2004 г.

Войнам мегагерцев пришел конец?

Стивен Джоб,
«Экспресс-Электроника» , # 6/2004

Когда-то, на заре становления микропроцессоров, инженерам удалось совершить настоящую революцию и сделать ее достижения доступными для всех. Более того, им удалось коренным образом изменить сознание людей – не без помощи маркетинга появилась новая величина, характеризующая производительность – тактовая частота. На ряд магических цифр после наименования модели мы заворожено смотрим в магазине, сопоставляя с ними скорость работы своего ПК. Но жизнь преподносит нам разные сюрпризы. Первый из них не самый приятный – законы физики никто не отменял и тактовая частота не может расти бесконечно. Второй заключался в следующем: тактовая частота – это не производительность, а скорее, нечто среднее между оправданием стоимости микропроцессора и желанием показать, что компания-производитель по-прежнему развивается. Впрочем, давайте обо всем по порядку.

Наверное, не стоит копаться на пыльных полках истории, пытаясь отыскать канувшие в Лету факты. Ведь история развития микропроцессоров отдалена от нас не веками, а примерно десятком лет, и, значит, известна многим. Да и, по всей видимости, читателю любопытно узнать о новинках, а вовсе не о фактах, перечисление которых в информационных лентах и без того наскучило. Разумеется, мы не преподносим истину в последней инстанции. Напротив – хотим привести ряд наиболее интересных событий, позволяющих не только четко понять и оценить текущее состояние рынка микропроцессоров, но и сделать выводы о путях его развития.

Время холодной войны

Нам долго твердили, что «конкуренция» – «плохое» слово из мира капитализма. Но сегодня мы понимаем, что конкуренция означает наличие хороших товаров и возможность выбора для потребителя. Если применить данный тезис к рынку микропроцессоров, вы без труда сможете назвать основных конкурентов. Это компания AMD (Advanced Micro Devices) и Intel (сокращение от Integrated Electronics) – здесь они перечислены в алфавитном порядке. Причем трудно сказать, партнеры эти компании или конкуренты. Ведь история обеих фирм начинается с работы инженеров одной компании – Fairchild Semiconductor, более того, одна (AMD) очень успешно жила, создавая клоны процессоров разработки другой (Intel). Ситуация может показаться странной, впрочем, объясняется она просто. Солидный пакет заказов в бюджетах обоих микропроцессорных гигантов (в большей степени — Intel) формировали государственные военные ведомства. И принцип «альтернативного поставщика», заложенный в политику размещения таких заказов, не позволял останавливаться на изделиях (пусть и уникальных по своим возможностям и характеристикам) одного поставщика. Разумеется, AMD и являлась тем самым альтернативным поставщиком микропроцессоров. Теперь дальше. С появлением легендарного пятого поколения процессоров – Pentium – ситуация изменилась коренным образом. Intel потребовала со всех компаний, желавших производить клоны его процессоров, солидные отчисления, которые в итоге не позволяли вести им конкурентную ценовую войну на рынке. Фактически с этого момента партнерство компаний сменяется конкуренцией. Затем произошло много событий – и судебные процессы между ними, возврат AMD фактически к чертежному листу для разработки собственного процессора, успехи и неудачи, создание 64-разрядных чипов и многое другое. Но с тех пор как появились различные торговые марки процессоров (например, Pentium и 5х86), их связывает одно – тактовая частота. Именно за первенство в ней компании начинают бороться, инвестируя миллиарды долларов в разработки и исследования. Возможно, тогда для этого были явные предпосылки, но тактовая частота — лишь вершина айсберга. За ней кроется множество технологических решений, и погубивших ее как показатель производительности.

Айсберг технологий. Верхняя часть

Вообще стоит сказать, что мы привыкли к возможностям, которые предоставляют нам персональные компьютеры и процессоры в купе с программным обеспечением. На этом фоне начинают «замыливаться» первые процессоры с частотами (представьте, такое было) в сотни герц! Вряд ли кто-то вспомнит о гигантском прорыве в технологиях изготовления микропроцессоров и миниатюризации элементов. Сегодняшний школьник, играющий в любимую игру, вряд ли задумается, что он обладает большей вычислительной мощью, чем правительство США при подготовке лунной программы.

Не ждите от нас начала в духе «прежде всего был кремний», хотя это и так. Если начинать писать обо всем подробно, получится целая книга. Наша цель — освежить в памяти именно те факты, которыми мы далее планируем оперировать.

