Факты | Как работает процессор компьютера

Почему процессор не работает на полную мощность?

Производительность центрального процессора (ЦП) зависит от разных факторов. В первую очередь это касается скорости его работы и его разрядности. Собственно, так было с момента появления первого ЦП. Однако, развитие микроэлектроники за это время существенно продвинулось вперёд и теперь мощность процессора завит от гораздо большего количества различных факторов, явлений, обстоятельств и параметров.

Важно! Следует понимать, что в данном случае под «мощностью» понимается вовсе не электрическая мощность, потребляемая процессором из сети электропитания. Речь идёт о количестве работы выполняемой процессором, как исполнителем команд, за какое-то время. То есть, это его производительность или, как её ещё называют, вычислительна мощность.

Что же такое производительность процессора и на что она влияет в современных персональных компьютерах? Чем больше производительность ЦП, тем выше быстродействие всего ПК в целом. И, хотя в современном мире, ЦП уже давно перестал быть «бутылочным горлом», то есть, самым медленным элементом компьютерной системы, всё равно, именно вопросы его производительности выходят на первый план, когда речь заходит о быстродействии системы в целом.

В данной статье будут рассмотрены различные факторы, от которых зависит мощность ЦП, а также даны рекомендации о том, как заставить его работать на полную мощность.

Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии

Речь идет о модели Intel 4004. Мощным он не был и умел выполнять только действия сложения и вычитания. Одновременно он мог обрабатывать всего четыре бита информации (то есть был 4-битным). Но для своего времени его появление стало значительным событием. Ведь весь процессор поместился в одном чипе. До появления Intel 4004, компьютеры базировались на целом наборе чипов или дискретных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 лег в основу одного из первых портативных калькуляторов.

Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал представленный в 1974 году Intel 8080. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера помещалась в одном чипе. Но по-настоящему большое значение имел анонс процессора Intel 8088. Он появился в 1979 году и с 1981 года стал использоваться в первых массовых персональных компьютерах IBM PC.

Далее процессоры начали развиваться и обрастать мощью. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной индустрии, помнит, что на смену 8088 пришли 80286. Затем настал черед 80386, за которым следовали 80486. Потом были несколько поколений «Пентиумов»: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все это «интеловские» процессоры, основанные на базовой конструкции 8088. Они обладали обратной совместимостью. Это значит, что Pentium 4 мог обработать любой фрагмент кода для 8088, но делал это со скоростью, возросшей примерно в пять тысяч раз. С тех пор прошло не так много лет, но успели смениться еще несколько поколений микропроцессоров.

С 2004 года Intel начала предлагать многоядерные процессоры. Число используемых в них транзисторов возросло на миллионы. Но даже сейчас процессор подчиняется тем общим правилам, которые были созданы для ранних чипов. В таблице отражена история микропроцессоров Intel до 2004 года (включительно). Мы сделаем некоторые пояснения к тому, что означают отраженные в ней показатели:

• Name (Название). Модель процессора
• Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
• Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
• Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
• Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
• Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
• MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные микропроцессоры выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)

Существует непосредственная связь между тактовой частотой, а также количеством транзисторов и числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Например, тактовая частота процессора 8088 достигала 5 МГЦ, а производительность: всего 0,33 миллиона операций в секунду. То есть на выполнение одной инструкции требовалось порядка 15 тактов процессора. В 2004 году процессоры уже могли выполнять по две инструкции за один такт. Это улучшение было обеспечено увеличением количества процессоров в чипе.

Чип также называют интегральной микросхемой (или просто микросхемой). Чаще всего это маленькая и тонкая кремниевая пластинка, в которую «впечатаны» транзисторы. Чип, сторона которого достигает двух с половиной сантиметров, может содержать десятки миллионов транзисторов. Простейшие процессоры могут быть квадратиками со стороной всего в несколько миллиметров. И этого размера достаточно для нескольких тысяч транзисторов.

ШАГ 2

Для дальнейшей работы нам понадобиться LiveCD-флешка (с которой мы запустим Windows и будем проводить тесты). Это позволит нам сразу же отсечь потенциально-возможные проблемы в текущей установленной ОС (конфликты драйверов, системные ошибки и т.д.).

На текущий момент для нашей задачи я бы порекомендовал использование LiveCD от Сергея Стрельца. Ссылочка на образ приведена чуть ниже. ?

? В помощь!

