального уровня сильно пошатнулись.

Pentium IV

Начало 2000-го года оказалось, мягко говоря, не очень удачным для Intel. Фирма AMD уже выпустила процессоры Athlon с частотами более гигагерца, тем самым опередив фирму во взятии этого заветного рубежа, а старенький Pentium III еле-еле смог дотянуть до него, но дальше дело, как говорится, не пошло. Естественно, опасаясь потерять мировое лидерство, в Intel балду тоже не пинали, но работали над новым флагманом, призванным нанести ответный удар по AMD - CPU класса Pentium IV. Его выход анонсировался Intel еще задолго до появления как такового, но по каким-то не слишком афишируемым причинам постоянно переносился. Наконец, Intel как следует напряглась, и 20 ноября, если мне не изменяет память, Pentium IV, или Willamette, был представлен широкой публике, и в начале 2001-го начались крупные поставки микропроцессоров партнерам по продаже, в том числе и в Россию.

Как выразилась сама Intel, в новом процессоре учитывается весь опыт фирмы в конструировании микропроцессоров за все время их производства. Конвейер выполнения инструкций состоит из 20 ступеней. Естественно, при таком длинном конвейере для хорошей производительности необходима высокая эффективность предсказания вычислений. Intel заявляет, что в Pentium IV значительно повыслась точность процесса предсказания переходов за счет "комбинации всех доступных на сегодня схем предсказаний". По некоторым сведениям, эффективность этого алгоритма в Pentium IV достигла 95%. Еще одна новинка - кэш с упорядочиванием инструкций. Его задачей является хранение инструкций в том порядке, в каком они исполняются. Другая новая технология - Advanced Dynamic Execution. Так Intel называет улучшенную версию механизма суперскалярного внеочередного выполнения инструкций, когда процессор переставляет инструкции, нарушая их естественную последовательность, с целью более плотной загрузки исполнительных модулей. Этот метод работы CPU призван минимизировать задержки выполнения инструкций.

В Pentium IV блок целочисленных операций работает на удвоенной скорости относительно скорости процессора - то есть, в случае с полуторагигагерцовым чипом, скорость работы его целочисленного модуля составлит 3 GHz. Правда, это результирующая частота - на самом деле скорость остается неизменной, просто этот блок умеет выполнять вычисления не за полный такт, а за его половину. У Pentium IV два модуля для операции с целыми числами, поэтому, соответственно, процессор может выполнять до 4-х операции с целыми числами за один такт. Правда, с числами с плавающей точкой CPU работает в несколько раз медленней. Однако Intel обеспечила свой процессор новым SIMD-набором инструкций SSE2 (всего 144 новых инструкции), что, если программное обеспечние будет по-прежнему оптимизироваться под Intel'овские процессоры, даст очень существенную прибавку в скорости выполнения сложных математических расчетов.

А что касается кэша, то вот какую информацию мне удалось найти на сайте Intel: "Помимо кэш-памяти данных объемом 8 Kb, процессор Pentium IV имеет кэш-память первого уровня с отслеживанием выполнения команд, которая хранит до 12 000 декодированных микроопераций в порядке их выполнения. Это увеличивает производительность за счет исключения декодера из системы основных команд и делает более эффективным использование кэш-памяти, так как команды, имеющие ответвления, не отсылаются в память. В результате удается передать большой объем команд в исполнительные блоки процессора и уменьшить общее время, требуемое на возврат из тех ответвлений, которые были неправильно предсказаны." (это, впрочем уже упоминалось мной выше). "Кэш-память с улучшенной передачей данных (Advanced Transfer Cache - ATC) второго уровня имеет объем 256 Kb и обеспечивает более скоростной канал данных между кэш-памятью второго уровня и ядром процессора. Она состоит из интерфейса объемом 256 бит (32 байта), передающего данные на каждый такт частоты ядра процессора. В результате процессор Pentium IV с тактовой частотой 1.5 GHz может обеспечить скорость передачи данных 48 Gb/s. Напомним, что соответствующая скорость передачи данных для процессора Pentium® III с тактовой частотой 1 GHz равна 16 Gb/s." Как видите, данные не самые подробные, но так как процессор сравнительно новый, узнать еще что-нибудь достоверное из других источников не получилось.