Так вот, все микропроцессоры можно разделить (только не смейтесь) на два больших типа. Первый – скалярные, а второй — суперскалярные. Данная классификация возможна по принципам, заложенным в архитектуру процессора. В первом случае микропроцессор выполняет одну операцию за такт частоты, работая последовательно над обработкой команд. Во втором случае суперскалярный процессор представляет собой нечто большее, нежели последовательный (скалярный) процессор, разрешая выполнять несколько операций за один такт частоты. Собственно такое упрощение позволяет сделать первые выводы о том, что с какого-то момента рост тактовой частоты и производительность микропроцессора начинают идти разными дорогами - чем дальше, тем больше расходящимися в разные стороны. Наверное, можно представить: с некоторого момента одновременное использование в наименовании процессора его тактовой частоты может ни только не помочь, а напротив – навредить при выборе.

Если вы обратите внимание на первые микропроцессоры, тактовая частота которых измерялась еще единицами или даже сотнями герц, то вряд ли обнаружите там красивые торговые марки и сильный акцент на тактовую частоту. Наоборот, перед нами появляются какие-то нелепые наборы цифр, например, i8080 или Z80. В то время никто не имел никакого желания выносить тактовые частоты на первое место. Просто компьютер превратился в персональный и стал представлять собой скорее занимательную игрушку, чем сложный рабочий инструмент. И компании-разработчики были содружеством инженеров, только принимавших первые решения относительно принципов продажи нового класса устройств – персональных компьютеров. По мере развития и (как ни странно) взрывного роста популярности, к этому классу устройств было привлечено внимание все большего количества компаний, и в серию выходили первые «наколенные» разработки. Затем наступили годы развития, но с появлением первых 32-разрядных процессоров семейства x86 кроме поколения процессора в его название вносится тактовая частота. Трудно сказать, было ли это началом так называемой войны мегагерцев, однако со временем сложилась такая ситуация, что потребитель скорее обращал внимание на рост тактовой частоты, нежели на изменение поколений процессоров или технологий их производства.

В 1993 году Intel объявил первое массовое суперскалярное поколение процессоров — Pentium. Кстати, суперскалярные архитектуры не новы, но до селе они были характерны для мэйнфреймов, а не персональных компьютеров. Поэтому можно сказать, что начиная с этого момента решения, десятилетиями работающие на благо супервычислений, пришли к обычному пользователю. Первый Pentium содержал два параллельно работающих конвейера обработки, благодаря чему мог выполнять две инструкции за один такт (та самая суперскалярность), вторая особенность, на которой стоит заострить внимание, – наличие блока предсказания ветвлений, он стал как бы естественным следствием из появления второго конвейера. Следующий технологический шаг в развитии микропроцессоров — выделение специализированных блоков инструкций, позволявших быстрее обрабатывать определенные типы данных (в частности, мультимедийные) – первая реализация появилась с выходом Pentium MMX, в дальнейшем вышли следующие наборы инструкций – SSE, SSE2. Миниатюризация элементов позволила размещать кэш второго уровня прямо на ядре микропроцессора. Такая прибавка к логике процессора еще больше увеличила разрыв между тактовой частотой и производительностью. Впоследствии сменяющие друг друга поколения процессоров добавили третий конвейер, отдельные блоки предобработки инструкций, на процессоре появился кэш сначала второго уровня, а потом и третьего, росли тактовые частоты и пропускная способность шины передачи данных, менялись разрядность шин передачи данных и их тактовые частоты. Все эти решения позволяют сделать один простой вывод – тактовая частота становится неким измерением технологического уровня процессора, но отнюдь не его производительности. Более того, новые линейки микропроцессоров, например, Pentium 4, имеют несколько процессоров с одной тактовой частотой, хотя предназначены для абсолютно различных рынков: Intel Pentium 4-M 2,0 ГГц, Intel Pentium 4 Сeleron 2,0 ГГц, Intel Pentium 4 Xeon 2,0 ГГц. Естественно, такая ситуация начинает играть против производителей.

