Перспективы развития микропроцессоров

Потребляемая мощность и энергоэффективность.

Потребляемая мощность играет очень важную роль в комплексной оценке производительности современных процессоров. Этот показатель особенно актуален с учётом проводимого сравнительного анализа для определения лидера в модельных парах, составленных конкурирующими решениями. Для оценки мощности, потребляемой системой на протяжении определённого промежутка времени, использовался анализатор Extech 380803.25 Замеры производились в точке подключения системы к питающей сети. Таким образом, полученные результаты  отражают данные по энергопотреблению системы в целом, в том числе процессора, материнской платы, подсистемы памяти, графической подсистемы, жёстких дисков (питание монитора осуществлялось по отдельной линии).

Для большей наглядности результаты представлены на двух графиках (диаграммы 1 и 2).

На диаграмме 1(Приложение Ж) представлена потребляемая мощность процессора AMD.

На диаграмме 2 (Приложение И) представлена потребляемая мощность процессора Intel.

Cистемная конфигурация на базе Phenom II демонстрирует показатели на уровне Intel Core i7-920.

Таблица 5 (приложение К) содержит средневзвешенные результаты тестирования на пиковое потребление мощности, характеризующие работу системы при рендеринге 3D-сцены в течение 10 секунд в промежутке между 15-й и 25-й секундами.

В этом тесте лидерство Intel проявляется в ещё большей степени. Сравнение данных по Intel Core i5-661 и Athlon II Х4 635 показывает, что система на базе AMD Athlon II Х4 635 потребляет на 28 Вт больше. Сравнение полученных результатов говорит о большом прогрессе, достигнутом в области эффективного расходования электроэнергии. Так, система на базе самого раннего решения от Intel в составе тестового набора потребляет в 7,5 раз больше энергии по сравнению с системой на основе самого передового в этом смысле CPU Intel Core i7-920.

Очевидно, что переход от одного вычислительного ядра к четырём сопровождался существенным повышением уровня энергетической эффективности, хотя стремительный прогресс в этой области обусловлен также и рядом других усовершенствований. 

Разгон.

Был проведён комплекс мер по определению максимально возможного значения тактовой частоты процессора, при котором будет возможна  стабильная работа системы. Процедура разгона включала в себя изменение базовой частоты, повышение напряжения питания процессора и уменьшение множителя частоты памяти с соответствующим температурным мониторингом. При каждом новом повышении тактовой частоты запускался тест стабильности Prime95.

Следуя стандартной процедуре, частоту Intel Core i5-661 удалось поднять до невероятных 4,5 ГГц при 1,4 В, что означает 50% повышение по сравнению со штатным значением 3,3 ГГц. В ходе манипуляций с базовой частотой (133 МГц) и множителем памяти было подобрано максимальное значение тактовой частоты процессора, при котором система функционировала стабильно. При достижении уровня 4,15 ГГц стало заметно, что CPU сильно греется, а стандартный кулер от Intel не успевает отводить тепло. В тесте на предельную нагрузку 661-я модель работала без сбоев, но нагревалась до 74° C. Перегрев был вызван тем, что в BIOS Setup материнской платы ASUS значение напряжения питания процессора было установлено в положении AUTO. Таким образом, к тому моменту, когда частота CPU достигла максимального уровня, напряжение питания ядра автоматически поднялось до 1,4 В против штатных 1,16 В (надо отдать должное интеллектуальным способностям утилиты). Что касается штатного кулера Intel, то подобного рода разгон предполагает обязательное применение более производительной модели.

Результат представлен на рисунке 7.(Приложение Л). Воодушевляющие    результаты для Core i5-661 позволили предположить, что в случае с Core i3-530 удастся достичь того же уровня. Разгон Intel Core i3-530 позволил добиться его стабильной работы при значении базовой частоты 200 МГц и соответствующей тактовой частоте процессора 4,4 ГГц. Таким образом, и в этом случае удалось достичь почти 50% прироста производительности С повышением тактовой частоты до 4,4 ГГц BIOS автоматически поднял напряжение питания до 1,4 В. Для того, чтобы оценить, насколько точно и корректно утилита способна регулировать напряжение питания, был проведён эксперимент по определению минимального значения напряжения питания CPU, при котором система сможет функционировать стабильно. Вручную выставив значение 1,237 В (для 4,4 ГГц), была произведена перезагрузка системы, но её работа оказалась нестабильной. Методом подбора было найдено искомое значение – 1,387 В.

Полученный результат говорит о том, что при работе с процессорами Clarkdale утилита BIOS прекрасно справилась со своими обязанностями, продемонстрировав способности грамотно управлять напряжением питания процессора.

Результат представлен на рисунке 8. (Приложение М)

AMD Athlon II X4 635 разгонялся менее охотно. Тем не менее, его частоту удалось поднять со стандартных 2,9 ГГц (1,4 В) до 3,48 ГГц (1,45 В). При этом использовался мощный. Результат представлен на рисунке 9.(Приложение Н)

В таблице 10 (приложение П), в разогнанном состоянии (с использованием Dirt) процессоры Clarkdale просто «летают», демонстрируя производительность на уровне самых быстрых CPU.

Говоря о разгоне, нельзя обойти вниманием такой немаловажный момент, как сопутствующее ему повышенное энергопотребление. Полученные результаты говорят о том, что современные CPU обладают высоким потенциалом для разгона (хотя при этом он ограничивается максимальным уровнем напряжения и тепловыделения, т.е. процессор может в буквальном смысле сгореть). Как бы то ни было, разгон можно считать вполне оправданным, даже несмотря на неизбежное повышение расхода электроэнергии. Если посмотреть на результаты теста, можно заметить, что система на базе разогнанного Intel Core i3-530 потребляет энергии меньше, чем тестовая конфигурация с неразогнанным Intel Core i7-920. Таким образом, энергопотребление дорогих высокопроизводительных процессоров Intel или AMD и их более доступных собратьев в состоянии разгона находится в пределах одного диапазона. В самой процедуре разгона нет ничего сложного, разве что кулер нужно будет заменить на более мощный.

Оптимальный вариант.

Теперь можно дать оценку каждой из тестируемых моделей процессоров с точки зрения комплексного анализа её потребительских свойств. К этой чрезвычайно важной задаче следует отнестись со всей ответственностью, поскольку существует опасность допустить ошибку при расчётах, некорректно сформулировать мысль или исказить эмоциональную составляющую оценки.

Прежде всего, данные для каждого CPU по каждому бенчмарку были собраны воедино и переведены в процентную систему счисления, где в качестве базового уровня (100%) был взят классический Intel Pentium 4 670. В ситуациях, когда один тест включает в себя несколько модулей/сценариев, рассчитывалось средневзвешенное значение с учётом результатов по каждому из них. Таким образом соблюдался принцип равенства всех бенчмарков и результатов, полученных в каждом из них.

Индекс общей производительности получен методом простого учёта всех данных по всем тестам и не предполагает подробного анализа в аспекте приоритетности или других подобных «изысков». Вместе с тем тестовый пакет формировался с прицелом на максимально полный охват, поэтому итоговый рейтинг производительности позволяет получить достаточно полное представление о тестируемых CPU.26 Следующий этап анализа включает в себя сбор данных о стоимости CPU, содержащихся в официальных прайс-листах Intel и AMD (цены определялись по данным официальных сайтов). Стоимости указаны на момент их появления в розничной продаже. Если взять общую производительность по каждому CPU и поделить на цену, то полученные результаты будут выглядеть так,   как показано в приложении П (таблица 11). Эти результаты позволяют получить достаточно полное представление об оценке каждого из процессоров с точки зрения производительности на доллар цены – и здесь CPU из семейства Athlon II выглядят лучше других. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема оптимального соотношения цены и качества, поэтому был подготовлен график, отражающий именно этот аспект: соотношение «цена/производительность. Этот график удобен тем, что позволяет найти наиболее производительное решение в определённом ценовом диапазоне. За основу взят Pentium 4-670, как 100% производительности (Приложение Р, график 1).

Заключение

Итак, вследствие проведенного исследования необходимо отметить, что, ученые и инженеры успешно преодолевают барьеры на пути повышения производительности элементов и систем. Они предлагают различные пути решения встающих перед компьютерной отраслью проблем. Это и улучшение полупроводниковых техпроцессов, и совершенствование архитектуры высокочастотных микросхем, и внедрение перспективных технологий, и даже поиск путей модификации конструкций системных блоков.

За счёт того, что современные процессоры очень быстры, переключение между задачами обычно остаётся незаметным на взгляд пользователя. Однако существуют и приложения, прервать которые для передачи процессорного времени другим задачам в очереди достаточно сложно. В этом случае операционная система начинает подтормаживать, что нередко вызывает раздражение у человека, сидящего за компьютером. Также, нередко можно наблюдать и ситуацию, когда приложение, забрав ресурсы процессора, «зависает», и такое приложение бывает очень тяжело снять с выполнения, поскольку оно не отдаёт процессорные ресурсы даже планировщику операционной системы.

Подобные проблемы возникают в системах, оснащённых многоядерными процессорами, на порядок реже. Дело в том, процессоры с несколькими ядрами способны выполнять одновременно несколько вычислительных потоков, соответственно, для функционирования планировщика появляется больше свободных ресурсов, которые можно разделять между работающими приложениями. Фактически, для того, чтобы работа в системе с многоядерным процессором стала некомфортной, необходимо одновременное пересечение процессов, пытающихся захватить в безраздельное пользование все ресурсы CPU.

Исходя из проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

- ученые и инженеры  успешно преодолевают барьеры  на пути повышения производительности  элементов и систем;

- достигнутая степень  интеграции позволяет строить  параллельные системы, в которых  число процессоров может достигать  десятков тысяч;

- ввиду того, что технология  виртуальной многопоточности, Hyper-Threading присутствует в процессорах Intel уже очень продолжительно время, разработчики программного обеспечения к настоящему времени предлагают достаточно большое число программ, способных получить выигрыш от многоядерной архитектуры CPU;

- основная цель будущей  нанотехнологии, по всей вероятности, - создание структур, способных к эволюции и саморазвитию;

- идея объединения нескольких  ядер в одном процессоре продемонстрировала  свою состоятельность на практике;

- среди приложений, скорость  работы которых на многоядерных  процессорах будет увеличена, следует  отметить утилиты для кодирования  видео и аудио, системы 3D моделирования и рендеринга, программы для редактирования фото и видео, а также профессиональные графические приложения класса САПР;

- существует большое количество  программного обеспечения, которое  многопоточность не использует или использует её крайне ограниченно. Среди ярких представителей таких программ – офисные приложения, веб-браузеры, почтовые клиенты, медиа-проигрыватели, а также игры. Однако даже при работе в таких приложениях многоядерная архитектура CPU способна оказать положительное влияние. Например, в тех случаях, когда несколько приложений выполняются одновременно. Будущее за нанотехнологиями, оперирующими величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход: скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Мир таких бесконечно малых величин намного меньше, чем мир сегодняшних микрокристаллов и микротранзисторов.

Наиболее значимые практические результаты достигнуты в области молекулярной электроники. Она логически близка к традиционной полупроводниковой электронике. Методами молекулярной электроники из углеводородных соединений удается получить аналоги диодов и транзисторов, а следовательно, и основные булевы модули И, ИЛИ и НЕ, из которых затем можно строить схемы любой сложности. Подобный подход позволяет сохранить преемственность архитектурных решений.

Глоссарий