Как выбрать процессор для ПК
Лишь несколько компонентов ПК могут сравниться с центральным процессором (ЦП) в плане важности. От выполнения рутинных задач до запуска требовательных приложений — именно процессор выполняет наибольшую часть работы на ПК. Поэтому ниже мы расскажем, как правильно выбрать центральный процессор для ПК.
Довольно-таки часто процесс выбора вводит в замешательство из-за обилия различных терминов. Ядра, потоки, частота и кеш – все эти показатели напрямую влияют на производительность процессора, но нужно обладать определенными знаниями, чтобы разобраться в них. Надеемся, что наш гайд поможет разобраться, какой процессор выбрать для игрового компьютера.
AMD против Intel
Если говорить о настольных ПК и ноутбуках, на рынке существуют два главных производителя процессоров: AMD и Intel. Стоит отметить, что еще несколько лет назад у Intel совсем не было конкуренции, однако теперь ситуация изменилась, и обе компании являются настоящими гигантами индустрии. Сейчас не так уж и важно, устройство какого бренда вы покупаете, при условии, что процессор полностью подходит под ваши потребности.
Да, есть случаи, при которых мы рекомендуем продукты одной компании по сравнению с другой, однако разница не столь существенна, как раньше, и есть другие, более важные факторы.
Прежде всего важно отметить, что если вы планируете собирать компьютер самостоятельно, то нужно покупать лишь совместимые с друг другом компоненты. Например, материнская плата Intel не будет работать с процессором AMD, и наоборот.
Да, вы можете поставить твердотельный накопитель от Intel в ПК с материнской платой от AMD, или видеокарту AMD в ПК от Intel, но если говорить о процессорах и материнских платах, нужно покупать лишь совместимые устройства.
Маркировка и поколения процессоров
Вы можете многое сказать о процессоре, если знаете к какому семейству и поколению он принадлежит. AMD и Intel имеют разные схемы именования (маркировки) своих процессоров, и очень важно уметь расшифровывать их. Новые процессоры обычно лучше, и дальше мы расскажем, как возможность различать ЦПУ позволит понять, что актуально, а что – нет.
На данный момент все новейшие процессоры AMD относятся к линейке Ryzen 5000. Что касается маркировки, то первое число указывает на поколение (1 – первое поколение, 2 – второе поколение и т.д., всего поколений четыре), а второе – на уровень процессора (3 – начальный уровень, 5 – средний уровень и т.д.) Например, 5600X и 5800X относятся к серии Ryzen 5000, но 5800X – более быстрый и мощный процессор в этом поколении.
К сожалению, сами цифры мало что значат. Тут, однако, можно легко запутаться, и вы наверняка подумаете, что Ryzen 5000 относится к пятому поколению, но нет: поколений у AMD всего четыре, из-за чего Ryzen 5000 относится именно к четвертому.
Сами по себе цифры не важны. Важно лишь знать, как они сравнимы между собой. Ryzen 5900X принадлежит к более новому поколению, чем 3900X, а 5800X и 5600X относятся к тому же поколению, но 5800X является быстрее и мощнее.
Схема маркировки от Intel аналогична: первое число используется для обозначения поколения, а второе – уровня процессора. Как и AMD, Intel делит свои процессоры на семейства (например, Core i7 и Core i9). Зная это, мы можем определить, что Intel 10900K является процессором 10-го поколения. Здесь применимо все то же правило: чем выше поколение и семейство, тем лучше.
Однако, если говорить о маркировке процессоров, здесь не все так уж и просто. Как и в случае с AMD, у Intel также иногда отходит от привычной схемы маркировки. Например, 10400 и 10600K – процессоры серии i5 10-го поколения, однако 10400 не такой мощный, как 10600K.
Intel также добавляет к большинству своих процессоров суффикс, который отмечает определенную функциональность (или ее отсутствие):
К счастью, знать абсолютно все суффиксы при покупке процессора не нужно. Важно лишь помнить, что F и K обозначают процессоры для ПК, HK и U – для ноутбуков.
Количество ядер и потоков
Схема маркировки – важный элемент, однако нужно также уметь разбираться в ядрах и потоках процессоров. Ядра – это что-то вроде отдельных процессоров, собранных вместе на одном чипе. Одно ядро способно выполнять одну задачу за раз, а это означает, что большее количество ядер повышает многозадачность процессора.
