Почему невозможно бесконечно увеличивать скорость элементов компьютера
Обновлено: 07.07.2024
Я занимаюсь ремонтом компьютеров уже несколько лет и проблема, с которой чаще всего обращаются клиенты, это медленная работа компьютера или ноутбука.
Некоторые люди даже хотят покупать новый ноутбук или переплачивать за переустановку системы и сохранение данных, потому что очень медленная работа гаджета просто бесит и не дает нормально работать.
В этой статье расскажу несколько рабочих советов, которыми сам пользуюсь, чтобы ускорить работу медленного компьютера или ноутбука.
- Когда покупаете новый ноутбук, то сразу удаляйте все лишние программы, которые вместе с операционной системой установил производитель. Эти программы не делают ничего полезного и потребляют много системных ресурсов, замедляя работу ноутбука. Все функции этих программ можно сделать с помощью инструментов, встроенных в Windows. Много раз замечал, что только удалив эти программы, ноутбук начинал работать намного быстрее.
- Нужно настроить максимальную производительность процессора. По умолчанию Windows ограничивает потребление энергии, уменьшая мощность процессора. Поэтому нужно зайти в настройки электропитания и выбрать там Высокая производительность.
- Также очень рекомендую программу Auslogics BoostSpeed 11 . Она бесплатная и среди подобного софта обладает наибольшим набором функций. С помощью нее можно удалить ненужные системные файлы, настроить систему для наибольшего быстродействия, почистить реестр, провести дефрагментацию диска, очистить файлы, которые хранят историю и кэш браузеров и еще много других возможностей.
Это 3 самых основных манипуляции, которые я провожу с компьютером, чтобы он начал лучше и быстрее работать. В комментариях найдете еще одну важную настройку для ускорения ноутбуков.
Если вы хотите еще сильнее повысить производительность своего устройства, то нужно провести небольшой апгрейд: заменить жесткий диск на твердотельный SSD накопитель и увеличить оперативную память. Это позволит в несколько раз увеличить скорость загрузки и работы компьютера.
Если статья была для вас полезной, то я жду от вас лайк и подписку на канал . Если сейчас ваш комп работает медленно, выполните мои советы и напишите в комментариях как он стал работать после этого.
Вспомните, каким был ваш первый компьютер и сравните его со нынешним. Почему каждый следующий смартфон или компьютер получается более мощным и компактным, чем предыдущий? Ответ на этот вопрос вы найдёте в законе Мура, который гласит: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца!». Готовы поспорить, что об этом законе многие слышат впервые и к тому же, совсем не понимают, о чём идёт речь. Между тем, он отметил свой 50-летний юбилей. И эти полстолетия электроника развивалась строго в соответствии с ним. Но будет ли так всегда?
Закон Мура известен любому, кто имеет отношение к производству микропроцессоров, разбирается в микроэлектронике и микросхемах или хорошо понимает, как устроен компьютер.Чтобы смысл закона Мура стала понятен и вам, мы сформулируем его по-другому, используя простые и понятные слова: Вычислительная мощность и производительность компьютера удваивается каждые 24 месяца.
Действительно, персональные компьютеры, ноутбуки, смартфоны очень быстро устаревают. Вы, наверное, замечали: не успел купить новую модель, через некоторое время появляются более мощные, более быстрые, с большим объёмом памяти. При этом их цена остаётся прежней, а если повышается, то не на много. И все это благодаря развитию технологий.
Гордон Мур – один из тех, кто в 1968 году основал корпорацию Intel. В течение первых семи лет был исполнительным вице-президентом корпорации. Затем президентом и главным управляющим Intel. До 1997 года занимал пост председателя совета директоров. Ныне 87-летний Гордон Мур является почётным председателем совета директоров корпорации Intel и проживает на Гавайях.
Свой закон Гордон Мур вывел на основе наблюдений, а огласил его в 1965 году. Он заметил, что ежегодно стоимость одного транзистора уменьшается, а их количество на одном кристалле удваивается. Это объяснялось бурным развитием микроэлектроники и растущими потребностями в более мощных компьютерах. Но через десять лет Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года.
Связано это было с тем, что разработка новинок стоит дополнительных денег и их необходимо окупить. Поэтому слишком частый выпуск новых продуктов не даёт компании достаточно времени заработать на них, а слишком редкий выпуск новых продуктов открывал бы дорогу конкурентам. Чтобы компания не осталась в убытках, нужна золотая середина, которую и нащупал Мур.
То, что изначально было интересным наблюдением, впоследствии стало правилом и законом для всей индустрии, которая жила и развивалась по ним все 50 лет. Однако теперь многие эксперты заявляют, что дни «закона Мура» сочтены. Чтобы разобраться, так ли это, нужно стать немножко специалистом. Попробуем?
