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.