Современное программное обеспечение намного лучше использует преимущества одновременного использования большего количества ядер для выполнения одних и тех же задач, из-за чего большее количество ядер способно ускорить работу некоторых программ.
Потоки – это количество задач, которое процессор способен выполнять одновременно. Многие современные ЦП поддерживают одновременную многопоточность (в случае с Intel называется гиперпоточностью), что позволяет процессорам использовать свободные ядра для выполнения дополнительных задач.
Именно поэтому вы часто будете замечать ЦП с четырьмя ядрами и восемью потоками или шестью ядрами и 12 потоками. Эти дополнительные потоки не влияют на работу ПК также, как ядро, однако повышают производительность.
Некоторые программы могут использовать больше ядер и потоков, чем другие, из-за чего данные элементы – хороший показатель потенциальной производительности устройства. Однако наличие большего количества ядер, чем вам нужно, не ускоряет работу программного обеспечения сверх заданных пределов.
Помимо этого, заметить реальную разницу довольно-таки сложно. Например, восьмиядерный Ryzen 7 5800X работает так же хорошо, как и 16-ядерный Ryzen 9 5950X в большинстве игр, а стоит примерно вдвое дешевле!
Тем не менее, 12- и 16-ядерные процессоры AMD Ryzen 5900X и 5950X – лучшие многопоточные процессоры на рынке, и они являются ярким примером того, что количество ядер важно, если вы выполняете множество задач одновременно.
Частота и IPC
Тактовая частота – один из важнейших показателей производительности процессора. Он измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), и определяет количество циклов, выполняемых процессором за одну секунду.
Как правило, чем выше тактовая частота, тем лучше. Возьмем, к примеру, два процессора одного поколения с одинаковым количеством ядер. Если один из них имеет более высокую тактовую частоту, то он будет работать быстрее.
Учитывая, что более высокая тактовая частота означает, что отдельные ядра процессора работают быстрее, это может повысить производительность компьютера в определенных приложениях. Например, 10-ядерный процессор Intel i9-10900K во многих тестах сопоставим с 16-ядерным AMD Ryzen 9 5950X. Да, 5950X оснащен большим количеством ядер, однако ядра 10900K быстрее, из-за чего второй проявляет себя лучше в некоторых программах.
Процессоры также имеют разные показатели инструкций на такт (IPC). Это количество задач, которое ЦП может выполнять за каждый тактовый цикл, и он напрямую зависит от базовой архитектуры. Вновь берем 5950X и 10900K в качестве примеров: 5950X использует архитектуру AMD Zen 3, которая имеет более высокий рейтинг IPC, чем Intel 10-го поколения. Таким образом, когда ядра Intel 10-го поколения и AMD Zen 3 работают с одинаковой скоростью, AMD Zen 3 будет быстрее.
Да, всё это довольно-таки сложно и сбивает с толку, однако в очередной раз подчеркивает важность тестирования конкретных процессоров. Очень важно посмотреть, как именно два процессора проявляют себя в сравнении друг с другом!
Мы рекомендуем пользоваться одним универсальным правилом: процессор с более высокой тактовой частотой и новой архитектурой быстрее практически во всем, однако современный процессор с большим количеством ядер лучше подходит для выполнения высокопроизводительных задач.
Интегрированная графика
Многие процессоры также оснащены интегрированными графическими чипами, благодаря чему они способны работать независимо от дискретных видеокарт.
Большинство процессоров Intel оснащены встроенной графикой в той или иной форме (помимо моделей с маркировкой F, например 9900KF). Обычно видеокарты такого типа не являются мощными, однако интегрированный графический чип начального уровня, такой как UHD 620, может выдать от 30 до 60 FPS в старых соревновательных играх (например, CS: GO). При использовании такого процессора следует выставлять низкие настройки, чтобы избежать просадок частоты кадров.
Графические чипы Intel 11-го поколения (присутствующие в процессорах Ice Lake 10-го поколения) входят в конфигурации Iris Plus и действительно обеспечивают приемлемую игровую производительность.
