#Počítače
20 min.
8.6.2013

VYZNAJTE SA V POČÍTAČOCH: procesory

Na počítačoch je fascinujúcich mnoho vecí, ale snáď najzaujímavejšia je rýchlosť ich vývoja. Kým u ľudí sa počíta za jednu generáciu 20 rokov, v počítačoch je to jediný rok. Človek sa musí poriadne nadrieť, aby sa zlepšil – či už vo svojej fyzickej výkonnosti, vzdelaní alebo osobnostných kvalitách. Naproti tomu tu máme každý rok aj o desiatky percent lepšie počítačové komponenty a pokiaľ majú výrobcovia dostatočnú motiváciu, sú schopní priniesť aj zdvojnásobenie parametrov. V posledných rokoch v PC svete kryštalizujú zaujímavé tendencie – niektoré oblasti vo vývoji ustávajú, iné naopak zrýchľujú. Ako sú na tom konkrétne komponenty sa pozrieme v práve začínajúcom seriáli a začneme procesormi.

Pozrite si, ako vyzerali procesory pred dvomi rokmi.

Na čo slúži?

Zjednodušene sa dá povedať, že procesor je ten, čo to všetko počíta. Vezme program z operačnej pamäte, dekóduje a prispôsobí si ho (jednu zložitú operáciu si rozloží na množstvo jednoduchých inštrukcií) a vykoná programom požadovanú úlohu. To je však len základ, okrem toho dnešné procesory riadia prakticky všetky ostatné komponenty, väčšinou integrovaným grafickým jadrom nahrádzajú aj funkcie grafickej karty, integrujú v sebe čoraz viac funkcií čipsetu základnej dosky (často už všetky), uvažuje sa aj o integrácii celej operačnej pamäte do procesora. Na to si však ešte počkáme.

Vývoj sa spomaľuje?

História počítačových procesorov ukazuje veľmi zaujímavý paradox. Prvé osobné počítače s integrovanými obvodmi (gigantické skrine a sálové komplexy radšej preskočme) mali osadený malý procesorík so zanedbateľnou spotrebou a teda úplne bez chladenia. Bolo však potrebné rýchlo zvyšovať výkon a tak výrobcovia pristupovali k zväčšovaniu čipov a navyšovaniu frekvencií, čím rástla aj spotreba. Táto generácia používala malé pasívne chladiče (neskôr prišli ventilátory) a je zaujímavé, že spočiatku bola kvôli tomu považovaná za nekvalitnú. Výkon aj spotreba rástli ďalej, až narazili na rozumný strop niekde okolo 100 W. Zhruba každé dva roky prichádzal efektívnejší výrobný proces, požiadavky softvéru však rástli pomalšie. Vďaka tomu sme dnes svedkami toho, že najmä v desktopových počítačoch sa výkon procesorov navyšuje už viac-menej symbolicky a výrobcovia uprednostňujú znižovanie spotreby. Takže sa vraciame späť k pasívom. Jednoducho, výkonu je prebytok.

ARM verzus x86

Čo bolo v minulosti nemysliteľné, dnes sa stáva realitou: pomaly sa vyostruje boj medzi architektúrou ARM (Qualcomm, Nvidia, Samsung, HiSilicon, ST-Ericsson – známa najmä z mobilov) a x86 (Intel, AMD, VIA – známa z počítačov). Spočiatku si nekonkurovali, avšak ako rastie výkon mobilov a tabletov s ARM-om, tak sa znižuje spotreba x86 čipov a z dvoch nezávislých trhov sa postupe stáva jeden konkurenčný. Zatiaľ sme len na začiatku boja – ARM čipy prenikajú do počítačov veľmi pomaly (tablety s Windows RT za úspešné považovať nemôžme), o niečo lepšie je na tom invázia procesorov Intel Atom do tabletov a smartfónov s OS Android.

Čím viac jadier, tým lepšie?

Dvomi základnými parametrami procesora sú počet jadier (akoby viac procesorov v jednom) a ich frekvencia – rýchlosť. Počet jadier súčasných procesorov sa pohybuje od 2 (1 už len v najslabších mobiloch) do 8, frekvencia od 1 GHz (smartfóny) cez bežné 2-3 GHz (Ultrabooky a notebooky) až po 4 GHz a viac v stolných počítačoch. Či je lepšia vyššia frekvencia alebo viac jadier sa nedá rozsúdiť jednoznačne. Niektorý softvér (napríklad konvertovanie videa) výborne využije viacjadrový procesor, kedy jeho jadrá bežia na nižšej frekvencii a spotrebujú menej energie ako napríklad vyššie taktované jednojadro či dvojjadro. Avšak ešte stále, a to vrátane sveta Windows počítačov, prevládajú programy vytvorené prinajlepšom pre dve jadrá (a to je ten lepší prípad), v ktorých vám tie ostatné budú na nič a využijete skôr vyššie takty. Vývoj bude určite smerovať k podpore viacerých jadier, ťažko však odhadnúť rýchlosť zmeny. Snáď aspoň v hernom priemysle pomôže nasadenie nízko taktovaných 8-jadier v nových herných konzolách.

