VYZNAJTE SA V POČÍTAČOCH: procesory (1. časť)

Pokiaľ ste nezačali náš portál čítať len pred pár mesiacmi, možno si spomeniete na seriál tém o počítačoch spred dvoch, či dokonca spred štyroch rokov. Ďakujeme za vašu priazeň pri čítaní týchto tak trochu nekonečných článkov. Je to pre nás motor nadšenia pre ďalšie články. Po dvoch rokoch sme sa rozhodli ísť do toho znova. Dva roky sú vo svete počítačov obdobie tak akurát na to, aby sa tieto stroje začali meniť rýchlosťou, ktorá je niekde medzi evolúciou a revolúciou. Začneme ako vždy článkom o procesoroch.

Pozrite si, ako to s nimi vyzeralo v minulosti:

VYZNAJTE SA V POČÍTAČOCH: procesory (pred dvoma rokmi)

Vyznajte sa v počítačoch – procesory (pred štyrmi rokmi)

AMD architektúra

Schéma procesora AMD APU

Funkcia zostáva, aspoň tá základná

To, čo sa za dva roky zmeniť nestihlo, je základná funkcia procesora – počítať a riadiť všetko ostatné v počítači. Procesor spolupracuje najmä s operačnou pamäťou, ktorá je preň takým pracovným stolom. Z nej totiž vyberá bežiace programy, z nich naprogramované príkazy a tie po rozložení na elementárne inštrukcie vykoná – vypočíta, vždy s určitými dátami.

Intel architektúra

Fotografia čipu Intel s vyznačenými komponentmi

Okrem operačnej pamäte má procesor aj vlastnú, tzv. vyrovnávaciu – chache pamäť, resp. ich má niekoľko úrovní, minimálne dve. Procesorové jadrá a pamäť však nie sú jedinou súčasťou čipu procesora, nachádza sa tu až na pár výnimiek integrovaná grafika a najmä čipset – súbor riadiacich čipov so špecializovanou úlohou. Väčšinou riadia určité rozhranie, napríklad SATA pre spojenie s diskovými jednotkami, ale aj externé konektory či naopak „režijné“ rozhrania pre komunikáciu „v hlbinách systému“.

AMD inovácie

Doplnkové funkcie procesorov AMD

V čipsetoch nastal za posledné roky veľký posun. Výrazne sa rozšírilo riešenie SoC (System on a Chip – celý systém na jednom čipe), ktoré integruje na čipe procesora všetky čipsety, kedysi sídliace na základnej doske.

Pred dvoma rokmi takýto princíp fungoval v mobiloch, tabletoch a pár Ultrabookoch. Dnes získava väčšinu už aj v notebookoch. Snaha o maximálnu energetickú, ale aj priestorovú efektivitu je pre toto obdobie charakteristická. Tento fakt mimochodom budeme nútení opakovať ešte veľakrát.

Intel WiDi

Rozširuje sa aj počet pomocných čipov. Pribúdajú obvody pre hardvérovú akceleráciu určitého špeciálneho kódu (napríklad h.265 videa) a dokonca pribúdajú aj úplne nové funkcie. AMD napríklad prinieslo vylepšenie zvuku TrueAudio či obrazovú technológiu FreeSync, Intel sa napríklad pochválil bezdrôtovým prenosom obrazu WiDi alebo pokročilým snímaním priestoru pomocou niekoľkých kamier. Tým chceme naznačiť, že takéto špeciálne funkcie zvyčajne vyžadujú špecifický hardvér.

AMD TrueAudio

Vývoj sa spomaľuje, mení priority

Prvé historické počítače mali drobné pasívne chladené procesoríky, koncom minulého storočia v rámci popularizácie PC však začal výkon rásť oveľa rýchlejšie, ako úroveň výrobných technológií, čo sa nevyhnutne prejavilo skokovým zvýšením spotreby i plochy čipov.

Pri rozumnej hranici okolo 100 W sa spotreba procesorov stabilizovala a výrobcovia zvyšovali výkon o toľko, koľko im dovolili vylepšenia architektúry a výrobných procesov. Pred pár rokmi už však začalo byť výkonu viac, než bežný používateľ mohol využiť.

Výrobcovia strategicky zatiahli ručnú brzdu a vývoj spomalili – oproti nárastu výkonu začali preferovať pokles spotreby. Svoje urobili aj čoraz väčšie komplikácie pri zavádzaní nových výrobných procesov, ale o tom o chvíľu.