Наконец, применена новая системная шина, работающая на частоте 100 MHz, но за счет того, что за такт передается четыре пакета данных, результирующая частота составила 400 MHz. Процессор рассчитан на применение оперативной памяти RDRAM. Тактовая частота ядра Pentium IV составляла на момент написания статьи 1300, 1400 или 1500 MHz. Процессор устанавливается в 423-контактный разъем Socket-423 - такие усовершенствования, естественно, не могли пройти даром, и со старым Socket-370 придется расстаться.

Сильным конкурентом Pentium IV служат последние процессоры от AMD, которые, обладая в целом не худшим быстродействием, выгодно отличаются по цене. Однако Intel, несомненно, будет прилагать все усилия для того, чтобы обогнать своего соперника в лице AMD. К тому же системы на базе Pentium IV сейчас показывают весьма хорошую производительность, и нельзя сказать, даже с учетом соотношения цена/качество, что платформы от AMD-VIA однозначно могут быть лучше Intel'овских систем. Так что тут выбор зависит не только от желания сэкономить определенно количество USD в кармане и личных симпатий.

Процессоры фирмы VIA

Фирма VIA не стремиться зарабатывать на производстве процессоров, так как ее приоритетная задача заключается в разработке чипсетов. Однако у VIA все же есть своя линейка процессоров, и она заслуживает нашего внимания. Процессоры носят общее название Cyrix и различаются рабочими частотами (в начале 2001 г. уже были процессоры с частотой больше 600 MHz). Процессор Cyrix имеет 64-килобайтные кэши команд и данных. Это может показаться много и очень прилично, но зато L2 кэш отсутствует полностью, и это не замедлит сказаться на производительности. Частота шины - 100 и 133 MHz. CPU устанавливаются в слот Socket-370, таким образом, их можно использовать с обычными материнскими платами под Pentium II/III. По производительности CPU Cyrix сильно уступают даже процессорам Celeron, работающим на более низких частотах. Зато и цена у них ниже чуть ли не в 2-3 раза, так что за такие деньги, по моему, мы получаем даже вполне неплохой результат. А еще у VIA есть дешевые чипсеты со встроенным звуком, графическим ядром и т. д. специально для этого процессора, так что приобретение Low-End системы на процессоре Cyrix позволит сэкономить лишних 50-100 USD, что в ряде случаев, согласитесь, вполне приличные деньги. А для обработки текстов и просмотра web-страниц мощности Cyrix'а должно хватить. Ведь не все же в Unreal Tournament играют. А невозможность нормально играть в этот самый Unreal на руку руководителям предприятий: стоит лишь поставить Cyrix, и работники гарантированно не смогут давить халяву (хотя, конечно, можно заменить UT чем-нибудь попроще, напрмер Q2, но все равно желающих играть сразу поубавится). Учитывая, что и в финансовом плане фирма не разорится, просто замечательно!

Процессоры фирмы AMD

Компания AMD, основанная в 1969 году в Саннивейле в Калифорнии, является одним из крупнейших производителей процессоров. До не столь давнего времени CPU AMD не пользовались особой популярностью, но в конце прошлого столетия AMD набрала вес, и теперь ее продукция представляет серьезную конкуренции CPU от Intel, во многом благодаря их более низкой стоимости. Мы не будем описывать все процессоры от AMD, а остановимся лишь на наиболее поздних разработках.

K6

CPU К6 (мы имеем ввиду второе и третье поколения этих процессоров - К6-II и K6-III) был выпущен AMD как альтернатива популярным в свое время Pentium и Pentium II. В процессоре K6 AMD впервые использовала свою фирменную технологию 3DNow!. По сути это еще один сопроцессор по типу MMX, но умеющий выполнять 21 новую инструкцию. Эти новые инструкции призваны, прежде всего, ускорить обработку данных, связанных с трехмерной графикой. Поэтому в набор инструкций 3DNow! включены команды, работающие с вещественночисленными аргументами одинарной точности. Как и ММХ, 3DNow! использует те же регистры, что и сопроцессор, - это связано с тем, что операционные системы должны сохранять и сбрасывать все регистры процессора при переключении задач.

CPU имеет встроенный 64 Kb L1 кеш (32 Kb для команд и 32 Kb двухпортового кеша с обратной записью для данных) и встроенный кеш второго уровня (L2) объемом 256 Kb. Поддерживается 100-мегагерцевая системная шина и порт AGP. Поставляется в 321-контактном керамическом корпусе (под Socket 7) и может работать на частотах до 550 MHz. Процессоры K6 уже давно не производятся.

Athlon K7

Основные свойства архитектуры процессора седьмого поколения AMD Athlon: оптимизированная для работы с высокой тактовой частотой, суперконвейерная суперскалярная микроархитектура, предназначенная для выполнения 9 инструкций за один такт. Включает в себя несколько параллельных декодеров x86-инструкций, три конвейера для выполнения вычислений с плавающей точкой, включая инструкции MMX^™ и 3DNow!^™; три конвейера для целочисленных вычислений; три конвейера для генерации адресов; использоваго усовершенствованное динамическое предсказание ветвлений. Расширена технология 3DNow! - к 21, уже применяемым инструкциям 3DNow!, добавлено 19 новых инструкций, улучшающих расчеты с целочисленными данными, и 5 новых DSP-инструкций (для программных модемов, ADSL, Dolby Digital и MP3-кодеков). Внушительных размеров системный кэш включает в себя кэш-память первого уровня объемом 128 Kb и работающий на половине частоты процессора кэш L2 в 512 Kb. Правда, так было в версиях процессора с частотой до 700 MHz, но в процессе штурма все новых десятков мегагерц появились процессоры с делителем 2/5, а в последствии и вовсе 1/3 (хотя такие процессоры AMD скоро заменила на усовершенствованные Athlon'ы, о которых немного ниже). Частота шины 100 MHz, но за счет того, что передача данных может вестись на обоих фронтах сигнала, встречается информация о 200 MHz шине. Благодаря этому становится возможным использование DDR SDRAM, ставку на которую, очевидно, AMD сделала уже тогда.

СPU Athlon K7 выпускаются с интерфесом Socket А для установки в используемый только процессорами фирмы AMD 462-контактный Socket'овый разъем. Правда, есть также версия и под Slot 1 (рисунок). По производительности Athlon K7 аналогичны Pentium III, работающим с такой же или чуть меньшей частотой. Но, в отличие от Pentium, CPU от AMD стоит заметно дешевле.

Duron

Процессор AMD Duron разработан как облегченная модификация получившего признание процессора AMD Athlon и предназначен для создания компьютерных решений низшей и средней ценовой категории. По занимаемому на рынке сегменту Duron аналогичен Intel'овскому CPU класса Celeron. Построенный на основе K7 Athlon, Duron имеет ту же двунаправленную 100-мегагерцовую системную шину, 128-килобайтный кэш первого уровня, поддержку того же набора инструкций. Удешевление достигнуто только за счет внешнего кэша, который стал равен 64 Kb. Замечательно то, что, как и у Celeron, кэш-память работает на частоте ядра, что обеспечивает минимальное падение производительности по сравнению с Athlon. Появление Duron очень сильно пошатнуло позиции Intel в производстве бюджетных процессоров: AMD'юшный Duron в производительности обгоняет Celeron и не так далек от Pentium III, и при этом еще стоит дешевлее - за разницу в цене между процессорами Celeron и Duron вполне можно, например, оснастить этот Duron качественным вентилятором. Выпускаются версии процессора с частотами от 600 MHz (в конце апреля 2001 г. максимум составлял 850 MHz). Все CPU Duron имеют форм-фактор Socket A (462)