LiveCD для аварийного восстановления Windows — моя подборка

Какие программы есть на LiveCD-флешке «Стрельца. «

Параметры и характеристики процессора

Что такое процессор выяснили, теперь предлагаем рассмотреть основные характеристики процессора:

• Количество ядер. Чем больше число входящих в состав процессора ядер, тем выше его производительность.

• Разрядность процессора — означает, какое максимальное количество оперативной памяти можно установить на компьютер.

• Технический процесс. Чем этот параметр меньше, тем лучше, поскольку иными словами – это занимаемая кристаллом площадь на процессоре, следовательно, чем размер кристаллов меньше, тем большее их количество уместится, что увеличит тактовую частоту.

• Кэш процессора также является немаловажным параметром. Чем показатели его выше, тем больше данных можно сохранить в особой памяти, ускоряющей работу процессора.

• Тактовая частота. Тактом условно называется одна операция. Единицей измерения тактовой частоты считается МГц и ГГц. Так, например один МГц означает, что процессору под силу выполнить один миллион команд в секунду.

• Socket. Данный параметр позволяет стандартизировать все процессоры по подключаемым к материнской плате разъемам.

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:

1. Большие кеши означают меньше времени на ожидание памяти.
2. Больше исполнительных единиц означает меньше времени на ожидание начала выполнения инструкции.
3. Лучшее предсказание ветвления означает меньше времени, затрачиваемого на умозрительное выполнение инструкций, которые на самом деле никогда не нужно выполнять.
4. Улучшения исполнительного модуля сокращают время ожидания выполнения инструкций.
5. Более короткие конвейеры (pipeline) означают, что конвейеры заполняются быстрее.

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.

Из-за ограниченного пространства, доступного на кристалле процессора, кэши имеют очень ограниченный размер. Чтобы максимально использовать эту ограниченную емкость, кеши хранят только самые последние или часто используемые данные (временная локальность). Поскольку доступы к памяти имеют тенденцию группироваться в определенных областях (пространственной локальности), блоки данных рядом с тем, к чему недавно осуществлялся доступ, также хранятся в кэше. См .: Местоположение ссылки

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.

Архитектура процессоров и кодовые имена

В основе каждого процессора лежит так называемая процессорная архитектура – набор качеств и свойств, присущий целому семейству микрочипов. Архитектура напрямую определяет внутреннюю конструкцию и организацию процессоров.

По сложившейся традиции, компании Intelи AMD дают своим различным процессорным архитектурам кодовые имена. Это более точно позволяет систематизировать современные процессорные решения. Например, процессоры одного семейства с одинаковой тактовой частотой и количеством ядер могут быть изготовлены с применением разного технологического процесса, а значит иметь разную архитектуру и производительность. Так же применение звучных имен в названиях архитектур дает возможность производителям более эффектно презентовать, нам пользователям, свои новые разработки.

Разработки Intel носят географические названия мест (гор, рек, городов и т.д.), находящихся недалеко от мест размещения ее производственных структур, ответственных за разработку соответствующей архитектуры. Например, первые процессоры Core 2 Duo были построены на архитектуре Conroe (Конрой), которая получила свое название в честь города, расположенного в американском штате Техас.

Компания AMD какой-либо четкой тенденции формирования имен для своих разработок не имеет. От поколения к поколению тематическая направленность может изменяться. Например, новые процессоры компании носят кодовые имена Liano и Trinity.

Энергосбережение процессора: RightMark CPU Clock Utility (RMClock)

Утилита имеет небольшой вес, порядка 250 килобайт. Не требуется какой-либо установки, просто распаковываете его в выбранную папку и запускаете файл RMClock.exe. Для простоты ссылка на архив с программой будет представлена в конце нашей статьи.

На момент написания статьи последняя версия программы 2.35 имеет следующий функционал в рамках бесплатного использования:
— контроль тактовой частоты процессоры,
— контроль троттлинга,
— контроль уровня загрузки процессора, ядер процессора,
— контроль рабочего напряжения процессора,
— контроль температуры процессора/ядер процессора,
— постоянный мониторинг указанных параметров,
— возможность изменения напряжения процессора из операционной системы,
— возможность изменения множителя процессора (его частоты) из операционной системы,
— автоматическое управление частотой и напряжением процессора в зависимости от подаваемой нагрузки на него. Концепция носит название «Perfomance on demand» или «производительность по требованию».