Intel aj AMD ponúkli zaujímavé riešenie. Technológie Turbo Boost (Intel) a Turbo Core (AMD) dokážu zvýšiť frekvenciu vyťaženého jadra (alebo viacerých), pokiaľ tie ostatné práve nepotrebujete. Vďaka tomu dosahujú lepší jednovláknový výkon a v prípade potreby máte stále k dispozícii dostatok jadier. AMD túto techniku používa prakticky vo všetkých čipoch, Intel si ju rezervuje pre Core i5 a Core i7. Výška turbo frekvencie sa líši od počtu vyťažených jadier, s jedným dosiahnete najvyššie turbo. Frekvenciu môžete zvýšiť aj manuálne – pretaktovaním. Ide však o činnosť, ktorá relatívne stráca na obľube – v desktopových procesoroch je z dôvodu prebytku výkonu takmer zbytočná, v prenosných počítačoch a mobiloch väčšinou znamená neprípustné zvýšenie spotreby a tepelného vyžarovania. Intel využíva ešte jednu zaujímavú technológiu – Hyperthreading. Ide o zdvojenie niektorých súčastí jadra, takže sa v systéme procesor javí ako model s dvojnásobkom jadier a má o niečo vyšší výkon v paralelizovaných úlohách, samozrejme zďaleka nie taký, ako keby mal dvojnásobok jadier skutočne. Hyperthreadingom sú vybavené procesory od Core i3 nahor, s výnimkou desktopových Core i5. No ani z jadier, ani z frekvencie spoľahlivo nevypočítate reálny výkon procesora. K tomu vás privedú dôležitejšie parametre.

Výrobná technológia – exkurzia do kremíkových tovární

Ak ste si niekedy doma leptali dosku plošných spojov, tak výroba procesorov prebieha podobne, akurát asi miliardkrát pokročilejšie. „Výrobca“ čipu (AMD, Intel, Nvidia, Qualcomm…) vytvorí návrh, ktorý pozostáva dnes zo stoviek miliónov až niekoľkých miliárd tranzistorov a ďalších komponentov, ktoré sú uložené na ploche malého procesora veľkosti niekoľko (nanajvýš desiatok alebo stoviek) mm². Čipy sa potom vyrábajú hromadne pomocou jednej z najvyspelejších technológií ľudstva v kremíkových továrniach. Intel má vlastné (a pravdepodobne najpokročilejšie na svete), AMD a ďalší si výrobu objednávajú u iných firiem – najznámejšie sú Global Founders, TSMC či Samsung.

Zhruba každé dva roky (v poslednom čase sa interval predlžuje) prichádza nový, pokročilejší výrobný proces, ktorý umožňuje vyrobiť menšie tranzistory. Menší tranzistor podáva ten istý výkon, ale s nižšou spotrebou. Návrhár čipu má vďaka tomu na výber niekoľko možností. Ak architektúru čipu nezmení, nový model bude mať rovnaký výkon, avšak bude menší, podstatne úspornejší a väčšinou aj lacnejší. Prípadne môže len zvýšiť frekvencie, čím bez výraznejšej námahy dosiahne vyšší výkon pri rovnakej spotrebe (toto Intel robí každý druhý rok – naposledy v generácii Ivy Bridge). Takisto môže zvoliť kompromis. Najčastejšie však návrhári pristupujú k zväčšeniu čipu (čo do počtu súčiastok, fyzicky môže byť aj menší), prekopaniu architektúry, preusporiadaniu tranzistorov a pridaniu nových. Vzniká tým komplexnejšie jadro s výrazne vyšším výkonom. Tým sa dostávame k číslu, ktoré o výkone čipu povie tiež dosť: jeho veľkosť, čiže plocha. Tú sa žiaľ len tak ľahko nedozviete (Intel kedysi udával aspoň počet tranzistorov, už to nerobí). Môžete sa však spoľahnúť, že jadrá čipov Sandy Bridge/Ivy Bridge/Haswell či Trinity/Richland u AMD sú podstatne väčšie ako napríklad jadrá Intel Atom či AMD Jaguar, o ARM čipoch ani nehovoriac. Vďaka tomu môžu mať rovnaký počet jadier, nižšiu frekvenciu a aj tak budú rýchlejšie ako tamtí drobci. V súčasnosti sa môžeme stretnúť s čipmi s hustotou integrácie od 22 nm do 45 nm, Intel na budúci rok plánoval nasadiť 14 nm procesory (i keď sa hovorí o ich odložení, výrobná technológia je totiž čoraz extrémnejšie drahá). Menšie číslo vždy znamená efektívnejší a o generáciu lepší procesor.

