Производительность процессоров сильно зависит от тактовой частоты ядра, рост которой не может продолжаться бесконечно. Поэтому дальнейшее повышение производительности осуществляется за счет совершенствования внутренней микроархитектуры и увеличения числа ядер
Евгений Рудометов
За время эволюции компьютеров многократно возросли и их функциональные возможности, и что самое главное — их производительность. Не в последнюю очередь это достигнуто благодаря совершенствованию центральных процессоров (далее — процессоров), чье быстродействие увеличилось в десятки тысяч раз.
Необходимо отметить, что с точки зрения пользователя, быстродействие процессора характеризуется временем выполнения определенного набора команд, последовательность которых образует компьютерную программу. Чем оно меньше, тем выше производительность.
Это можно выразить следующей формулой, в которой вместо времени используется более привычный параметр — частота:
где
P — производительность,
К — количество микрокоманд, выполняемых за один такт,
F — тактовая частота.
Из данной формулы следует, что процессоры одного семейства, имеющие более высокие тактовые частоты (и, конечно, одинаковое внутреннее устройство — микроархитектуру), обладают и большей производительностью. 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 увеличением их плотности размещения на полупроводниковом кристалле.
В результате работе миниатюрных полупроводниковых элементов мешают помехи и паразитные токи. Причем их негативное влияние увеличивается с ростом тактовых частот, вызывая повышенные энергопотребление и теплообразование. Все это наглядно проявилось в старших процессорах Intel Pentium 4, требовавших не только мощных источников питания, но и больших кулеров для их охлаждения.
Остается отметить, что указанные особенности ограничили развитие процессоров путем подъема тактовой частоты. В результате инженерная мысль переключилась на разработку многоядерных моделей, способных обеспечить дальнейший рост производительности без неудержимого увеличения тактовых частот (и без значительного теплообразования).
Действительно, для многоядерных моделей приведенная выше формула превращается в следующее выражение:
где
P — производительность,
N — количество ядер в процессоре,
К — количество микрокоманд, выполняемых за один такт,
F — тактовая частота.
Необходимо отметить, что идея многоядерности была успешно опробована в моделях Intel Pentium D. Реализация данной идеи (даже в процессорах данного поколения) обеспечила значительный рост производительности при умеренных значениях тактовых частот, энергопотребления и теплообразования. Однако используемая в их ядрах микроархитектура NetBurst (Intel NetBurst Microarchitecture) не позволяла в полной мере реализовать все преимущества многоядерности. Требовались новые ядерные платформы, способные максимально раскрыть достоинства данной идеи.
Для дальнейшего повышения производительности своих процессоров специалисты компании Intel предложили новую микроархитектуру, обеспечивающую эффективное снижение показателя Energy per Instruction (энергии, затраченной на выполнение одной инструкции). Данная микроархитектура получила наименование Intel Core (Intel Core Microarchitecture).
Подробности предложенного решения, реализованного инженерами Intel в соответствующих продуктах, рассмотрены в следующей части данной статьи.
>> Часть 2