Intel Quark

Miniatúrny procesor Intel Quark má potenciál zmeniť svet techniky

Pokles spotreby pri rovnakom výkone umožnil zjednodušenie chladenia, až do úrovne úplného odstránenia ventilátorov. Vďaka tomu mohli prísť Ultrabooky, hybridné tablety a podobné moderné prístroje. Ich rozvoj zasa spätne akceleroval investície výrobcov do nárastu energetickej efektivity procesorov.

Tento trend v rôznej miere zasiahol všetky segmenty počítačov, od smartfónov až po stolné PC a servery. Žiaľ, tí, čo by očakávali skôr nárast výkonu, sú odsunutí na druhú koľaj. S výnimkou pár high-endových čipov a najúspornejších kategórií, narástol výkon procesorov pri rovnakej cene za posledné dva roky len nepatrne.

Apple MacBook

Apple MacBook, jeden z predstaviteľov generácie ultratenkých notebookov

Zato spotreba klesla prakticky všade o triedu. Kým pred niekoľkými rokmi mal bežný 15,6“ notebook 35 W procesor, dnes majú takmer absolútnu majoritu 15 W čipy a odspodu sa dokonca silne pretláčajú iba 4,5 W jednotky Celeron a Pentium. Nehovoriac o tom, ako sa rozmohli Windows tablety a hybridy s čipmi Atom.

V stolných počítačoch to pôvodne tiež vyzeralo na trend rýchleho poklesu spotreby, s odstupom času sa však ukázalo, že tu bude spotreba klesať oveľa pomalšie. Avšak, opäť vznikla nová trieda superúsporných počítačov – vreckových či kľúčenkových. Oproti „obývačkovým“ HTPC spred dvoch rokov je to obrovský pokrok, aspoň teda v priestorovej a energetickej efektivite.

Otázka je, či ešte znižovanie spotreby má kam pokračovať. Pri teste 11,6“ notebooku so 4,5 W Intelom Atom a pasívnym chladením sme zistili, že takýto stroj sa ani v dlhšej záťaži nemá šancu prehrievať a tým pádom znižovať jeho spotrebu nemá zmysel.

Intel svojím radom procesorov Core M práve s takouto spotrebou a výkonom blížiacim sa 15 W Core i3 ukazuje, že minimálne sem sa ešte notebooky budú chcieť dostať. Ak pôjde vývoj v tomto smere rovnako rýchlo ako doteraz, do dvoch rokov to tu máme. Nuž a potom už snáď zasa začne rásť výkon – napríklad smartfónom rastie stále, tam sa so spotrebou veľmi manipulovať nedá.

Nvidia Shield Console

ARM vs. x86 – o PC ide stále menej

Po dvoch rokoch sme oveľa múdrejší aj v opise súboja architektúr ARM (známej z mobilov) a x86 (známej z Windows počítačov). ARM procesory na celej čiare prehrali vo Windows svete – systém Windows RT určený pre ne rýchlo zmizol do histórie.

Zato dôležitosť mobilných zariadení ešte stále rastie, síce už nie tak vplyvom smartfónov a tabletov, ale za pomoci nových rastúcich hviezd – smart televízorov, smart áut, nositeľnej techniky či internetu vecí. A na ne je zatiaľ lepšie pripravený ARM svet.

Tradičné „veľké“ Windows počítače – či už stolné PC, notebooky, alebo servery – žiaľ pokračujú v úpadku, i keď aspoň naznačujú stabilizáciu stavu. Tradičná dvojka x86 výrobcov, Intel a AMD, je tak nútená viac sa sústrediť na mobilné zariadenia a ohrozovať ARM.

Intel to veľmi aktívne robí, čo najlepšie dokumentuje rad Atom. Kým pred pár rokmi dostával tú najzaostalejšiu výrobnú technológiu spomedzi procesorov Intelu, dnes je to úplne naopak. Aj vďaka tomu sa Atomom podarilo dostať do pomerne veľkého množstva Android tabletov (medzi Windows tabletmi majú prakticky monopol) i smartfónov, i keď ciele výrobcu zrejme ešte nenaplnili.

Pochybný je postoj AMD, ktorý mobilné zariadenia takmer úplne ignoruje. Android prístroj s čipom od AMD nenájdete, aj Windows tablet by ste hľadali veľmi ťažko. Na druhej strane, AMD počíta s ARM architektúrou vo svojich budúcich čipoch, pár takých pre servery má už dnes. ARM procesorom sa nám snáď podarí detailne povenovať v seriáli Vyznajte sa v smartfónoch, v tomto článku sa budeme sústrediť najmä na x86 dvojku AMD a Intel.