Spotreba

S efektivitou priamo súvisí spotreba. Tá je určujúca pre energetický odber desktopov, výdrž batérie prenosných počítačov a v každom prípade aj pre požiadavky na chladenie. O tomto fakte vypovedá maximálne tepelné vyžarovanie, TDP. Procesory mobilov a menších tabletov majú nanajvýš niekoľko W, veľké Windows tablety so 17 W procesormi už musia mať ventilátory. Do 20 W sa väčšinou zmestia jednotky malých notebookov a Ultrabookov. Klasické 15,6“ notebooky majú typicky 35 W, výkonné herné stroje o niečo viac. V desktopoch môžete naraziť na širokú škálu spotreby – malé obývačkové PC používajú ultramobilné procesory (do 20 W), bežné desktopové CPU sa zmestia medzi 35 a 100 W, existujú však aj silnejšie. Aj tie však môžu byť absolútne tiché, pretože do desktopu nie je problém osadiť väčší chladič s heatpipe (medené rúrky naplnené vysoko teplovodivou kvapalinou). Treba podčiarknuť, že uvádzané hodnoty sú maximálne a v praxi sa k nim dostanete skutočne zriedka, zvlášť u tých najvyšších. Typická spotreba je podstatne menšia – v smartfónoch a tabletoch síce nie je ďaleko od maximálnej, zato v notebookoch to môže byť okolo 10 W, v desktopoch maximálne 40 W. Veľký krok dopredu v tomto urobil Intel Haswell, ale aj procesory od AMD sú mimo záťaže veľmi energeticky skromné – podľa niektorých testov dokonca ešte skromnejšie ako Intel, a to už dosť dávno.

Cache, pamäťový riadič…

Na výkon vplýva aj veľkosť pomocnej vyrovnávacej pamäte procesora – cache. Tá sa udáva v troch úrovniach pričom L1 je najmenšia, ale najrýchlejšia a L3 je síce niekoľkonásobne väčšia, ale pomalšia. Intel dokonca osadil pamäť 4. úrovne veľkosti 128 MB, ktorá bude slúžiť primárne grafickému jadru (podobný krok sa očakáva aj na strane AMD). Úhrnná pamäť cache sa väčšinou pohybuje medzi 1 a 20 MB (ak nepočítame 4. úroveň), pričom viac znamená lepšie. Bežný používateľ si však s týmto nemusí lámať hlavu.

Dôležitejšia môže byť podpora rýchlych operačných pamätí. Tým sa budeme venovať v samostatnej časti. Parameter sa pohybuje v rozmedzí 1 066 – 2 133 MHz. Výkon procesora nebude brzdiť ani pomerne pomalá RAM-ka (stačí 1 333 MHz), avšak rýchlosť a najmä počet osadených modulov RAM je kľúčový pre výkonné integrované grafiky.

Okrem sa toho procesory vyznačujú podporou rôznych rozšírení inštrukčnej sady, ktoré zvyšujú výkon v spolupráci s vybraným softvérom. To bežného používateľa nemusí trápiť. Skôr integrovaných grafík sa týka podpora rôznych doplnkových funkcií, podpory akcelerácie jednotlivých video formátov a podobne.

Skutočný výkon

Aby sme nemuseli výkon procesora odhadovať 10 hodín (a aj tak by odhad nebol presný), bolo vytvorené množstvo testovacích programov – benchmarkov, ktoré výkon procesora ohodnotia počtom bodov. Treba pamätať na to, že procesor je komplexné zariadenie a každý benchmark ho otestuje len z jedného či nanajvýš niekoľkých uhlov pohľadu (napr. aritmetické výpočty, rýchlosť enkódovania videa…). Pravdivý pohľad získate ich kombináciou, čo robia portály špecializované na hardvér. Pokiaľ vám ale stačí rýchly a orientačný výsledok, kliknite na webovú databázu cpubenchmark.net alebo jednoducho napíšte do Googlu názov procesora a slovíčko „passmark“ – napríklad „Intel Atom N450 passmark“.