Объективно о субъективном

История с попыткой ухода от указания реальной тактовый частоты процессора в его наименовании, как ни странно, началась с поражения. Проигрывающая в то время соревнование по тактовой частоте компания AMD принимает простое и логичное решение о вводе и использовании в наименованиях не тактовой частоты, а рейтинга производительности. Трудно сказать, кто именно был автором идеи введения рейтингов – специалисты по маркетингу или кто-то еще, но в этом был свой смысл. Прежде всего, рейтинг показывал, что компания по-прежнему занимает место на рынке рядом с лидером. А тогда этому мешала именно реальная тактовая частота процессоров AMD Athlon. Таким образом, появляется новое поколение процессоров – Athlon XP. Разумеется, аббревиатура получила красивое значение Extra Performance, которое лишний раз подчеркивало дополнительную производительность, предоставляемую новой архитектурой. Для сравнения в таблице 1 приведены значения тактовых частот для различных процессоров линейки Athlon XP. С момента выхода первого процессора данной серии прошло фактически два года и вот, во время проведения выставки CeBIT ‘2004 как гром среди ясного неба пришло сообщение о новых принципах маркировки микропроцессоров Intel.

BMW производства Intel или processor number

Каждая компания руководствуется своими принципами при маркировке производимых изделий. Это можно по-разному комментировать, но не изменить. И так, если AMD в маркировке преследовала цель сделать акцента на экстрапроизводительность, то корпорация Intel пошла по иному пути – разграничение по сегментам. Необходимость введения нового принципа маркировки объясняется тем, что с появлением большого количества процессоров с одинаковыми тактовыми частотами и разными возможностями возникают затруднения при выборе продукта. Теперь каждому микропроцессору, производимому Intel, будет присвоен «processor number». Официальный перевод этого термина пока отсутствует, но мы позволим себе его перевести как «идентификатор». Новая маркировка, прежде всего, должна избавить потенциального покупателя от сложности в выборе. То есть дать возможность по условному идентификатору процессора оценить его оснащенность. В качестве таких идентификаторов будут использоваться трехзначные индексы, представляющие собой кодовое выражение суперпозиции характеристик процессора, в том числе тактовой частоты. На сегодняшний день планируется использование трех серий идентификаторов - 3хх, 5хх и 7хх (см. табл. 2). И подобно тому, как маркируются меньшими индексами более простые модели автомобилей, микропроцессоры так же выстраиваются по уровню решений: идентификатор «3xx» получат процессоры начального ценового диапазона – Celeron и Mobile Celeron, идентификатор серии «5хх» означает бизнес-класс – процессоры Pentium 4 и Mobile Pentium 4, а идентификаторы серии «7хх» — High-End-решения – Pentium 4 Extreme Edition и Intel Pentium M. При этом компания не планирует скрывать показатели тактовой частоты, объема кэш-памяти и иные технические характеристики процессора. Они по-прежнему будут указываться на боксовой части упаковки и на сайте компании. Но с другой стороны, неискушенный пользователь, придя в магазин, больше не будет часами расспрашивать (зачастую некомпетентного) продавца, а сразу поймет, к какому сектору решений ему обратиться.

Первыми процессорами с новой маркировкой станут мобильные Intel Pentium M на основе нового ядра Dothan. Для настольного сектора идентификаторы первыми получат Pentium 4 в новой корпусировке LGA 755 для нового разъема Socket T, который должен со временем вытеснить привычный Socket 478. Появление этих изделий планируется в июне текущего года. Идентификаторами начнут маркировать только новые микропроцессоры, производимые по 0,09-мк технологии, все старые модели будут продаваться под традиционными названиями. Изменение маркировки — часть новой маркетинговой программы, рассчитанной на индивидуального потребителя. По замыслу авторов, идентификаторы в сочетании с четким делением микропроцессоров на семейства упростят покупателям задачу выбора. Именно поэтому в настоящее время не планируется вводить аналогичную маркировку для серверных процессоров Xeon и Itanium.

В заключение хочется сказать, что за маркетологов можно только порадоваться. Еще не так давно у пользователей был некий период увлеченности развитием технологий, но сегодня абсолютному большинству из них не очень-то интересно, сколько кэша на его процессоре и какое количество ступеней насчитывает конвейер. Все же тот компьютер, который появился впервые более 20 лет назад и был назван персональным, начинает обретать более приятные черты. Уже исчезли грубые ломаные линии, разработчики думают, как использовать его именно дома — и вот уже микропроцессорные компании предлагают на выбор не тактовые частоты с шинами данных и объемами памяти, а просто серии. А можно мне компьютер 7-й серии?