MediaTek Helio X20

Počet jadier bude rásť

Počet jadier procesora je ľudovo obľúbeným, i keď reálne nedostačujúcim kritériom výkonu procesora. Tak napríklad, väčšina notebookov s procesormi Intel Core i3/i5 má dve jadrá, ktoré sú výkonnejšie ako štvorjadrové nízkonapäťové Pentiá. Drahšie notebookové Core i7-čky už majú jadrá štyri a tam je nárast cítiť. AMD väčšinou pracuje so štyrmi jadrami, ale minimálne dvoch rôznych architektúr.

V desktope má Intel okrem ultraúsporných čipov lacné dvojjadrá, od Core i5 štvorjadrá a v rámci nadšeneckých variantov Core i7 môžete dostať 6, 8 či dokonca 10 jadier. AMD má v desktope rozsah 2-8 jadier.

Viac má zmysel najmä v serverovom segmente a tam by mali počty aj naďalej rásť. Teoreticky sa viac malých jadier z hľadiska energetickej efektivity oplatí kdekoľvek, prakticky je však nutná podpora zo strany aplikácií – programátori musia softvér napísať pre viac jadier.

Mediatek osemjadro

Vo svete smartfónov sú 4 jadrá dnes absolútnou samozrejmosťou, dobre sa darí aj osemjadrám. To je však typický príklad toho, že menej je niekedy viac. Prvé mobilné osemjadrá boli totiž postavené na koncepte štyroch silnejších a štyroch slabších, úspornejších jadier.

Malo to svoje výhody, ale výkon oproti silným štvorjadrovým procesorom oveľa vyšší nebol. Vtipný bol krok výrobcu MediaTek, ktorý svoje osemjadrá začal nazývať „True8Core“. Pravé osemjadro vraj preto, že neobsahuje štyri silné a štyri slabé jadrá, ale všetky rovnaké – slabé. Spoločne síce dávajú solídnu silu, ale keď príde na vykonávanie jednojadrového kódu, nie je to nič moc.

Intel Turbo Boost

Turbo frekvencia zvykne byť najvyššia pri vyťažení jediného jadra

Vtedy sa hodí skôr menší počet silnejších, vysoko taktovaných jadier. S frekvenciou to však nie je také jednoduché ako pred dvoma rokmi. Vtedy ste poznali maximálnu frekvenciu procesora, na ktorej bežal v záťaži – v pokoji sa podtaktovával, aby šetril energiu.

Dnes má však s výnimkou procesorov Intel Core i3 asi každý procesor udanú aj turbo frekvenciu (v mobilnom segmente sa často udáva iba turbo). Tú procesor samozrejme reálne dosiahnuť môže, ale len za určitých, najmä tepelných podmienok. Teda najmä krátkodobo, v dlhodobej záťaži sa zahreje a bude klesať na štandardnú maximálnu frekvenciu, v prípade zlých podmienok (zaprášený chladiaci systém, horúci letný deň) aj nižšie.

Turbo je každopádne dobrá vec, hoci môže informácie o výkone trochu zneprehľadňovať. Asi najlepším príkladom sú procesory Intel Core M. Maximálna frekvencia najpoužívanejšieho z nich je iba 800 MHz, krátkodobo však dokáže vyšprintovať až na 2 GHz a pri bežnej práci sa tak hravo vyrovná 15 W procesorom Core i3. Turbo zvyčajne vrcholí pri využití jediného jadra, čo sa mimoriadne hodí v prípade vykonávania jednojadrového kódu.

Odomknutý procesor AMD

V minulosti bolo populárne tzv. pretaktovanie, manuálne zvýšenie frekvencie procesora používateľom. Dnes sa ním zaoberajú viac-menej už iba hráči, pre ktorých sú na to pripravené odomknuté high-end procesory AMD a Intelu.

Špecialitou Intelu je technológia Hyperthreading. Niektoré jeho čipy majú jadrá so zdvojenými vybranými súčasťami, čím sa systému javia, ako keby mali dvojnásobok jadier a zároveň sa v niektorých situáciách zvyšuje výkon.

AMD naopak v predchádzajúcich generáciách procesorov niektoré súčasti zdieľalo medzi dvomi jadrami, vývojom však tieto komponenty zasa zdvojovalo, čo viedlo späť ku koncepcii klasických plnohodnotných jadier.