В некоторых тестах графический процессор с 64 исполнительными устройствами, встроенный в Core i7-1065G7 на ноутбуке Dell XPS 13, выдавал более 43 кадров в секунду в игре Dota 2 при высоких настройках детализации в 1080p. Кроме того, чип также способен показывать хорошие результаты в Fortnite в разрешении 720p и 1080p. Это огромный шаг вперед по сравнению с тем, что было с интегрированными графическими процессорами Intel в последние годы.
Однако в случае с Intel Iris Xe 12-го поколения (впервые представленным на чипах Tiger Lake 11-го поколения) мы увидели еще более глобальное улучшение. При тестировании i7-1185G7 графический чип выдавал в среднем 45 кадров в секунду в Civilization VI и 51 кадров в секунду в Battlefield V при разрешении 1080p и средних настройках. Устройство, однако, не справилось с Fortnite, поскольку выдало лишь 34 кадра в секунду при разрешении 1080p и средних настройках.
Тем не менее, графика Intel Iris Xe остается наиболее привлекательным интегрированным графическим решением, доступным на сегодняшний день. Конечно, встроенным видеокартам еще очень далеко до дискретных, но это огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими поколениями графических чипов.
Что касается AMD, то компания обычно не оснащает процессоры для настольных ПК графическими чипами. Однако есть несколько APU (процессор с видеоускорителем), которые сопоставимы с графикой Intel 11-го поколения и предлагают разумную производительность в играх начального уровня и некоторых киберспортивных тайтлах.
Все мобильные процессоры AMD оснащены встроенной графикой Vega, и в некоторых конфигурациях они неплохо подходят для гейминга. Например, RX Vega 10 на ноутбуке с Ryzen 7 3700U выдает хорошую частоту кадров в Diablo 3 и Half-Life 2.
Как вы уже могли догадаться, важно читать отзывы и обзоры на отдельные процессоры, чтобы понять, как они проявляют себя на практике. Есть множество факторов, которые влияют на игровую производительность, но знайте, что большее количество графических ядер обычно приводит к более высокой производительности.
Мощность и охлаждение
Производительность – наиболее важный фактор при покупке не только процессора, но и любого другого компонента. В конце концов, нет никакого смысла в обновлении, если вы не сможете выполнять привычные задачи с новым чипом быстрее, чем со старым.
Если вы хотите иметь тихий, энергоэффективный или компактный ПК, то важными факторами являются мощность и температура.
К сожалению, ни AMD, ни Intel не предоставляют четкой информации по поводу потребляемой мощности и температуры своих процессоров, и вместо этого объединяет их в виде рейтинга требования по теплоотводу (TDP — thermal design power).
Данный показатель выражается в виде мощности и дает приблизительное представление о том, сколько энергии процессор потребует от блока питания и способен ли кулер поддерживать устройство в безопасных температурах.
Маломощные процессоры на ноутбуках потребляют от нескольких Вт до 45 Вт на самых мощных игровых машинах, в то время как процессоры для настольных ПК в некоторых случаях могут потреблять до 125 Вт (хотя обычно показатель колеблется от 65 до 95 Вт).
В некоторых случаях TDP является приблизительным ориентиром для определения качества микросхемы процессора. Более мощные процессоры получают более высокую категорию из-за способности выдавать дополнительную мощность. Тем не менее, это напрямую зависит от конкретной модели и не является гарантией лучшего качества ЦП. Это действительно важно только для разгона.
В очередной раз, прежде всего нужно прочитать обзоры отдельных процессоров, чтобы увидеть, сколько мощности и охлаждения они на самом деле требуют.
Как выбрать процессор
Конструктивно процессор представляет собой печатную плату, на которой размещен полупроводниковый кристалл, накрытый металлической теплораспределительной крышкой. На обратной стороне печатной платы предусмотрены контактные площадки, с помощью которых он соединяется с материнской платой.
У процессора есть ряд важных характеристик, которые нужно учесть: количество ядер и тактовая частота, архитектура и тепловыделение. Также ведущие производители распределяют компоненты, которые они выпускают, по сериям. Это упрощает выбор, так как разные серии, семейства и поколения позволяют решать разные задачи.
В этой статье мы предлагаем вам базовую информацию о том, как выбрать процессор. Если же вы не уверены в том, какой вариант оптимально подходит именно вам, обратитесь к специалисту интернет-магазина СИТИЛИНК. Он вам обязательно поможет.
Гибридные процессоры
Отдельно стоит упомянуть гибридные решения. В них центральный процессор объединен с графическим. Это позволяет уменьшить энергопотребление и снизить стоимость системы. На основе гибридных процессоров можно создавать компактные компьютеры, которым не нужно решать сложные задачи.
Некоторые процессоры со встроенным ядром обладают мощностью, которой достаточно для запуска нетребовательных игр. Однако для ресурсоемких игр или монтажа видео они не подойдут, вам понадобится дискретная видеокарта.
Основные производители процессоров
Фактически рынок процессоров для компьютеров сегодня поделен между двумя крупными производителями: Intel и AMD. Они предлагают решения для разных типов компьютеров. У каждого из этих производителей есть и бюджетные решения, и наиболее мощные флагманские процессоры, и модели среднего класса.
Например, компания Intel предлагает бюджетные линейки Celeron и Pentium. Процессоры Core — решения старшей категории, но и у них есть своя иерархия:
Core i3
Для игровых и мультимедийных компьютеров начального уровня.
Core i5
Для более мощных игровых систем.
Core i7 и Core i9
Для требовательных геймеров, а также для решения сложных профессиональных задач.
У AMD есть следующие основные линейки:
A-серия и Athlon
Для ПК начального уровня.
Ryzen Threadripper
Профессиональные решения, имеющие наиболее высокую мощность.
Ryzen
Для компьютеров, которыми будут пользоваться требовательные геймеры и разработчики цифрового контента.
Что такое сокет?
Разъем на материнской плате, в который устанавливается процессор, называется сокетом. Определенные типы CP совместимы только с определенными разновидностями сокетов. Не существует никаких адаптеров или переходников, поэтому решить проблему несовместимости никак не получится. Можно только приобрести новую материнскую плату с подходящим разъемом.
На рынке сегодня представлены материнские платы с сокетами разных типов. Наиболее востребованные:
Сокеты AMD
Сокеты AMDSocketAM3+ и SocketAM4
Предназначены для создания офисных и домашних компьютеров, а также геймерских систем небольшой и средней мощности.
TR4 и sTRX4
Платформы, оптимизированные под мощные флагманские процессоры с большим количеством ядер.
Cокеты Intel
Cокеты IntelLGA 1151
Универсальный вариант для процессоров разных типов и мощности (Celeron, Pentium Gold, Core i3, Core i5, Core i7), позволяющий создавать как офисные системы для нетребовательных пользователей, так и мощные домашние компьютеры для развлечений.
LGA 2066
Используется с высокопроизводительными процессорами Core i5, Core i7. Core i9 поддерживает решения с архитектурой Kaby Lake-X и Skylake-X.
Обратите внимание! Процессоры Coffee Lake несовместимы с системными платами с сокетом LGA 1151, выпускавшимися до середины 2017 года. Для работы этих ЦП необходима материнская плата с чипсетом 300-й серии и обновленной ревизией разъема LGA 1151. Несмотря на то, что новый сокет имеет такое же количество подпружиненных контактов и идентичные ключи, по заявлению разработчиков, он электрически несовместим с первой ревизией LGA 1151.
Новую версию сокета неофициально называют LGA 1151v2. Однако и у компании Intel, и у различных производителей материнских плат она выпускается под названием LGA 1151, как и предыдущий вариант. Это создает путаницу, поэтому при выборе, если у вас есть сомнения, лучше уточнять совместимость процессора и материнской платы у консультанта.
Выберите в каталоге
Количество ядер
В современном процессоре несколько ядер. В решениях для потребительских компьютеров их количество варьируется от 2 до 32. Многоядерный процессор делит нагрузку между несколькими «вычислительными центрами», поэтому производительность компьютера растет. Он решает несколько задач одновременно и не тормозит, не зависает, когда сталкивается с особенно сложной задачей.