Итак, интегральная схема (синонимы: микросхема, чип) – это, как бы, мозг любого электронного устройства. Мы не зря использовали слово мозг, ведь у чипа тоже есть своя память и логика. Человеческий мозг получает информацию, перерабатывает, а потом передаёт её другим органам человека. Вернее, это делают нейроны головного мозга при помощи химических и электрических сигналов. Чип, как и мозг, также обрабатывает, хранит и передаёт информацию при помощи электрических сигналов. Но только роль нейронов играют транзисторы. Благодаря транзисторам, чип может выполнять наши команды. Например, банковские карты, удостоверения личности, SIM-карты имеют встроенные чипы, которые хранят разную информацию, обрабатывают её, а также выполняют разные операции.
Таким образом, транзисторы определяют работу всей интегральной схемы, потому что они усиляют, генерируют и преобразовывают электрические сигналы. Другими словами, транзистор – это усилительный элемент. Он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.
Чтобы было понятно, приведём аналогию. При нажатии педали акселератора (педали газа) увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль нажимать приходится не очень сильно. Мощность нажатия на педаль ничтожна по сравнению с мощностью, которую развивает при этом двигатель. Чем больше угол нажатия на педаль, тем больше открываются специальные клапаны (заслонки в карбюраторе), которые регулируют количество подаваемой топливно-воздушной смеси в двигатель, где она и сгорает, увеличивая давление внутри двигателя. Как следствие, увеличивается частота вращения вала двигателя и скорость движения автомобиля.
То есть, акселератор можно назвать усилительным элементом, который при помощи слабой энергии, затрачиваемой человеком при нажатии на педаль, управляет и преобразовывает более мощную энергию, источником которой является бензин.
В транзисторе всё происходит также. Только через него проходит не бензин, а электрический ток.
Как вы помните, закон Мура есть результат наблюдательности господина Мура, который при его формулировке не задумывался о законах математики и физики. Поэтому, чтобы он работал и далее, нужно, чтобы производители каждые два года умудрялись «впихивать» в чип в два раза больше транзисторов.
К сожалению, этот процесс не может быть бесконечным, и уменьшение размеров транзисторов имеет свой предел. Связано это в первую очередь с физическими ограничениями: невозможно делать элементы бесконечно маленькими. Когда транзистор станет размером в несколько атомов, в силу вступят квантовые взаимодействия. Это означает, что предсказать движение электронов станет просто невозможным,а это сделает транзистор бесполезным.
Но проблемы на этом не закончатся. Чем больше количество транзисторов в чипе, тем больше тепловыделение. Как вы знаете, высокие температуры сильно влияют на проводимость тока, что опять же может сделать транзистор непригодным.
На данный момент самый маленький размер транзисторов – 22 нанометра – в процессоре Intel Haswell (1 нанометр равен одной миллиардной части метра, т. е. 10−9метра). У корпорации Intel ещё имеется потенциал дальнейшего уменьшения размеров транзистора. Так, 10-нанометровые чипы должны появиться на рынке во второй половине 2017 года.
С каждым годом удвоение транзисторов на кристалле уже не делает их дешевле. Иначе говоря, следовать закону Мура уже невыгодно для производителей. Ведь с каждым новым шагом на преодоление физических барьеров начинает уходить больше средств: сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и при этом – большое количество отбракованных микросхем, ведь при создание супертонкой кристаллической кремниевой пластинки с встроенными в неё микроскопическими транзисторами будет очень чувствительна даже к небольшим, незаметным человеку изменениям, например колебаниям земной коры.
Итак, рано или поздно, законы природы положат конец господству закона Мура. Окончание эры стремительного развития кремниевых транзисторов предсказывают на 2020-2025 годы. Что же ждёт компьютеры дальше? Эксперты предрекают, что появятся 3D- и молекулярные транзисторы, а в более далёкой перспективе – квантовые.
В 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур впервые заметил, что каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза. Основываясь на этих данных, он сформулировал так называемый закон Мура, согласно которому вычислительная мощность компьютеров экспоненциально увеличивается каждые два года. Чуть позже, когда темпы производства немного замедлились, другой сотрудник Intel Давид Хаус снизил этот показатель до 18 месяцев. Однако сейчас эта константа развития вычислительной техники практически не работает. «Хайтек» разобрался, как сейчас развивается компьютерный рынок и как в 2019 году создаются процессоры и другие важнейшие вычислительные устройства.