Wafer

Kremíkový wafer. Foto: extremetech.com

S kremíkom ešte tak dve generácie

Mimoriadne dôležitým a tak často zanedbávaným parametrom je výrobná technológia procesora. Údaj v nanometroch (milióntinách milimetra) kedysi vyjadroval veľkosť hradla tranzistora, teda drobnučkej súčiastky procesora, akých je v ňom miliarda i viac. Dnes tento údaj už nie je taký jednoznačný, ale pre porovnanie generácií stačí. Čím menšie sú tranzistory (čím menej nm), tým dokonalejšia je výrobná technológia.

Výhody nových výrobných procesov

Výhody vydarenej novej generácie procesorov nebývajú malé

Zmenšovanie tranzistorov má množstvo výhod. Bez ohľadu na veľkosť odvádzajú rovnakú prácu (prepustia prúd = 1, neprepustia = 0), ich zmenšením však dochádza k menším energetickým stratám, takže sú úspornejšie.

Dávajú teda možnosť vybrať si, či výrobca pri zachovaní výkonu ušetrí energiu, alebo pri rovnakej spotrebe zvýši taktovaciu frekvenciu = výkon. Menšie tranzistory znamenajú menší čip a nižšie výrobné náklady, keďže na wafer (kremíkový plát) sa ich zmestí oveľa viac a cena waferov je viac-menej konštantná. Samozrejme, je možné aj zachovať veľkosť čipu pridaním väčšieho množstva tranzistorov, čo opäť zvyšuje výkon.

Wafer

Tak by to aspoň malo fungovať v ideálnom prípade. Problém je, že výroba kremíkových waferov na súčasnej úrovni patrí medzi najpokročilejšie a najkomplikovanejšie technológie ľudstva. Z toho vyplýva množstvo problémov najmä vo fáze zavádzania nových výrobných procesov.

V prvom rade ide o mimoriadne náročný a drahý výskum. Náklady sa potom musia prejaviť a tak bývajú nové procesy spočiatku niekoľkonásobne drahšie, ako tie staršie. Pokles nákladov na čip sa prejaví až o niekoľko mesiacov. Zároveň bývajú nové, ešte nevyladené procesy vysoko defektné.

Problémy nových výrobných procesov

Zákazník sa nemusí báť – každý čip v koncovom zariadení je starostlivo otestovaný a má takmer 100 % spoľahlivosť. Procesor málokedy v počítači robí problémy. Problém má skôr výrobca, pretože platí za celý wafer a na ňom sa v počiatkoch nových procesov objavuje veľa nefunkčných čipov.

Pokiaľ je defektná iba časť, napríklad jedno jadro, nie je problém predať napríklad poškodený štvorjadrový čip ako dvojjadrový. Problém sú len spomínané náklady, tie však postupne klesajú.

Samsung Exynos

Nový výrobný proces v minulosti prichádzal každé dva roky, dnes sa interval kvôli komplikáciám čoraz viac predlžuje. V mobilnom svete je štandardom 28 nm, na tomto procese je aj väčšina procesorov AMD. Intel má najpokročilejšie továrne na svete, jeho čipy využívajú 22 nm technológiu a novšie už dokonca 14 nm.

Podľa najnovších správ, ďalšiu 10 nm generáciu postihne odklad do roku 2017. Budúci rok sa očakáva pokrok AMD smerom k novším procesom, hovorí sa o 20, 16 aj 14 nm, z neoficiálnych správ je pomerne ťažko vybrať pravdu. Reálnejší odhad by opäť znel až na rok 2017. V mobilnom svete zatiaľ vedie Samsung a Apple so 14 nm čipmi, čoskoro by na túto métu mali nastúpiť aj nové Atomy. Predstavené síce už boli, ale v praxi ich zatiaľ veľmi nevidno.

Ďalší výrobcovia, napríklad Qualcomm, využívajú aj 20 nm proces, zatiaľ je však najviac využívaný 28 nm. Budúci rok by sa mali masovejšie presadiť 14/16 nm ARM čipy. Chystaný 10 nm proces Intelu dobre dokumentuje, že sa technológia čoraz viac blíži fyzikálnym limitom, najmä čo sa týka schopností kremíka. Od 7 nm generácie sa preto počíta s jeho obohatením o ďalšie materiály, o pár rokov neskôr by kremík mal prestať stačiť úplne. Čo bude potom? Možno grafén, možno niečo úplne iné.

AMD Kaveri

Problematika procesorov je komplikovaná a jeden takýto článok na dostatočný prehľad nestačí. Preto v nej budeme pokračovať a nabudúce sa pozrieme aj na konkrétne rodiny procesorov, ktoré ponúkajú AMD a Intel.

Foto: AMD, Apple, extremetech.com, Intel, MediaTek, Nvidia, Toshiba, Wikipedia

Komentáre k článku