Přehled procesorů

Slovníček pojmů

Ještě než se pustíme do samotných tabulek, bude dobré si vysvětlit několik pojmů.

Instrukční sady

Instrukční sada - Soubor instrukcí, kterým procesor rozumí a které byly vytvořeny s cílem provádět určité typy výpočtů. Pokud procesor instrukční sadu nezná, dojde při pokusu o vykonání instrukce k chybě.

Single Instruction Multiple Data (SIMD) - Jedna instrukce provádí výpočet na více datech současně. Vhodné především u multimediálních aplikací, kde je například možné zpracovávat několik částí audia současně. Oproti klasickému způsobu jedna instrukce jedny data (Single Instruction Single Data) je tento způsob významně rychlejší, byť ho nelze využít ve všech případech.

x86 - Základní celočíselná sada procesorů pro počítače PC. Všechny procesory zvládají tuto sadu.

x87 - Sada pro operaci s plovoucí desetinnou čárkou (Floating point - FP). Určená pro matematické koprocesory. Starší procesory 486SX či 386 vyžadovaly pro podporu x87 pořízení dalšího čipu (externího matematického koprocesoru). Všechny procesory počínaje Pentiem mají koprocesor integrovaný a sadu x87 podporují.

MMX (MultiMedia eXtensions)- První celočíselná SIMD sada. Dnes jí podporují prakticky všechny procesory a je často vyžadována různými programy.

Enhanced MMX - Rozšíření MMX zavedené společností Cyrix. Podporuje ho většina výrobců vyjma Intelu.

3DNow!, Enhanced 3DNow! - SIMD sada zavedená firmou AMD, která se ale nedočkala nijak velké podpory.

SSE (Streaming SIMD Extensions) - SIMD sada z procesoru Pentium III. V době uvedení byla považována za nedodělek (nezvládala mnoho operací, které se od ní očekávaly), takže podpora se soustředila spíše na některé vybrané programy z oblasti pracovních stanic.

SSE2 - Velké rozšíření SSE zavedené v procesorech Pentium 4. Dočkalo se pozitivního přijetí mezi programátory, a mnoho programů tak je schopno těžit z vyššího výkonu. Po MMX se jedná o druhou nejpoužívanější sadu, jejíž význam v budoucnu patrně ještě poroste.

SSE3 - Malé rozšíření o asi deseti instrukcích zavedené v procesoru Pentium 4 s jádrem Prescott. Dosud nenašlo valného významu.

AMD64 - 64bit rozšíření x86, původně vyvíjené pod označením x86-64. Vyjma podpory 64bit výpočtů umožňuje adresaci 64bit paměťového prostoru (byť zatím hardwarem omezenou na 40bit) a dále také rozšiřuje počet použitelných registrů reálně na trojnásobek - tím eliminuje slabé místo x86. V budoucnu se očekává velký význam.

Poznámka: Řada redaktorů zaměňuje pojmy AMD64 s Athlonem 64. Taková záměna je chybná.

EM64T - Intelem vytvořená kopie sady AMD64, byť s některými menšími rozdíly (místy není zcela dopilovaná). Důvod jiného názvu je založen na neochotě Intelu přijmout název AMD64, přestože prakticky všichni vývojáři (Microsoft, Linuxové distribuce...) dávno používají název AMD64 jednoduše proto, že zde byl o mnoho let dříve. Všechny nové programy jsou vyvíjeny tak, aby případné minoritní rozdíly mezi AMD64 a EM64T byly ošetřeny.

Parametry

Front Side Bus (FSB) - Sběrnice spojující jádro procesoru s paměťovým řadičem. Bývá extrémně vytížena datovou komunikací mezi procesorem a paměťmi. U některých procesorů (např. Athlon 64) je integrována přímo v čipu a běží na podstatně vyšších frekvencích, což přispívá k eliminaci úzkého místa.