Aktuálni hráči

Poďme sa teda pozrieť, s akými ARM a x86 procesormi sa v súčasnosti najčastejšie môžete stretnúť a ktoré z nich sú hodné kúpy. Serverové a málo používané procesory vynechávame.

AMD Brazos

Pod označením AMD C-Series (napr. C-60), AMD E-Series (napr. E-450) a AMD E2-Series (E2-1200 až 2000) nájdete najmä v lacnejších notebookoch dvojjadrové procesory, ktoré postačia na bežné používanie (web, dokumenty, prehrávanie Full HD videa), sú veľmi lacné a navyše majú na svoju triedu výbornú integrovanú grafiku. Ich spotreba sa pohybuje na úrovni 9-18 W, vyrobené sú už zastaralým 40 nm procesom. Preto by sme skôr odporúčali vyhnúť sa im – za dverami je totiž nová generácia.

AMD Kabini

Nástupca generácie Brazos vďaka podstatne pokročilejšiemu 28 nm výrobnému procesu prináša za rovnakú cenu a podobnú spotrebu dve alebo štyri efektívnejšie a výkonnejšie procesorové jadrá (t. j. viac než dvojnásobný výkon) a tiež ešte podstatne lepšiu integrovanú grafiku. Čoskoro ich nájdete v triedach označených E1, E2, A4 a A6 so spotrebou od 9 do 25 W, ideálne v lacných ultratenkých notebookoch.

AMD Temash

Tabletová verzia Kabini s rovnakými jadrami Jaguar (mimochodom, rovnaké používajú aj konzoly Xbox One a PlayStation 4) a rovnako pokročilou grafikou, ale nižšími frekvenciami za účelom zníženia spotreby. Štvorjadrový model A6-1450 určený pre hybridné tablety sa navyše po osadení zariadenia do doku s klávesnicou pretaktuje a zvýšiť výkon o 40 %. Novinku používa rovnaké písmenkové označenie ako Kabini, ale s nižšími číslami. Mimochodom, časom prídu AMD procesory aj do Android tabletov.

AMD Llano/Trinity/Richland

Aktuálna 32 nm generácia väčších procesorov AMD. Sú podstatne výkonnejšie ako vyššie uvedené triedy, pokrýva segment tenkých i klasických notebookov (17-35 W) i desktopov (65/100 W). Procesorová architektúra obsahuje 2-4 „neúplné“ jadrá, preto sa napríklad štvorjadrový model zvykne nazývať aj dvojmodulový – dve jadrá v rámci modulu zdieľajú vybrané súčasti. Výkon procesora žiaľ za Intelom pomerne výrazne zaostáva, stačí však na stredne náročné úlohy. AMD je však omnoho lacnejšie a hlavnou zbraňou čipov sú integrované grafiky schopné konkurovať aj dedikovaným kartám. Jednotlivé generácie (Llano, Trinity a Richland) sa líšia asi 10 % vo výkone procesora a asi 20 % vo výkone integrovanej grafiky, ale aj lepšou energetickou efektivitou (napriek rovnakému výrobnému procesu) v prospech novších modelov. Výrobca tieto čipy delí do tried A4, A6, A8 a A10. Čo sa týka generácií, v desktope je Llano označené 3000 (v notebookoch takisto), Trinity 5000 (v notebookoch 4000) a Richland 6000 (v notebookoch 5000). Na koniec roka AMD chystá pokrokovú 28 nm generáciu Kaveri, ktorá podľa neoficiálnych informácií prinesie až 6 jadier, vyššiu efektivitu a takmer dvakrát lepšiu grafiku vybavenú vlastnou GDDR5 pamäťou.

AMD Bulldozer/Vishera

Čisto desktopové 32 nm procesory s rovnakou architektúrou ako Trinity a Richland, avšak bez integrovanej grafiky. Majú väčší počet jadier (4, 6 alebo 8), vyššie frekvencie (vyšší výkon) aj vyššiu spotrebu. Sú výhodné najmä na mnohovláknové úlohy, avšak za populárne ich označiť určite nemožno – najmä z dôvodu vyššej spotreby, nižšej efektivity a nižšieho jednovláknového výkonu ako súdobé Intely. Ich zbraňou je počet jadier a cena.

ARM: Nvidia Tegra

Nvidia do smartfónov a tabletov aktuálne dodáva pomerne lacné, ale tiež už neefektívne (40 nm) 4+1-jadro Tegra 3. V blízkej dobe však očakávame nasadenie radikálne silnejšieho 28 nm čipu Tegra 4, ktorý bude v sebe integrovať 4 pokrokové ARM Cortex-A15 jadrá a 6x väčšiu grafiku ako Tegra 3.

