Częstotliwość zegara jest najczęściej stosowanym wyznacznikiem wydajności pracy procesora. Jednak wartość ta nie zawsze prawidłowo odzwierciedla rzeczywistą moc obliczeniową CPU. Dużo zależy też od wewnętrznej architektury układu. Pod tym względem do najciekawszych zeszłorocznych konstrukcji z pewnością należą Pentium III Coppermine, AMD Athlon i PowerPC 7400.
W ubiegłym roku miał miejsce pojedynek o dominację na rynku komputerowym pomiędzy procesorami firm AMD i Intel. Najpierw przedstawiony został Pentium III (patrz: CHIP 4/99, s. 62). Jego konstrukcja to bezpośrednie rozwinięcie architektury Pentuim II, a główną i zarazem rewolucyjną zmianą jest dodanie zestawu 70 instrukcji SSE (Streaming SIMD Extension). To właśnie dzięki nim możliwości Pentium III w stosunku do Pentium II wzrosły bardziej, niż wynikałoby to z poprawy architektury i wzrostu częstotliwości zegara. Po zaprezentowaniu Athlona w sierpniu 1999 roku (patrz: CHIP 10/99, s. 124) firma AMD wysunęła się na pierwszą pozycję jako producent najszybszych na świecie procesorów zgodnych z x86. Co ciekawe, po raz pierwszy w historii Intel stracił pozycję lidera nie tylko pod względem wydajności CPU w operacjach stałoprzecinkowych, ale również w zmiennoprzecinkowych. Athlon to konstrukcja zaprojektowana całkowicie od nowa. Jest to układ superskalarny zaliczany do procesorów siódmej generacji. Potrafi wykonywać nawet do trzech instrukcji w jednym cyklu zegara, a jego architektura, przynajmniej teoretycznie, wyklucza sytuacje, w których rozkazy muszą być wykonywane sekwencyjnie (jak czasem ma to miejsce w Pentium III).
W listopadzie wprowadzony został do sprzedaży Pentium III Coppermine wykonany w technologii 0,18 mikrona. W procesorze tym z jądrem zintegrowano pamięć podręczną drugiego poziomu. Cache L2 w procesorach Pentium III montowany był do tej pory oddzielnie – na płytce drukowanej, tuż obok głównego układu scalonego (obudowy typu SEEC2). Jednakże Coppermine wyrównał jedynie różnice w wydajności w stosunku do pracujących z tą samą częstotliwością modeli Athlon firmy AMD. Również w listopadzie zostały zaprezentowane pierwsze Athlony pracujące z częstotliwością 750 MHz (szerokość ścieżek 0,18 mikrometra). Wyprodukowano je w niedawno zbudowanej pod Dreznem fabryce FAB 30.
Ubiegły rok Intel zakończył premierą Pentium III Coppermine 800 MHz, chcąc w ten sposób pochwalić się procesorem pracującym z najszybszym zegarem. Athlon o tej samej częstotliwości wszedł na rynek dopiero 6 stycznia 2000 roku.
W cieniu tych wydarzeń rozgrywała się rywalizacja pomiędzy procesorami przeznaczonymi na tzw. biurowy i domowy segment rynku (entry level) – Celeronami a AMD K6-2 oraz K6-III. Zmianom ulegały nie tylko ceny (spadały), ale również częstotliwość zegara (rosła). Pod koniec roku można było już kupić Celerony pracujące z częstotliwością 533 MHz oraz procesory AMD taktowane zegarem 500 MHz. W styczniu trafił też do sprzedaży K6-2+ 533 MHz. Model ten wyposażony jest w 128 KB cache drugiego poziomu zintegrowanego z jądrem, a zasilany jest napięciem 1,9 V. Zgodnie z polityką firmy AMD ma on wkrótce zastąpić zarówno K6-2, jak i K6-III.
Bez większego nagłośnienia w Europie przeszła premiera zaprezentowanego w sierpniu zeszłego roku procesora PowerPC MPC7400, znanego też pod nazwą G4. Ten nowy CPU firmy Motorola, wykonany w technologii AltiVec, to połączenie elementów tradycyjnego procesora skalarnego (wykonującego rozkazy krok za krokiem) z niezależnym modułem, przetwarzającym instrukcje wektorowo (równolegle). Jak twierdzi producent, podobne założenia konstrukcyjne stosowane były do tej pory jedynie w superkomputerach np. firmy Cray. Powyższe rozwiązanie pozwala na przetwarzanie nawet i 20 instrukcji w jednym cyklu zegarowym! Chipy MPC7400 znalazły swoje zastosowanie w komputerach firmy Apple – Power Macintosh G4.
Meandry architektury
Aby zrozumieć, dlaczego występują różnice w wydajności różnych modeli procesorów (niezależnie od częstotliwości zegara), trzeba przyjrzeć się ich budowie. Wszystkie współczesne CPU mają podobną architekturę wewnętrzną, opartą na superskalarnym jądrze RISC. Zgodność z listą rozkazów x86 (lub inną CISC-ową) uzyskuje się, tłumacząc instrukcje na wewnętrzny język procesora. Dzięki przekodowywaniu instrukcji możliwe było zwiększenie wydajności układów i osiągnięcie wyższych (około 1 GHz) częstotliwości zegara bez konieczności zmiany technologii wytwarzania struktur półprzewodnikowych.
| Tak wygląda krzemowa płytka nowego procesora Pentium III Coppermine. Na powierzchni 106 mm2 znajduje się aż 28,1 miliona tranzystorów. Największy z widocznych na zdjęciu bloków to moduł pamięci podręcznej L2 (256 KB). |  |
Pierwszą, zauważalną już na pierwszy rzut oka, różnicą w budowie procesorów jest pamięć podręczna. Cache pierwszego poziomu (16, 32, 64 lub 128 KB) zintegrowany jest z wewnętrzną strukturą jądra. Pamięć typu L2 (od 128 KB do 2 MB) jest umieszczona albo poza głównym układem scalonym – np. w modelach Pentium II/III, Athlon – albo w jego wnętrzu, jak choćby w procesorach Intel Celeron, Pentium III Coppermine, PowerPC MPC7400 czy AMD K6-III. W tym drugim przypadku wydajność CPU jest zdecydowanie większa (pamięć pracuje z częstotliwością rdzenia), lecz rozmiar L2 zazwyczaj nie przekracza 256 KB, co w niektórych zastosowaniach (np. serwery) może spowodować zauważalny spadek mocy. Zewnętrzna pamięć cache L2 pracuje zazwyczaj z częstotliwością równą połowie (Pentium II/III, Athlon 500, 550, 600, 650, 750 MHz) lub dwóm piątym (Athlon 800 MHz) częstotliwości jądra.
Kupując w sklepie procesor, zwraca się zwykle uwagę na jego częstotliwość pracy, gdyż wpływa ona bezpośrednio na moc obliczeniową systemu. Wartość ta, podawana w megahercach, w dużej mierze zależy od technologii wykonania samego układu scalonego, a więc od szerokości ścieżek. Obecnie mikroprocesory wytwarzane są najczęściej w technologii 0,25 lub 0,18 mikrometra.
Na łamach CHIP-a mieliśmy już okazję przedstawić szczegóły architektury procesorów z rodziny Intel Pentium II/III, Celeron (CHIP 9/99, s. 72) oraz AMD Athlon (CHIP 10/99, s. 124). Teraz spróbujmy bliżej przyjrzeć się układom Intel Pentium III Coppermine i Motorola PowerPC MPC7400.
—
| INFO Grupy dyskusyjne Uwagi i komentarze do artykułu: # Pytania techniczne do zagadnień poruszanych w tekście: # Internet Producenci procesorów: http://www.intel.pl http://www.amd.com http://www.chips.ibm.com/products/powerpc/chips/7xx.html http://www.motorola.com/SPS/PowerPC/ Informacje techniczne: http://forum.arstechnica.com/cpu/1q00/g4vsk7/g4vsk7-1.html http://www.sharkyextreme.com/hardware/reviews/cpu/intel_flipchip/ http://www.tomshardware.com/cpu/99q4/991029/index.html Na CHIP-CD w dziale Hardware|Nowe procesory| zamieszczono specyfikację techniczną procesora G4 |