Base frequency, source clock (základní frekvence) - Frekvence generovaná frekvenčním generátorem. Slouží jako základ pro získávání dalších frekvencí.

HyperTransport (HT) - Sériová sběrnice použitá u procesorů Athlon 64 a z něj odvozených modelů a dále také u některých čipových sad. Původně vyvíjená pod názvem Lightning Data Transport (LDT). U procesorů Athlon 64 se frekvence HyperTransportu získává násobení base frequency příslušným HT (LDT) násobičem - takže například 1000 MHz se získá jako 5x 200 MHz. Toto násobení provádí procesor podle příslušného nastavení.

HyperThreading (HTT) - Technologie, kdy se jedno jádro procesoru tváří jako dvě jádra. Díky tomu je možné, aby zpracovávalo dvě programová vlákna zároveň. To umožňuje zlepšit využití výpočetních částí jádra, což přináší vyšší výkon. Na druhou stranu výpočetní část je sdílená pro obě vlákna, takže v některých případech naopak může výkon poklesnout. Použití HyperThreadingu při provozování více aplikací současně dále znesnadňuje nedořešená prioritizace vláken - programy tak obchází prioritu procesů operačního systému, což vede pouze k tomu, že u důležitého programu může výkon se zapnutým HyperThreadinem poklesnout ve prospěch programu nedůležitého. Celkově HTT neznamená a nikdy neznamenal věc, kterou bychom mohli ohodnotit jako jasný přínos - v některých případech se hodí, v některých ne. V době dvoujádrových procesorů nelze o jeho výhodách příliš hovořit.

Dvoujádrový procesor (dual-core) - Procesor, který v sobě integruje dvě výpočetní části. Fakticky se tak chová a má obdobné vlastnosti a možnosti jako dvouprocesorový počítač. Pro dosažení optimálního výkonu vyžaduje dvoujádrový procesor spuštění více zátěžových programů současně či programu speciálně upraveného na tzv. multithreaded zpracování. Protože vývoj takových programů nutí programátory vynakládat další čas, stojí peníze navíc a ještě vnáší do kódu chyby, není v současnosti využití dvoujádrových procesorů nijak závratné. Dual-core je odpovědí výrobců procesorů na neschopnost dále zvyšovat frekvence.

Latence - Doba, která uplyne od vyvolání požadavku do jeho splnění (reakční doba). Udává se běžně v nanosekundách (ns) nebo v hodinových cyklech (např. 4T jsou čtyři cykly). Čím nižší hodnota, tím lépe.

Dual-channel (dvoukanál) - Uspořádání pamětí ve dvojici s paralelním přístupem. Zvyšuje propustnost pamětí na dvojnásobek či může významně zkracovat reálnou dobu vyhledávání (pokud umožňuje nezávislý přístup ke každému kanálu). Obvykle bývá řešeno dvojicí paměťových řadičů - tak tomu je u všech dvoukanálů DDR pamětí (namísto jednoho 64bit kanálu jsou dva 64bit kanály). Praktické využití vyžaduje odpovídající návrh procesoru, který musí načítat data z paměti tak, aby celé datové šířky využil. To například procesory Athlon 64 neumí, protože jsou konstruovány s cílem rychlého vyhledávání dat přímo v paměti a nikoli v cache (u Pentií 4 je tomu přesně naopak).

Thermal Design Power (TDP) - Údaj vystihující tepelný výkon procesoru. Čím vyšší tepelný výkon je, tím je vyšší spotřeba a tím účinnější (a často také hlučnější) chladič je zapotřebí. Jednotliví výrobci uvádí hodnoty TDP rozdílně. Společnost AMD udává TDP jakožto maximální dosažitelný tepelný výkon, přičemž Intel jako typický. Faktický rozdíl tedy spočívá v tom, že v případě procesorů AMD lze hodnoty TDP dosáhnout jen velmi obtížně a reálný výsledek může být o několik desítek procent lepší., Naopak u procesorů Intel je to hodnota, které bude při zátěži téměř s jistotou dosaženo. TDP hodnoty Intelu jsou voleny jako cílový chladící výkon, v případě jejich překročení při zpracování intenzivních zátěžových aplikací lze očekávat zásah ochranného mechanismus Thermal Monitor, tj. vynucené snížení výkonu.

Výrobní technologie

130nm, 90nm... - Tzv. "feature size", tj. velikost transistoru. Čím menší transistor, tím se dokáže rychleji přepínat - jinými slovy čím má procesor menší transistory, tím dokáže běžet na vyšších frekvencích. Menší transistory zároveň vystačí s menším napětím, takže mají menší spotřebu energie. U posledních generací (zejména u 90nm) se však ukazuje, že menší transistory začínají mít čím dál tím větší potíže s tzv. leakage current, což je stálá (statická) neovlivnitelná spotřeba. Proto výrobci začínají ve větší míře používat transistory více odolné proti leakage, které však zároveň nejsou tak rychlé. To pak znamená, že v mnoha případech může být procesor vyrobený starší technologií schopnější v dosahování vyšších frekvencí.

Bulk Silicon - Klasický křemík s extrémní čistotou určený pro výrobu polovodičů.

Strained Silicon (SS) - Klasický křemík obohacený o prvky germania, které se postará o vhodnější seskupování atomové struktury křemíku, což snižuje odpor. Strained Silicon umožňuje oproti bulk silicon dosahovat vyšších rychlostí přepínání transistorů, tj. i vyšších frekvencí při stejném napětí.

Silicon On Insulator (SOI) - Klasický křemík navařený na vrstvu oxidu, který slouží jako izolant. SOI umožňuje snížit spotřebu vznikající z tzv. leakage current a zároveň dosahovat vyšších frekvencí.

Strained Silicon Directly On Insulator (SSDOI) - Kombinace Strained Silicon a Silicon On Insulator. Doposud nejlepší výrobní technologie.

Vlastnosti redukující spotřebu

PState (Performance State) - Kombinace napětí a frekvence (přesněji násobiče). Každý z procesorů používajících nějakou tu šetřící technologii má definovány PState, které zvládne. Nižší napětí umožňuje výrazně redukovat spotřebu, nevýhodou však je, že při nižším napětí musí být frekvence nízká. Vhodným přepínáním mezi PStates je možné docílit v případě výpočetního nevytížení nízké spotřeby a zároveň v případě potřeby zvýšit frekvenci.

Stop Grant / Halt - Dva funkčně obdobné úsporné režimy, kdy procesor rapidním způsobem snižuje svojí vnitřní frekvenci (u procesorů Athlon XP / Athlon 64 až na jednotky MHz), ale bez redukce napětí. Redukuje pouze spotřebu při nevytížení, za to však významně. U nových procesorů, vlivem vyššího podílu leakage current, nemusí zaznamenat takových účinků. Uživatel obvykle nemá možnost zjistit zapnutí těchto režimů, protože čítač taktů používaný pro výpočet frekvence obvykle pracuje se stále stejnou frekvencí.

Enhanced Halt State (C1E) - Varianta režimu Halt s tím, že před přepnutím se nejprve procesor přepne na nižší PState. Díky nižšímu napětí je následný režim Halt mnohem efektivnější. Nevýhodou je, že přepínání PState zabere trochu času, takže výkon může mírně poklesnout.

Intel SpeedStep - První generace šetřící technologie použitá v procesorech Pentium III. Jedná se o softwarově ovládaný způsob přes I/O, což není příliš efektivní. Obsahuje pouze dva PState. Přechod mezi PState je pomalý, celkově se dnes jedná o zastaralý způsob.

Enhanced Intel SpeedStep - Jako Intel SpeedStep, pouze je možné volit PState bez ohledu na to, zda počítač pracuje na baterie či je napájen ze sítě.

Enhanced Intel SpeedStep s více PStates (EIST) - Nejnovější způsob použitý u procesorů Pentium M, Pentium 4 s jádrem Prescott a Pentium D. Ovládá se přes MSR registry, což je moderní. Obvykle mívá definováno více PState, např. šest (Pentia 4 a Pentia D jich mají méně - Intel však neudává kolik). Změna napětí je prováděna za plného chodu, což tuto verzi činí rychlou.

On Demand Clock Modulation (ODCM) - Systém vkládání prázdných hodinových cyklů (duty cycles) na vyžádání. Podporuje kombinace od 12.5% do 87.5%, přičemž některé starší procesory Pentium 4 obsahují chyby, kdy při volbě některých poměrů procesor zatuhne. Vložením prázdného cyklu dojde k eliminaci určeného poměru hodinových cyklů, což sníží výpočetní výkon. Režim ODCM se používal u některých notebooků s Pentiem 4, kde fakticky bránil procesoru fungovat na maximální výpočetní výkon - kdyby totiž takový výkon povolil, notebook uvolňované teplo nevydrží a rozteče se. Řada zákazníků tak získala notebook s Pentiem 4, které mělo zapnutý "omezovač" (z právního hlediska by se to jistě dalo nazvat podvodem).

PowerNow! verze 1.0 - Šetřící technologie procesorů AMD K6-2E+ a K6-IIIE+ s několika PState režimy. Má softwarové ovládání přes I/O, které je považováno za zastaralé. Přepínání mezi PState je pomalé.

PowerNow! verze 1.2 - Obdoba použitá u procesorů Mobile AMD Athlon 4, Mobile Athlon XP-M a Mobile AMD Duron. Ovládá se softwarově přes MSR, což je moderní. Přepínání je rychlejší než u verze 1.0, na druhou stranu novější verze je lepší.

PowerNow! verze 1.4 - Zatím nejdokonalejší systém úspory energie. Použitý je u procesorů Athlon 64 a z něj odvozených. Ovládá se softwarově přes MSR. Změna napětí probíhá za plného chodu, násobiče jsou přizpůsobeny rapidní rychlosti změn. Koncepce změny násobiče vychází z předpokladu, že změna o hodnotu 1x vyvolá menší rozsynchronizování interního generátoru frekvence než změny o vyšší hodnoty. Díky tomu je Athlon 64 schopen přepínat PStates řádově rychleji než Mobile Athlon XP-M. Nevýhodou je, že některé násobiče v rozsahu 5x až 7x nejsou dostupné pro většinu procesorů.

Cool'n'Quiet - Označuje kombinaci PowerNow! verze 1.4 spolu s regulací otáček ventilátorů. Používá se pouze u stolních systémů (desktopů), kde je cílem nejen redukce spotřeby, ale také redukce hluku.

Bezpečnostní prvky

NX (No-eXecute), XD (eXecute Disable), EVP (Enhanced Virus Protection) - Různé názvy pro stejnou technologii, která je navíc stejně implementovaná. Umožňuje zakázat spouštění kódu z některých paměťových stránek (těch, které se označí za datové). Tímto se předchází spouštění kódu, u kterého to není cílené - např. některých typů virů.

Thermal Monitor (TM, TM1) - Systém chránící procesor před účinky přehřátí. V případě, kdy procesor dosáhne kritické teploty (obvykle kolem 75 stupňů Celsia), začne vkládat prázdné hodinové cykly v poměru 50:50 (tzv. duty cycles). Polovina výpočetního času je tak fakticky eliminována (frekvence je snížena na polovinu), což snižuje spotřebu, ale také výpočetní výkon.

Thermal Monitor 2 (TM2) - Novější verze systému ochrany proti přehřátí. Namísto prázdných hodinových cyklů se procesor přepne na nižší PState. Při stejné redukci spotřeby vykazuje tento způsob vyšší výpočetní výkon, na druhou stranu přepínání mezi PState trvá určitý čas, takže v některých případech může být Thermal Monitor 1 výhodnější.