ARM: Samsung Exynos

Samsung si sám vyrába svoje procesory radu Exynos. Nájdete medzi nimi 32 nm štvorjadrá (Note II, Galaxy S III), v zahraničnej S4-ke aj 28 nm osemjadro. V tomto prípade ide skôr o marketingový ťah. Procesor obsahuje 4 výkonné jadrá typu Cortex-A15 a štyri úsporné typu Cortex-A7. Štvorice nemôžu pracovať súčasne a pokiaľ nespustíte extrémne náročnú úlohu, výkonnejšie stále spia. Úsporné by pritom na väčšinu úloh stačili aj dve (Nvidia používa iba jedno a Qualcomm zatiaľ žiadne).

ARM: Qualcomm

Aktuálne najviac ARM procesorov predáva Qualcomm. Jeho ponuka je rozsiahla, dosť neprehľadná a výrobca systém názvoslovia za pomerne krátky čas už druhýkrát zmenil (aj keď v skutočnosti sa staré číslovanie nevytratilo). Takže: generácie Snapdragon S1-S3 už nájdete nanajvýš v dopredávaných smartfónoch. Generácia Snapdragon S4 podľa starého názvoslovia pozostávala z čipov S4 Play (2-4 jednoduchšie jadrá, frekvencie okolo 1,2 GHz a 45 nm výrobný proces), S4 Plus (pokrokové 28 nm dvojjadrá Krait, takty okolo 1,5 GHz) a S4 Pro (28 nm štvorjadrá Krait na 1,5 GHz a viac). Podľa nového (ak tomu dobre rozumieme) bude pod hlavičkou Snapdragon 200 stará trieda Play, pod 400-vkou plus, pod 600-vkou Pro a pod 800-vkou príde ešte niečo lepšie. Súčasťou procesorov sú grafické jadrá Adreno a Qualcomm sa môže pochváliť rýchlou a inovatívnou integráciou komunikačných technológií – napr. LTE, GLONASS či Wi-Fi triedy ac.

Intel Atom

Niekdajší úsporný procesor vyhynutých netbookov sa presunul do lacnejších tabletov a smartfónov. Používa architektúru x86, 1-4 jadrá, 32 alebo 22 nm výrobný proces a frekvencie okolo 2 GHz. Spotreba v jednotkách W zodpovedá nenáročnému, základnému použitiu so zameraním na dlhú výdrž batérie. Prelomovou generáciou bude 22 nm Silvermont (ktorý príde cez prázdniny), ktorý prinesie konečne 4 jadrá prekopanej architektúry a najmä použiteľné grafické jadro.

Intel Sandy Bridge/Ivy Bridge/Haswell

Najskôr k rozdielom v generáciách. Sandy je 32 nm architektúra, Ivy a Haswell 22 nm. Medzi generáciami je 10-20 % rozdiel vo výkone procesora (v grafike väčší, o nej si povieme v samostatnej časti) a významný rozdiel v energetickej efektivite. Preto dôrazne odporúčame vždy najnovšiu generáciu, pokiaľ nebude rozdiel v cene priepastný. Čipy dnes pokrývajú v mobilnom segmente rozpätie od 11,5 do 55 W a v desktopovom od 35 do 84 W a sú rozdelené do tried: Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7. Prvé dve sú lacné a absolútne dostatočné na bežné použitie, v úsporných verziách budú konkurovať AMD Kabini. Core i3 je zlatá stredná cesta pre náročnejších (i hráčov), Core i5 a i7 už využijú len nadšenci alebo profesionáli. Čipy majú štandardne 2 jadrá (Core i7 a v desktope aj Core i5 majú 4, existujú však výnimky) čoraz lepšiu integrovanú grafiku a čerpajú výhody z najpokročilejších kremíkových tovární. Vďaka tomu sú najefektívnejšie a najvýkonnejšie, Intel si ale samozrejme nechá za ne poriadne zaplatiť. Na budúci rok má prísť dokonca 14 nm generácia (hoci sa povráva o jej odložení), od ktorej sa očakáva ďalšie zníženie spotreby a zlepšenie grafiky. Všetci ostatní konkurenti budú vtedy pravdepodobne ešte len na méte 28 nm. Kedy dostanú u partnerov k dispozícii aspoň 20 nm proces je otázka bez jasnej odpovede.

Snáď vám náš hĺbkový prehľad pomohol a ste z tých čísel o čosi múdrejší. V ďalšej časti nahliadneme do sveta operačných pamätí.

Odkaz bol úspešne skopírovaný. Ľutujeme, odkaz sa nepodarilo skopírovať.