Запустив программный продукт, вы попадаете в один из разделов его меню. Мы перечислим весь функционал RightMark CPU Clock Utility по порядку. В разделе About представлена информация о разработчиках, их сайте, и ссылка на лицензионное соглашение. Базовая версия продукта поставляется бесплатно для некоммерческих целей, никакой регистрации не требуется. Имеется профессиональная версия, которая предоставляет гораздо более широкий функционал настроек работы системы и стоит символические 15 долларов. Для начинающего пользователя возможностей базовой версии вполне хватит.

В закладке «Settings» представлены настройки программы для удобства его использования. К сожалению, русского языкового пакета, который встречался в ранее выпущенных версиях продукта, в нашем случае не оказалось, но в этом нет ничего страшного. В данной закладке имеется возможность выбора цвета оформления и, прошу обратить внимание, — режим автозапуска.

За режим автозапуска отвечает подраздел «Startup options«. Автозапуск RightMark CPU Clock Utility при загрузке операционной системы позволяет максимально легко решить вопросы энергосбережения без вмешательства в BIOS компьютера, что особенно полезно, когда BIOS не предоставляет каких-либо возможностей по изменению рабочего напряжения и множителя процессора. Подобное встречается в BIOS’ах современных ноутбуков.

Поставив галочку в окне пункта «Start minimized to system tray» вы избавите себя от надобности постоянно закрывать окно программы при очередном запуске. Оно будет выполнять свои задачи после автоматического запуска с предварительным свертыванием.

Пункт «Run at Windows startup:» позволяет установить автоматический запуск программного продукта и выбрать, как это делать. В нашем случае мы осуществляем автоматический запуск через реестр, также имеется возможность автоматического запуска через папку «Автозагрузка». Оба варианта прекрасно работают, начиная от Windows XP заканчивая Windows 7.

Имеется возможность записи необходимых параметров работы процессора в Log-файл. Данный параметр бывает необходим для выяснения причин нестабильной работы системы.

В закладке «CPU info» представлена информация о процессоре, его характеристики на текущий момент. Перечислены поддерживаемые технологии энергосбережения. Чем более современный процессор, тем больше технологий он поддерживает.

В закладке «Monitoring» представлены диаграммы изменения рабочей частоты ядра процессора, его троттлинг, нагрузка на него, множитель, рабочее напряжение и температура. Количество вкладок соответствует количеству ядер процессора.

Во вкладке «Management» пользователю предоставляется возможность выбора метода переключения множителей, методов определения фактической нагрузки на процессор, интеграции программного продукта с энергосберегающими технологиями операционной системы.

Пункт «P-states transitions method» позволяет выбрать метод перехода от одной заданной комбинации множителя-напряжения на другой. Имеются следующие возможности выбора:
— Single-step: множитель переключается с шагом равной единице. То есть при переходе с множителя 10 на множитель 12 всегда будет промежуточное звено 11.
— Multi-step: переход будет осуществляться с переменным шагом. В случае нашего примера, с 10 сразу на 12.

Пункт «Multi-CPU load calculation» позволяет определить метод определения загрузки процессора. Данный параметр будет влиять на скорость переключения комбинации множитель-напряжение на процессоре. В каждом случае подбирается исходя из индивидуальных особенностей работы пользователя. Обычно данный параметр мы не меняем и оставляет на указанном на скрине значении, который означает, что оценка будет осуществляться по максимальной нагрузке любого из ядер процессора.

Пункт «Standby/hibernate action» позволяет выбрать действие программы при переходе в режим гибернации или сна. Как правило, оставление текущего профиля работы является вполне достаточным.

В разделе «CPU Default Settings» представлены следующие пункты:
— Restore CPU defaults on management turns off, который позволяет вернуть первоначальные параметры работы процессора после выбора режима «No Power Managemet».
— Restore CPU defaults on application exit, который позволяет вернуть первоначальные параметры работы процессора после выключения RightMark CPU Clock Utility.

В разделе «CPU defeaults selection» выбирается метод определения комбинаций множитель-напряжение у процессора:
— CPU-defined default P-state, комбинация определяются процессором,
— P-state found at startup, комбинации определяются при загрузке программы,
— Custom P-state, комбинации устанавливаются вручную.

Пункт «Enable OS power management integration» позволяет создать профиль в схемах энергопотребления системы под названием «RMClock Power Management».

В разделе «Profiles» пользователю предлагается задать те самые комбинации множитель-напряжение, — P-state. Во-первых, предлагается выбрать профили в зависимости от режима энергопотребления, — сеть или батарея/ИБП.