Читайте «Хайтек» в
Как появился закон Мура
Гордон Мур в своем прогнозе 1965 года предсказал, что за десять лет — к 1975 году — количество элементов в каждом чипе вырастет с 26 (64 единицы) до 216 (65 536 единиц). По словам Мура, при сохранении такой тенденции мощности процессоров за достаточно короткий промежуток времени будут расти экспоненциально — то есть в два раза, именно это и стало называться законом Мура.
Почти через 40 лет после своего прогноза, в 2003 году, Мур начал сомневаться в продолжительности действия такого развития вычислительной техники. В своей научной работе No Exponential is Forever: But Forever Can Be Delayed! («Экспоненциальный рост не вечен, но эту вечность можно отложить!» — «Хайтек») он пояснил, что такой рост величин в течение длительного времени практически невозможен, поскольку техника в том виде, в котором она существовала, постоянно упирается в различные именно физические пределы. Для радикального роста инженерам приходилось достаточно сильно менять саму структуру транзисторов и открывать новые материалы, из которых их можно собирать.
Транзисторы. История появления
Транзистором называют радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, который на сегодняшний день является основным рабочим компонентом всех электронных устройств и микросхем. Он может от небольшого входного сигнала управлять током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.
Первый транзистор появился спустя десятилетия исследований ученых со всего мира у группы физиков под руководством Джозефа Бекера. Их финансировала компания Bell Telephone Laboratories, одна из самых наукоемких и богатых в США рубежа 1940-х. Еще один физик, Уильям Браттейн, спустя многолетние не очень удачные исследования твердотельных приборов однажды случайно сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Уже через полгода — к середине 1947 года — у них заработал первый твердотельный усилитель, который считают первым в мире транзистором.
Bell Labs сразу оформила патент на это изобретение, но технология была очень нестабильной и имела массу проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, работали ненадежно — если их потрясти, коэффициент усиления резко менялся, а при нагревании устройства совсем переставали работать.
В 1952 году Bell Labs решила предоставить права на изготовления транзистора всем компаниям, которые смогут заплатить $25 тыс. за пользование патентом. И уже в 1953 году на рынке появилось первое коммерческое изделие на основе транзисторов — слуховой аппарат от пионера в этой области Джона Килби из компании Centralab.
После этого транзисторы заменили все радиолампы в электронных устройствах. Начиная с первых транзисторов по сегодняшний день, все микросхемы используются в качестве так называемых планарных или плоских транзисторов. Последние 50 лет инженеры пытались уменьшить размеры транзисторов, чтобы на одну плату могло влезть как можно больше подобных схем. Например, если в 1965 году в микросхему можно было встроить 30 транзисторов, то теперь — около 55 млн.
Во время эволюции транзисторов менялись не только их размеры, но и материалы, а также геометрия и технологии производства. При этом уменьшение транзистора влияет и на его рабочие характеристики, поскольку уменьшив его, например, в пять раз, увеличивается его скорость работы — тоже в пять раз.
Основная проблема, связанная с уменьшением размера транзистора, сталкивается с тем, что увеличение количества транзисторов приводит к росту потребляемой мощности и обычному перегреву микросхемы. Он происходит из-за утечки тока через слой диэлектрика, который приходится также снижать при уменьшении самого транзистора.
Альтернативой обычным стали SOI-транзисторы, в которых слой диэлектрика добавляют вглубь кремния для остановки утечки тока. Это позволяет даже повысить скорость работы транзисторов на 25%, однако у технологии есть и недостаток. Для работы таких схем необходимо повышать напряжение, что негативно сказывается на характеристиках. Таким образом, обычные кремниевые транзисторы подошли к физическому пределу, для преодоления которого ученым приходится не просто менять принцип работы устройства, а создавать новые схемы передачи электронов. Из-за этого закон Мура сейчас практически перестал работать.
Сейчас ученые активно развивают технологию создания вакуумных транзисторов, поскольку вакуум — намного более выгодная среда для передачи электронов, нежели твердое тело. Вакуумное устройство может стать первым полноценным терагерцевым транзистором, работающим намного быстрее кремниевых. Еще одной заменой кремниевых могут стать графеновые или состоящие из нанотрубок устройства, однако все эти технологии пока находятся на стадии разработки.
Закон Мура больше не работает?
Уже в 2007 году сам Мур заявил, что действие этого закона больше невозможно из-за фундаментальных причин — атомарной природы вещества и ограничения скорости света, которое не позволяет процессорам работать еще быстрее.