Но это в теории. На практике все несколько сложнее. Многое зависит от тактовой частоты CPU, его архитектуры, а также от того, используете ли вы программное обеспечение, которое поддерживает многопоточность обработки данных. Поэтому в реальности двухъядерный процессор может продемонстрировать более высокие результаты, чем четырехъядерный.
При выборе ЦП можно ориентироваться на следующие принципы:
2 ядра
Для решения несложных задач дома и в офисе: можно работать с текстами, таблицами и презентациями, выходить в интернет, смотреть видео и слушать музыку, пользоваться базами данных.
4-6 ядер
Для решения ресурсоемких задач, в том числе для игр и для работы с графикой на профессиональном уровне.
8 и более ядер
Для создания наиболее мощных игровых компьютеров, а также для решения сложных рабочих задач, связанных с обработкой видео и звука.
Тактовая частота
Упрощенно, тактовая частота — это количество операций, которые процессор способен выполнить за секунду. Чем выше этот показатель, тем более производительным будет процессор. Однако производительность зависит и от ряда других параметров, в том числе от архитектуры и объема кэша первого, второго и третьего уровней. По этому параметру можно разделить все процессоры на несколько групп:
До 3 ГГц
Бюджетные процессоры, предназначенные для работы с офисными программами и решения прочих несложных задач.
От 3 до 4 ГГц
Универсальные решения для работы, игр и развлечений.
Более 4 ГГц
CPU, созданные для решения сложных задач и позволяющие запускать ресурсоемкие игры и профессиональные программы.
Сегодня в продаже представлены процессоры, производительность которых можно наращивать. Это модели с открытым или разблокированным множителем. Процесс увеличения производительности называют разгоном или оверклокингом. В зависимости от конкретного ЦП, его можно выполнить через BIOS или в приложении, использующемся для регулировки настроек компьютера. При этом необходимо иметь в виду, что разгон увеличивает не только производительность, но и энергопотребление, а это может привести к перегреву.
Кэш-память
Кэш (или сверхоперативная память) позволяет уменьшить среднее время доступа к компьютерной памяти и за счет этого увеличить быстродействие процессора. В современных CPU она, как правило, многоуровневая.
Чем выше уровень кэша, тем больше его объем, но при этом уменьшается скорость. То есть кэш-память L1 особенно быстро отзывается на запрос процессора, но по объему она уступает уровням L2 и L3.
Тепловыделение
Чем выше мощность процессора, тем больше тепла он выделяет во время работы. К тому же тепловыделение увеличивается, когда возрастает нагрузка, и перегрев может стать причиной снижения производительности.
Это значит, что CPU нуждается в эффективном охлаждении. Тепловыделение ЦП обычно считается равным его максимальному энергопотреблению, и этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Чем оно выше, тем более мощный кулер вам потребуется.
Выберите в каталоге
Классификация процессоров по назначению
Все разнообразие компьютеров можно разделить на две категории:
И рабочие, и игровые ПК также можно разделить по мощности. Есть компьютеры, которые подходят для решения несложных повседневных задач, например, набора текста, редактирования таблиц и поиска информации в интернете, а есть те, что предназначены для выполнения сложной работы, например, редактирования 3D-графики. Игровые компьютеры могут быть рассчитаны на нетребовательного геймера-новичка или на опытного киберспортсмена — при этом они будут различаться по характеристикам.
Соответственно, разным компьютерам требуются разные процессоры.
Для офисного или домашнего ПК подойдут двух- или четырехъядерные CPU из серий Intel Celeron, Intel Pentium и Intel Core i3 либо AMD Athlon и AMD Ryzen.
Если вы планируете комбинировать офисную работу с нечастым решением сравнительно сложных задач, стоит обратить внимание на следующие решения с количеством ядер от 4 до 8:
Компьютер, предназначенный для 3D-рендеринга, редактирования видео или обработки большого массива данных, можно собрать на базе процессоров из линеек Intel Core i9 и AMD TR4.
Для геймерского компьютера понадобится процессор с количеством ядер не менее четырех. Это должны быть модели из линеек Intel Core, AMD FX или AMD Ryzen. Чем старше линейка, тем мощнее будет компьютер, который вы можете создать, однако и стоимость ЦП при этом тоже будет расти.
От процессора во многом зависят и скорость работы ПК, и его производительность. Если компьютер будет медленно загружаться, зависать при запуске нескольких программ и тормозить при открытии новых приложений, то вряд ли пользование устройством будет доставлять удовольствие и маловероятно, чтобы вам удалось вовремя решить все рабочие задачи. Следовательно, выбору CPU нужно уделить как можно больше внимания, и экономить здесь стоит лишь в том случае, если вы планируете собрать ПК для несложной повседневной работы.
На сайте СИТИЛИНК с помощью онлайн-фильтра можно подобрать процессор по любым параметрам: по бренду и серии, сокету и количеству ядер, тактовой частоте и типу памяти. А если у вас остались вопросы, обратитесь к нашим онлайн-консультантам.
Почему новые поколения процессоров быстрее при одинаковой тактовой частоте?
Вам может быть любопытно, как новые поколения процессоров могут быть быстрее при тех же тактовых частотах, что и старые процессоры. Это просто изменения в физической архитектуре или что-то большее?
Почему, например, двухъядерный Core i5 с частотой 2,66 ГГц будет быстрее, чем Core 2 Duo с частотой 2,66 ГГц, который также является двухъядерным?
Это из-за новых инструкций, которые могут обрабатывать информацию за меньшее количество тактов? Какие ещё архитектурные изменения затронуты?
Почему процессоры нового поколения быстрее при той же тактовой частоте?
Обычно это не из-за новых инструкций. Это просто потому, что процессору требуется меньше циклов инструкций для выполнения тех же инструкций. Это может быть по большому количеству причин:
Разработка процессора для обеспечения высокой производительности — это гораздо больше, чем просто увеличение тактовой частоты. Существует множество других способов повышения производительности, которые возможны благодаря закону Мура и играют важную роль в разработке современных процессоров.
Тактовая частота не может расти бесконечно
На первый взгляд может показаться, что процессор просто выполняет поток инструкций одну за другой, при этом производительность увеличивается за счёт более высоких тактовых частот. Однако одного лишь увеличения тактовой частоты недостаточно. Потребляемая мощность и тепловая мощность увеличиваются с увеличением тактовой частоты.
При очень высоких тактовых частотах необходимо значительное увеличение напряжения ядра процессора. Поскольку TDP увеличивается пропорционально квадрату Vcore, мы в конечном итоге достигаем точки, когда чрезмерное энергопотребление, тепловая мощность и требования к охлаждению предотвращают дальнейшее увеличение тактовой частоты. Этот предел был достигнут в 2004 году, во времена Pentium 4 Prescott. Хотя недавние улучшения в энергоэффективности помогли, значительное увеличение тактовой частоты уже невозможно.
График заводских тактовых частот современных ПК для энтузиастов за многие годы.
В соответствии с законом Мура, наблюдением, которое гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые 18–24 месяца, главным образом в результате уплотнения кристалла, были реализованы различные методы, повышающие производительность. Эти методы совершенствовались и совершенствовались на протяжении многих лет, что позволяет выполнять больше инструкций за определённый период времени. Эти методы обсуждаются ниже.
На первый взгляд последовательные потоки инструкций часто можно распараллелить
Хотя программа может просто состоять из серии инструкций, выполняемых одна за другой, эти инструкции или их части очень часто могут выполняться одновременно. Это называется параллелизмом на уровне инструкций (ILP). Использование ILP жизненно важно для достижения высокой производительности, и современные процессоры используют для этого множество методов.
Конвейерная обработка разбивает инструкции на более мелкие части, которые могут выполняться параллельно
Каждую инструкцию можно разбить на последовательность шагов, каждый из которых выполняется отдельной частью процессора. Конвейерная обработка инструкций позволяет нескольким инструкциям проходить эти шаги одна за другой, не дожидаясь полного завершения каждой инструкции. Конвейерная обработка обеспечивает более высокие тактовые частоты: при выполнении одного шага каждой инструкции в каждом тактовом цикле для каждого цикла потребуется меньше времени, чем если бы целые инструкции должны были выполняться по одной за раз.
Классический конвейер RISC состоит из пяти этапов: выборка инструкций, декодирование инструкций, выполнение инструкций, доступ к памяти и обратная запись. Современные процессоры разбивают выполнение на множество этапов, создавая более глубокий конвейер с большим количеством этапов (и увеличивая достижимую тактовую частоту, поскольку каждый этап меньше и требует меньше времени для завершения), но эта модель должна обеспечить базовое понимание того, как работает конвейерная обработка.
Используются кэши для ускорения доступа к памяти
Современные процессоры могут выполнять инструкции и обрабатывать данные намного быстрее, чем к ним можно получить доступ в основной памяти. Когда процессору требуется доступ к ОЗУ, выполнение может приостанавливаться на длительные периоды времени, пока данные не станут доступными. Чтобы смягчить этот эффект, в процессор включены небольшие области высокоскоростной памяти, называемые кешами.
Кеши также организованы на нескольких уровнях разного размера для оптимизации производительности, поскольку кеши большего размера, как правило, медленнее, чем кеши меньшего размера. Например, процессор может иметь кэш уровня 1 (L1) размером всего 32 КБ, в то время как его кэш уровня 3 (L3) может иметь размер в несколько мегабайт. Размер кеша, а также ассоциативность кеша, которая влияет на то, как процессор управляет заменой данных в полном кэше, значительно влияют на прирост производительности, получаемый с помощью кеша.
Итак, как эти методы со временем улучшают производительность процессора?
С годами конвейеры стали длиннее, что сократило время, необходимое для завершения каждого этапа, и, следовательно, позволило повысить тактовую частоту. Однако, помимо прочего, более длинные конвейеры увеличивают штраф за неправильное предсказание ветвления, поэтому конвейер не может быть слишком длинным. Пытаясь достичь очень высоких тактовых частот, процессор Pentium 4 использовал очень длинные конвейеры, до 31 ступени в Prescott. Чтобы уменьшить дефицит производительности, процессор будет пытаться выполнять инструкции, даже если они могут дать сбой, и будет продолжать попытки, пока они не достигнут успеха. Это привело к очень высокому энергопотреблению и снижению производительности, получаемой от гиперпоточности. Новые процессоры больше не используют конвейеры такой длины, особенно после того, как масштабирование тактовой частоты достигло предела; Haswell использует конвейер, длина которого варьируется от 14 до 19 этапов, а архитектуры с низким энергопотреблением используют более короткие конвейеры (Intel Atom Silvermont имеет от 12 до 14 этапов).
Точность предсказания ветвлений улучшилась с более продвинутыми архитектурами, уменьшив частоту сбросов конвейера, вызванных неверным предсказанием, и позволив одновременно выполнять больше инструкций. Учитывая длину конвейеров в современных процессорах, это критически важно для поддержания высокой производительности.
С увеличением бюджета транзисторов в процессор могут быть встроены более крупные и более эффективные кэши, что сокращает задержки из-за доступа к памяти. Доступ к памяти может потребовать более 200 циклов для выполнения в современных системах, поэтому важно максимально снизить потребность в доступе к основной памяти.
Новые процессоры могут лучше использовать преимущества ILP за счёт более продвинутой суперскалярной логики выполнения и «более широких» конструкций, которые позволяют одновременно декодировать и выполнять больше инструкций. Архитектура Haswell может декодировать четыре инструкции и выполнять 8 микроопераций за такт. Увеличение бюджета транзисторов позволяет включать в ядро процессора больше функциональных блоков, таких как целочисленные ALU. Ключевые структуры данных, используемые при неупорядоченном и суперскалярном выполнении, такие как станция резервирования, буфер переупорядочения и регистровый файл, расширены в новых конструкциях, что позволяет процессору искать более широкое окно инструкций для использования их ILP. Это основная движущая сила повышения производительности современных процессоров.
Более сложные инструкции включены в новые процессоры, и всё большее число приложений используют эти инструкции для повышения производительности. Достижения в технологии компиляторов, включая улучшения в выборе инструкций и автоматической векторизации, позволяют более эффективно использовать эти инструкции.
В дополнение к вышесказанному, большая интеграция частей, ранее внешних по отношению к ЦП, таких как северный мост, контроллер памяти и линии PCIe, сокращает ввод-вывод и задержку памяти. Это увеличивает пропускную способность за счёт сокращения простоев, вызванных задержками доступа к данным с других устройств.