Ниже предлагается выбрать множители процессора и напряжение для них в каждом конкретном случае. Как правило, я выбираю три значения:
— минимальный множитель и минимальное напряжение для него,
— максимальный множитель и минимально рабочее напряжение для него,
— среднее значение множителя, а напряжение для него устанавливается самой программой исходя из максимальных и минимальных значений.

Как правило, подобный подход подходит для большинства ноутбуков и персональных компьютеров. Естественно, бывают исключения, и пользователю приходится длительно подбирать минимальное напряжение для каждого множителя.

Затем устанавливаете галочки для уже выбранных профилей в соответствующих разновидностях работы программы:
— No management — без управления, в настройках не нуждается
— вкладки «Power Saving», «Maximal performance», «Perfomance on Demand» по сути дела равнозначны и позволяют установить диапазоны изменения множителей-напрежения процессора.

Например, в нашем случае для вкладки «Power Saving» мы выбрали минимально возможный множитель и напряжением, для вкладки «Maximal performance» максимальный множитель и минимально рабочее напряжение при данной частоте у процессора.

В разделе производительность по требованию «Perfomance on Demand» выбрали три комбинации множитель-напряжение:
— x4-0,95 вольт
— x9-1,1 вольт
— x12-1,25 вольт.

Затем наводите на значок в области уведомлений рабочего стола программы RightMark CPU Clock Utility и выбираете необходимые параметры процессора, которые всегда должны вам показываться и выбираете текущий профиль работы. Я всегда ставлю для мониторинга частоту процессора и его температуру работы, что всегда удобно и отчасти интересно.

На рисунке представлены три пиктограммы в области уведомлений рабочего стола:
— пиктограммы программы RightMark CPU Clock Utility,
— текущая частота процессора,
— его текущая температура.

На скрине представлены диаграммы работы процессора в режиме «Производительность по требованию«. Видно, как программный продукт при увеличении нагрузки на процессор ступенчато увеличивает его множитель и напряжение вначале до x9-1,1 вольт и при необходимости до максимальных x12-1,25 вольт. Как только нагрузка падает, все ступенчато возвращается обратно.
Подобная регулировка практически никак не влияет на итоговую производительность системы.

Во вкладке «Battery info» предлагается выбрать способы оповещения о состоянии аккумуляторной батареи ноутбука.

Во вкладке «Advanced CPU settings» предлагается выбрать опрашиваемые температурные датчики процессора, включаемые технологии энергосбережения.
Все эти энергосберегающие технологии описаны на сайте Intel. Мы просто хотим сказать, что, как правило, их включение не влияет на стабильность системы, поэтому — почему бы их не включить?

Наш процессор относится к раннему семейству процессоров Core 2 Duo. Современные процессоры поддерживает не активные у нас технологии:
— Engage Intel Dynamic Acceleration (IDA)
— Enable Dynamic FSB Frequency Switching (DFFS)

Первая технология позволяет процессору повысить множитель одного из ядер при отсутствии нагрузки на второе. Например, работают два ядра процессора при частоте 2,2 Ггц. Процессор оценивает, что нагрузка подается только на одно ядро, то его множитель будет повышен, и он начнет работать на частоте 2,4 Ггц. Технология интересная, но опасная на разогнанных процессорах.

Вторая технология позволяет добиться еще более сильного снижения рабочей частоты процессора в режимах простоя. Ранее мы говорили о том, что итоговая частота процессора — это всегда произведение множителя на частоту системной шины. Современные процессоры Intel в рамках технологии DFFS позволяют снижать не только значение множителя, но и частоту шины, что позволяет достичь еще более низких частот. Данная технология также опасна для разогнанных процессоров, так как можно получить нестабильность со стороны оперативной памяти.

Пожалуй, это все что мы хотели рассказать о программном продукте RightMark CPU Clock Utility. Остается посоветовать следить за ее обновлениями. При этом не имеет смысл обновляться, когда у вас уже на протяжении многих месяцев все стабильно работает. Имеет смысл искать новую версию при смене процессора или переходе на более современную операционную систему.
Использование программы RightMark CPU Clock Utility позволит вам максимально продлить жизнь не только своего процессора, но и системы питания материнской платы, а также значительно снизить шум от системы охлаждения процессора, который не будет надрываться для его охлаждения, когда вы будете печатать, смотреть фильмы или просто листать страницы в Интернете.