Athlon

Как уже упоминалось, слабым местом в процессоре Athlon на ядре K7 был медленный L2 кэш. Каждый новый процессор приносил все меньший прирост производительности - колоссы на глиняных ногах с частотой в гигагерц несли на себе большой тормоз в виде полумегабайтового кэша, работающего на частоте всего 300-333 MHz. Кроме того, с появлением Pentium III с внешней частотой 133 MHz и активного использования оперативной памяти SDRAM, на ней работающей, 100-мегагерцовая шина существующего Athlon стала казаться архаизмом. В новой версии процессора Athlon на ядре Thunderbird перечисленные недостатки были устранеы. Так же как Intel в Pentium III второго поколения уменьшила в два раза кэш и во столько же повысила его скорость, так и в новом AMD Athlon кэш-память стала работать на полной частоте ядра, хотя ее объем и сократился до 256 Kb. И, продолжая сравнивать с Pentium III, мы также видим повышение внешней частоты процессора до 133 MHz (напомним, что результирующая частота больше в два раза, то есть 266 MHz). На момент публикации этого материала частота ядра CPU Athlon достигла 1.3 GHz. Для работающего на такой скорости процессора недостаточно пропускной способности SDRAM, поэтому AMD рекомендует использовать со своими процессорами память DDR SDRAM (см. здесь) и соответствующие чипсеты (как правило, AMD ориентируется на чипсеты от VIA, так как собственным производством предпочитает не заниматься). Сама AMD позизионирует свое решение как альтернативу Pentium IV + Rambus. Впрочем, пока рано говорить о том, появится ли DDR-память на платформе от Intel или нет, но то, что касается процессора, сомнений точно не вызывает. Когда иссякнет потенциал Athlon Thunderbird, должен появиться процессор следующего поколения на ядре K8.

Следут учесть тот немаловажный факт, что AMD-ым процессором сильно мешает их слабая поддержка со стороны программного обеспечения. Так как по понятным причинам использовать в своих изделиях Intel'овские инструкции SSE фирма не может, пришлось, как уже говорилось выше, развивать собственную технологию 3DNow!. Понятно, что выигрыш от ее использования будет заметен лишь в том случае, если только приложение будет специально скомпилировано под набор инструкций 3DNow!. Но исторически сложилось так, что большинство программ, часто ввиду того, что набор 3DNow! оказался более сложным для реализации его программистами, пишуться под SSE. Вот и получилось так, что серьезные программы, оптимизированные под процессоры AMD, можно пересчитать по пальцам, а это, естественно, ничего хорошего в случае использования этих процессоров не сулит. Но надо отдать должное, что игнорирование 3DNow! не сильно сказывается на производительности, а иногда отличие вообще практически незаметно. Наоборот, производительность Athlon и Duron в целом не хуже производительности аналогичных CPU от Intel, но главное, пожалуй, даже не в этом. А в том, что при своей шустрости кристаллы от AMD имеют существенно меньшую цену, и, следовательно, объективный показатель цена/производительность у них значительно лучше.

К чему я это? Да к тому, что стоит наконец признать, что Intel окончательно утратила мировую монополию на производство как недорогих CPU, так и микропроцессоров высшего класса. К тому, что если вы идете в магазин за компьютером и не задаетесь целью купить самую наворочанную систему (но я отнюдь не имею ввиду, что AMD'юшные процессоры на эту роль не годятся), то, быть может, стоит присмотреться к более "альтернативным" решениям? Конечно же, я не хочу сказать, что "вот это лучше, а это хуже", но... время, когда под корпусом системного блока обязательно должна была красоваться гордая надпись "Intel Inside", прошло. Как говорится в рекламе, если результат одинаков (или отличается незначительно - коммент. авт.), то зачем платить больше? Впрочем, это опять не то, поэтому скажу только: не стоит ограничивать свой выбор, когда есть из чего выбирать.

Ну а заключение сформулирую лишь так называемый закон Мура (Moore's Law), предложенный еще в 1965 г. Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel, на основе анализа развития компьютерных технологий: мощность CPU (емкость HDD, количество памяти, ...) удваивается каждые полтора года при сохранении стоимости.