Критика закона Мура появилась почти сразу после его появления. Одним из самых уязвимых мест этой концепции был пункт, что при экспоненциальном увеличении мощностей процессоров их стоимость каждый раз уменьшается примерно на такой же порядок. Если в 1969 году стоимость создания первого персонального компьютера H316 от компании Honeywell составляла более $10 тыс., то к 1971 году она должна была снизиться до $5 тыс., а к 1973 году — до $2,5 тыс.. Однако в 1975 году фирма MOS Technology, Inc. начала производство компьютера KIM-1, который стоил $245.
Постоянно критиковались не только финансовые стороны этого закона, но и невозможность переложить его на другие сферы. В 1983 году издание Scientific American в своем материале заявило, что «закон Мура абсолютно невозможно использовать не только в промышленности в широком смысле этого слова, но и практически во всех отраслях, смежных с вычислительной техникой».
Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет Boeing 767 стоил бы $500 и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (
18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.
Scientific American
Закон Рока
Существует также закон Рока, названный в честь известнейшего инвестора Артура Рока. Согласно ему, размер прибыли компании по производству таких чипов также должен удваиваться каждые четыре года. По сути, закон Рока можно рассматривать как обратную сторону закона Мура, когда развитие технологий рассматривается только с экономической точки зрения.
Артур Рок отмечал, что закон Мура может работать только в случае роста прибыли корпораций, которые занимаются созданием вычислительной техники. Если достаточно капиталоемкая полупроводниковая промышленность начинает приносить большую прибыль, инвесторы начинают еще больше вкладывать деньги в эту отрасль, что снова дает резкий рост технической стороне.
При этом за последние 50 лет стоимость производства транзисторов упала в тысячи раз, и сейчас она обходится не дороже цены, которую в типографии берут за один знак, например, за точку.
По прогнозам, закон Мура будет действовать, хоть и в несколько видоизмененном формате, до конца 2025 года. В 2014 году компания Intel заявила, что темпы разработки транзисторов уменьшились, а сроки работы закона Мура скорректировались до 2,5 лет. Как будет развиваться вычислительная техника после 2025 года, до конца не ясно.
Сейчас только две компании смогли создать транзисторы с такими техническими характеристиками и стоимостью, которые соответствовали бы прогнозам Мура — корпорации TSMC и Samsung Electronics, с производственными узлами в 10 нм, 7 нм и 5 нм (и еще планируют узлы в 3 нм). При этом темпы Intel и других бывших лидеров этого направления достаточно сильно упали.
Тем более, что еще в 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, размещенного точно в кристалле кремния (а не только из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказал, что этот рубеж будет достигнут только к 2020 году. После создания такого типа транзисторов технологиям будет практически некуда развиваться дальше.
Многие участники рынка предполагают, что очередная революция в вычислительной технике произойдет с появлением первых квантовых компьютеров. Однако сейчас, даже несмотря на появление громких новостей, до его создания пока достаточно далеко.
Квантовый компьютер считается потенциальным вычислительным устройством следующего поколения, который будет работать на явлениях квантовой механики — квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. В отличие от обычных компьютеров, он будет оперировать не битами с возможными значениями 0 или 1, а кубитами — они будут иметь одновременно значение и 0, и 1.
Теоретически это позволит обрабатывать все возможные состояния кубита одновременно, значительно увеличивая скорость работы компьютера. На сегодняшний день реально работающих квантовых компьютеров пока не существует.
Еще одним вектором для развития вычислительной техники может являться более традиционный подход — в частности, создание новых материалов, из которых можно собирать транзисторы. Ведь первоначально проводники делались из различных металлов с легирующими примесями — индия, галлия и алюминия, но постепенно инженеры начали экспериментировать над разными материалами для полупроводниковых транзисторов. В том числе начал использоваться германий, на смену которому пришел кремний — он используется и на сегодняшний день. Каждый используемый материал обладал собственной скоростью передачи электронов, а также уникальными характеристиками, например, теплопередачей или мощностью работы. Обычный кремниевый транзистор не может работать под напряжением более 1 кВ, тогда как вакуумные лампы намного эффективнее их в этом вопросе.
Другие эксперты считают, что будущее вычислительной техники — за соединением искусственного интеллекта и органических веществ для создания биокомпьютера. Однако такие разработки пока находятся несколько на периферии технологической мысли или в области научной фантастики.
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:
- Большие кеши означают меньше времени на ожидание памяти.
- Больше исполнительных единиц означает меньше времени на ожидание начала выполнения инструкции.
- Лучшее предсказание ветвления означает меньше времени, затрачиваемого на умозрительное выполнение инструкций, которые на самом деле никогда не нужно выполнять.
- Улучшения исполнительного модуля сокращают время ожидания выполнения инструкций.
- 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.
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.
Читайте также: