Введение

Передначалом сезона летних отпусков оба ведущих производителя процессоров,AMD и Intel, выпустили последние модели процессоров в своих современныхлинейках CPU, нацеленных на использование в высокопроизводительных PC.Сначала сделала последний шаг перед предстоящим качественным скачкомAMD и примерно с месяц назад представила Athlon XP 3200+, который, какпредполагается, станет самым быстрым представителем семейства AthlonXP. Дальнейшие же планы AMD в этом секторе рынка связываются уже спроцессором следующего поколения с x86-64 архитектурой, Athlon 64,который должен появится в сентябре этого года. Intel же выждалнебольшую паузу и представил последний из Penlium 4 на 0.13-микронномядре Northwood только сегодня. В итоге, заключительной моделью в этомсемействе стал Pentium 4 с частотой 3.2 ГГц. Пауза перед выходомследующего процессора для настольных PC, основанного на новомядре Prescott, продлится до четвертого квартала, когда Intel вновьподнимет планку быстродействия своих процессоров для настольныхкомпьютеров благодаря росту тактовой частоты и усовершенствованнойархитектуре.

Следует отметить, что за времяпротивостояния архитектур Athlon и Pentium 4, показала себя болеемасштабируемой архитектура от Intel. За период существования Pentium 4,выпускаемых по различным технологическим процессам, их частота вырослауже более чем вдвое и без проблем достигла величины 3.2 ГГц прииспользовании обычного 0.13-микронного технологического процесса. AMDже, задержавшаяся со своими Athlon XP на отметке 2.2 ГГц, не можетпохвастать на настоящий момент столь же высокими частотами своихпроцессоров. И хотя на одинаковых частотах Athlon XP значительнопревосходит по быстродействию Pentium 4, постоянно увеличивающийсяразрыв в тактовых частотах сделал свое дело: Athlon XP 3200+ с частотой2.2 ГГц назвать полноценным конкурентом Penium 4 3.2 ГГц можно лишь созначительными оговорками.

На графике ниже мы решили показать, как росли частоты процессоров семейств Pentium 4 и Athlon за последние три года:

Каквидим, частота 2.2 ГГц является для AMD непреодолимым барьером, покоренкоторый будет в лучшем случае только лишь во второй половине следующегогода, когда AMD переведет свои производственные мощности наиспользование 90-нанометровой технологии. До этих же пор дажепроцессоры следующего поколения Athlon 64 будут продолжать иметь стольневысокие частоты. Смогут ли они при этом составить достойнуюконкуренцию Prescott – сказать трудно. Однако, похоже, AMD ждут тяжелыепроблемы. Prescott, обладающий увеличенным кешем первого и второгоуровня, усовершенствованной технологией Hyper-Threading и растущимичастотами может стать гораздо более привлекательным предложением,нежели Athlon 64.

Что касается процессоров Pentium4, то их масштабируемости можно только позавидовать. Частоты Pentium 4плавно увеличиваются с самого момента выхода этих процессоров.Небольшая пауза, наблюдающаяся летом-осенью этого года, объясняетсянеобходимостью внедрения новоготехнологического процесса, но она не должна повлиять на расстановку силна процессорном рынке. Включив технологию Hyper-Threading и переведясвои процессоры на использование 800-мегагерцовой шины, Intel добилсяощутимого превосходства старших моделей своих CPU над процессорамиконкурента и теперь может ни о чем не беспокоиться, по крайней мере, доначала массового распространения Athlon 64.

Такжена графике выше мы показали и ближайшие планы компаний AMD и Intel повыпуску новых CPU. Похоже, AMD в ближайшее время не должна питатьникаких иллюзий по поводу своего положения на рынке. Борьба с Intel наравных для нее заканчивается, компаниявозвращается в привычную для себя роль догоняющего. Впрочем,долгосрочные прогнозы строить пока рано, посмотрим, что даст для AMDвыход Athlon 64. Однако, судя по сдержанной реакции разработчиковпрограммного обеспечения на технологию AMD64, никакой революции свыходом следующего поколения процессоров от AMD не произойдет.

Intel Pentium 4 3.2 ГГц

Новыйпроцессор Pentium 4 3.2 ГГц, который Intel анонсировал сегодня, 23июня, с технологической точки зрения ничего особенного собой непредставляет. Это все тот же Northwood, работающий на частоте шины 800МГц и поддерживающий технологию Hyper-Threading. То есть, по сути,процессор полностью идентичен (за исключением тактовой частоты) Pentium4 3.0, который был анонсирован Intel в апреле.

Процессор Pentium 4 3.2 ГГц, как и предшественники, использует ядро степпинга D1

Единственныйфакт, который следует отметить в связи с выходом очередного процессораPentium 4 на ядре Northwood – это вновь возросшее тепловыделение.Теперь типичное тепловыделение Pentium 4 3.2 ГГц составляет порядка 85Вт, а максимальное — ощутимо превышает величину 100 Вт. Именно поэтомуиспользование грамотно спроектированных корпусов является одним изнеобходимых требований при эксплуатации систем на базе Pentium 4 3.2ГГц. Одного вентилятора в корпусе теперь явно недостаточно, кроме того,необходимо следить и за тем, чтобы воздух в районе размещенияпроцессора хорошо вентилировался. Intel также говорит и о том, чтотемпература воздуха, окружающего процессорный радиатор, не должнапревышать 42 градуса.

Ну и еще раз напомним, чтопредставленный Pentium 4 3.2 ГГц – последний CPU от Intel длявысокопроизводительных настольных систем, основанный на 0.13-микроннойтехнологии. Следующий процессор для таких систем будет использовать уженовое ядро Prescott, изготавливаемое по 90-нанометровой технологии.Соответственно, тепловыделение будущих процессоров для настольных PCбудет меньше. Следовательно, Pentium 4 3.2 ГГц так и останетсярекордсменом по тепловыделению.

Официальная ценана Pentium 4 3.2 ГГц составляет $637, а это значит, что данныйпроцессор является самым дорогим CPU для настольных компьютеров насегодняшний день. Более того, Intel рекомендует использовать новинку снедешевыми материнскими платами на базе набора логики i875P. Однако,как мы знаем, данным требованием можно пренебречь: многие более дешевыесистемные платы на базе i865PE обеспечивают аналогичный уровеньпроизводительности благодаря активизации производителями технологии PATи в наборе логики i865PE.

Как мы тестировали

Цельюданного тестирования являлось выяснение того уровня производительности,который может обеспечить новый Pentium 4 3.2 ГГц по сравнению спредшественниками и старшими моделями конкурирующей линейки Athlon XP.Таким образом, в тестировании помимо Pentium 4 3.2 ГГц приняли участиеPetnium 4 3.0 ГГц, Athlon XP 3200+ и Athlon XP 3000+. В качествеплатформы для тестов Pentium 4 мы выбрали материнскую плату на чипсетеi875P (Canterwood) с двухканальной DDR400 памятью, а тесты Athlon XPпроводились при использовании материнской платы на базе наиболеепроизводительного чипсета NVIDIA nForce 400 Ultra.

Состав тестовых систем приведен ниже:

Процессоры

Intel Pentium 4 3.2 ГГц (800 МГц шина)
Intel Pentium 4 3.0 ГГц (800 МГц шина)

AMD Athlon 3200+ (2.2 ГГц, 400 МГц шина)
AMD Athlon 3000+ (2.17 ГГц, 333 МГц шина)

Материнские платы

ASUS P4C800 Deluxe

ASUS A7N8X Deluxe 2.0

512 Мбайт DDR400 SDRAM (2 x 256 Мбайт)

Видеокарта

ATI RADEON 9700 PRO (драйвер Catalyst 3.4)

Жесткий диск

Western Digital Raptor WD360GD

Примечания:

Памятьво всех случаях эксплуатировалась в синхронном режиме с FSB вдвухканальной конфигурации. Использовались наиболее агрессивныетайминги 2-2-2-5. Тестирование выполнялось в операционной системе Windows XP SP1 с установленным пакетом DirectX 9.0a.

Производительность в офисных приложениях и приложениях для создания контента

Впервую очередь по сложившейся традиции мы измерили скорость процессоровв офисных приложениях и приложениях, работающих с цифровых контентом.Для этого мы воспользовались тестовыми пакетами семейства Winstone.

ВBusiness Winstone 2002, включающем в себя типовые офисныебизнес-приложения, на высоте оказываются процессоры семейства AthlonXP, производительность которых ощутимо превосходит скорость процессоровконкурирующего семейства. Данная ситуация достаточно привычна для этоготеста и обуславливается как особенностями архитектуры Athlon XP, так ибольшим объемом кеш-памяти у ядра Barton, суммарная емкость которойблагодаря эксклюзивности L2 достигает 640 Кбайт.

Вкомплексном тесте Multimedia Content Creation Winstone 2003, измеряющемскорость работы тестовых платформ в приложениях для работы с цифровымконтентом, картина несколько иная. Процессоры Pentium 4, имеющиеNetBurst архитектуру и обладающие высокоскоростной шиной с пропускнойспособностью 6.4 Гбайта в секунду оставляют старшие модели Athlon XPдалеко позади.

Производительность при обработке потоковых данных

Большинствоприложений, работающих с потоками данных, как известно, работаетбыстрее на процессорах Pentium 4. Здесь раскрываются все преимуществаNetBurst архитектуры. Поэтому, результат, полученный нами в WinRAR 3.2,не должен никого удивлять. Старшие Pentium 4 значительно обгоняют поскорости сжатия информации топовые Athlon XP.

Аналогичнаяситуация наблюдается и при кодировании звуковых файлов в формат mp3кодеком LAME 3.93. Кстати, данный кодек поддерживает многопоточность,поэтому высокие результаты Pentium 4 здесь можно отнести и на счетподдержки этими CPU технологии Hyper-Threading. В итоге, Pentium 4 3.2обгоняет старший Athlon XP с рейтингом 3200+ почти на 20%.

Вданное тестирование мы включили результаты, полученные при измерениискорости кодирования AVI ролика в формат MPEG-2 одним из лучшихкодеров, Canopus Procoder 1.5. Как это не удивительно, Athlon XP вданном случае показывает слегка более высокую производительность.Впрочем, отнести это, скорее всего, следует на счетвысокопроизводительного блока операций с плавающей точкой,присутствующего в Athlon XP. SSE2 инструкции процессоров Pentium 4 вданном случае, как мы видим, не могут являться столь же сильнойальтернативой. Правда, следует отметить, что разрыв в скорости старшихмоделей Athlon XP и Pentium 4 совсем небольшой.

Кодированиевидео в формат MPEG-4 – еще один пример задачи, где процессоры Pentium4 с технологией Hyper-Threading и 800-мегагерцовой шиной демонстрируетсвои сильные стороны. Превосходство Pentium 4 3.2 над Athlon XP 3200+ вэтом тесте составляет почти 20%.

Аналогичнаяситуация наблюдается и при кодировании видео при помощи Windows MediaEncoder 9: это приложение имеет оптимизацию под набор команд SSE2 иотлично приспособлено для NetBurst архитектуры. Поэтому, совершеннонеудивительно, что вновь верхнюю часть диаграммы оккупировалипроцессоры от Intel.

Производительность в игровых приложениях

После выхода пропатченной версии3Dmark03 результаты Pentium 4 относительно Athlon XP в этом тесте сталинесколько выше. Однако расклад сил это не изменило: Pentium 4лидировали в этом бенчмарке и ранее.

Pentium4 подтверждает свое лидерство и в общем зачете в 3Dmark03. Правда,отрыв здесь небольшой: сказывается тот факт, что 3Dmark03 в первуюочередь – это тест видеоподсистемы.

Послеперехода Pentium 4 на использование 800-мегагерцовой шины, Pentium 4стали обгонять Athlon XP и в более старой версии 3Dmark2001. Причем,отрыв Pentium 4 3.2 ГГц от Athlon XP 3200+ уже достаточно существенен исоставляет 6%.

В Quake3 Pentium 4 традиционно обгоняет Athlon XP, поэтому результат удивления не вызывает.

Аналогичнаякартина наблюдается и в игре Return to Castle Wolfenstein. Этосовершенно логично, поскольку данная игра использует тот же движокQuake3.

Одноиз немногих приложений, где старшей модели Athlon XP удается удержатьлидерство, это – Unreal Tournament 2003. Хочется отметить, что всесовременные игры не имеют поддержки технологии Hyper-Threading, поэтомув играх потенциал новых Pentium 4 пока раскрывается не полностью.

Авот в Serious Sam 2 Athlon XP 3200+ больше лидером не является. Свыходом нового процессора от Intel пальма первенства в этой игрепереходит именно к Pentium 4 3.2 ГГц.

Новаяигра Splinter Cell, хотя и основана на том же движке, что и UnrealTournament 2003, быстрее работает на процессорах от Intel.

Вцелом, остается признать, что быстрейшим процессором для современных 3Dигр на данный момент является Pentium 4 3.2 ГГц, обходящий Athlon XP3200+ в большинстве игровых тестов. Ситуация меняется стремительно. Ещесовсем недавно старшие Athlon XP в игровых тестах нисколько не уступалипроцессорам от Intel.

Производительность при 3D-рендеринге

Поскольку3ds max 5.1, который мы использовали в данном тестировании, хорошооптимизирован под многопоточность, Pentium 4, умеющий исполнять двапотока одновременно благодаря технологии Hyper-Threading, с большимотрывом оказывается лидером. Даже старший Athlon XP 3200+ не можетсоставить ему никакой конкуренции.

Абсолютнотоже самое можно сказать и про скорость рендеринга в Lightwave 7.5.Впрочем, в некоторых сценах, например при рендеринге Sunset, старшиемодели Athlon XP смотрятся не так уж и плохо, однако такие случаиединичны.

Споритьс Pentium 4, выполняющем два потока одновременно, в задачах рендерингадля Athlon XP сложновато. К сожалению, AMD не имеет планов по внедрениютехнологий, подобных Hyper-Threading даже в будущих процессорахсемейства Athlon 64.

Абсолютно аналогичная ситуация наблюдается и в POV-Ray 3.5.

Производительность при научных расчетах

Длятестирования скорости новых CPU от AMD при научных расчетах былиспользован пакет ScienceMark 2.0. Подробности об этом тесте можнополучить на сайте http://www.sciencemark.org/. Этот бенчмарк поддерживает многопоточность, а также все наборы SIMD-инструкций, включая MMX, 3DNow!, SSE и SSE2.

То,что в задачах математического моделирования или криптографии процессорысемейства Athlon XP показывают себя с наилучшей стороны, известнодавно. Здесь мы видим еще одно подтверждение этого факта. Хотя, надосказать, свое былое преимущество Athlon XP начинает терять. Например, втесте Molecular Dinamics на первое место выходит уже новый Pentium 43.2 ГГц.

Кроме теста ScienceMark в этом разделе мырешили протестировать и скорость работы новых процессоров в клиентероссийского проекта распределенных вычислений http://www.md-at-home.ru/start.htm,посвященному расчету динамических свойств олигопептидов (фрагментовбелков). Расчет свойств олигопептидов, возможно, сможет помочь изучениюфундаментальных свойств белков, тем самым, внеся вклад в развитиенауки.

Каквидим, задачи молекулярной динамики новые Pentium 4 решают быстрееAthlon XP. Столь высокого результата Pentium 4 достигают благодарясвоей технологии Hyper-Threading. Сам клиент MD@home, к сожалению,многопоточность не поддерживает, однако запуск двух клиентских программв параллели на системах с процессорами с технологией Hyper-Threadingпозволяет ускорить процесс расчета более чем на 40%.

Проведенноетестирование явно показывает, что на очередном этапе конкурентнойборьбы Intel удалось одержать победу над AMD. Последний процессор наядре Northwood обгоняет по своей производительности старшую и последнююмодель Athlon XP в большинстве тестов. За последнее время Intel смогзначительно увеличить частоты своих CPU, увеличить частоту их шины, атакже внедрить хитрую технологию Hyper-Threading, дающую дополнительныйприрост скорости в ряде задач. AMD же, не имея возможности наращиватьтактовые частоты своих процессоров ввиду технологических иархитектурных сложностей, не смогла адекватно усилить свои CPU. Непоправило положение даже появление нового ядра Barton: последние моделиPentium 4 оказываются явно сильнее старших Athlon XP. В результате,Pentium 4 3.2 ГГц вполне можно считать наиболее производительным CPUдля настольных систем в настоящее время. Такая ситуация продлится поменьшей мере до сентября, когда AMD, наконец, должна будет анонсироватьсвои новые процессоры семейства Athlon 64.

Необходимоотметить и тот факт, что рейтинговая система, используемая в настоящеевремя AMD для маркировки своих процессоров, не может больше являтьсякритерием, по которому Athlon XP можно сопоставлять с Pentium 4.Улучшения, которые произошли с Pentium 4, в числе которых следуетотметить перевод этих CPU на 800-мегагерцовую шину и внедрениетехнологии Hyper-Threading, привели к тому, что Pentium 4 с частотой,равной рейтингу соответствующего Athlon XP, оказывается явно быстрее.

Вобщем, мы с интересом будем ожидать осени, когда и AMD и Intelпредставят свои новые разработки, Prescott и Athlon 64, которые,возможно, смогут обострить конкурентную борьбу между давнимисоперниками на процессорном рынке. Сейчас же AMD оказывается оттесненаIntel в сектор недорогих процессоров где, впрочем, эта компаниячувствует себя превосходно: Celeron по сравнению с Athlon XP –откровенно слабый соперник.

Intel Pentium 4 («Интел Пентиум 4») - 32-битный микропроцессор седьмого поколения архитектуры x86, разработанный компанией Intel в ноябре 2000. Не является продолжением линии P6 (см. Pentium Pro, Pentium II, Pentium III) и выполнен на принципиально новом ядре.

От Pentium III отличается следующими характеристиками: поддержка технологии NetBurst; 144 новые инструкции SSE2, направленные на поддержку мультимедиа, видео и трехмерной графики, Интернет-технологий; 20-ступенчатый конвейер; улучшенный модуль предсказания переходов; 128-битная системная шина с тактовой частотой 100 МГц (эффективная частота 400 МГц); 2 АЛУ, работающих на удвоенной частоте ядра; кэш-память первого уровня с отслеживанием исполнения команд (Execution Trace Cache); 256 килобайт интегрированной кэш-памяти второго уровня с повышенной пропускной способностью (Advanced Transfer Cache); возможность использования производительной памяти RDRAM.

Несмотря на все улучшения, первые модели Pentium 4 (на ядре Willamette) показывали меньшую производительность, чем Pentium III или AMD Athlon с более низкими частотами. Низкая производительность, необходимость использования новых системных плат и дорогой памяти, а также дороговизна самих процессоров отрицательно сказалась на их популярности. Выпускались они по 0, 18-микронной технологии с частотами от 1, 3 до 2 ГГц и устанавливались в разъем Socket 423. В марте 2001 вышла серверная версия - Xeon, а в августе появились модели Pentium 4 для разъемов Socket 478, поддерживающие память SDRAM (вместо дорогостоящей RDRAM). Это позволило снизить цены на компьютеры с новыми процессорами, но еще сильней уменьшило их производительность.

В январе 2002, вслед за выходом конкурирующего AMD Athlon XP, компания выпустила новое ядро Northwood. Изготовлялось оно по 0, 13-микронной технологии, что позволило разместить на кристалле 512 килобайт кэш-памяти L2. В апреле к новому ядру была добавлена поддержка шины с частотой 133/533 МГц.

В этом же месяце была представлена мобильная версия процессора - Pentium 4-M, а в мае на старом ядре Willamette вышли бюджетные Celeron. В ноябре поступили в продажу первые модели на ядре Northwood с поддержкой технологии Hyper-Threading, а в апреле 2003 - шины 200/800 МГц. Процессоры на этом ядре выпускались с частотой от 1, 6 до 3, 4 ГГц. Проделанные улучшения позволили процессорам догнать и перегнать по производительности Athlon XP.

В сентябре 2003, за неделю да выхода Athlon 64 FX, появился высокопроизводительный процессор от Intel - Pentium 4 Extreme Edition. В феврале 2004 появилось новое ядро Prescott, выполненное по 0, 09-микронной технологии. По сравнению с предыдущим ядром, был увеличен конвейер (до 31 ступени) и кэш L2 (до 1 мегабайт), добавлены инструкции SSE3. В августе были добавлены инструкции EM64T (для 64-битных вычислений), а разъем сменился на Socket 775. В сентябре появилась поддержка технологии NX-Bit, а в феврале 2005 вышла новая версия этого ядра - Prescott 2M. Буквы 2M обозначали 2 мегабайта; именно таким стал размер интегрированной кэш-памяти L2. Кроме того, была добавлена поддержка технологии Enhanced SpeedStep, позволяющая операционной системе регулировать тактовую частоту процессора.

На ядрах Prescott и Prescott 2M выходили процессоры с частотами от 2, 4 до 3, 8 ГГц. К этому времени стало ясно, что производительность процессоров Pentium 4 зависит не только от их тактовой частоты. Поэтому, начиная с Prescott, процессорам дают условные обозначения, состоящие из нескольких букв и цифр (например, 519J), в которых зашифрованы такие факторы, как частота системной шины, размер кэш-памяти и поддерживаемые технологии.

В мае 2005 был представлен двухъядерный аналог Pentium 4 - Pentium D. Новая версия ядра для Pentium 4 называлась Cedar Mill. Появилась она в январе 2006 и представляла собой точную копию Prescott 2M, изготовленную по 0, 065-микронной технологии. В это же время появились процессоры, основанные на более старой архитектуре P6 - Intel Core Solo и Intel Core Duo. .

Казалось бы не так уж и давно вышел Pentium 4 2,8 ГГц, но неугомонная компания Intel видать настолько горда способностью своего нового процессорного ядра к постоянному «разгону», что не дает нам покоя анонсами все новых и новых процессоров:). Однако сегодняшний наш герой отличается от предыдущей топовой модели не только на 200 с небольшим мегагерц — то, о чем давно мечтали некоторые особо продвинутые пользователи, наконец-то свершилось: технология эмуляции двух процессоров на одном процессорном ядре, ранее бывшая достоянием лишь сверхдорогих Xeon, наконец-то «освобождена» и отправлена в «свободное десктопное плавание». Хотите двухпроцессорный домашний компьютер? Их есть у нас! Все последующие модели Pentium 4, начиная с рассматриваемой в этом материале, будут обладать поддержкой Hyper-Threading. Однако кто-то может вполне резонно поинтересоваться: «А зачем мне двухпроцессорная машина дома? У меня же не сервер какой-нибудь!». И действительно — зачем? Именно это мы и постарались объяснить ниже. Итак: Hyper-Threading — что это такое и зачем он может быть нужен в обычных персональных компьютерах?

SMP и Hyper-Threading: «галопом по европам»

Для начала, давайте сделаем вид, что начинаем «с чистого листа» т. е. механизмы функционирования многопроцессорных систем нам неизвестны. Мы не собираемся начинать данной статьей цикл монографий, посвященных этому вопросу:), поэтому сложных моментов, связанных, к примеру, с виртуализацией прерываний и прочими вещами, трогать не будем. Фактически, нам нужно просто представлять как работает классическая SMP(Symmetric Multi-Processor)-система с точки зрения обычной логики. Нужно это хотя бы потому, что не так уж велико количество пользователей, хорошо себе представляющих как работает SMP-система, и в каких случаях от использования двух процессоров вместо одного можно ожидать реального увеличения быстродействия, а в каких — нет. Честное слово, один из авторов этого материала как-то угробил часа полтора времени, доказывая своему, скажем так, «не бедному» другу, что Unreal Tournament у него на многопроцессорной машине будет работать ничуть не быстрее, чем на обычной:). Смешно? Уверяю вас — только со стороны. Итак, представим, что у нас есть, к примеру, два процессора (остановимся на этом, самом простом примере) вместо одного. Что это нам дает?

В общем-то… ничего. Потому что в дополнение к этому нам нужна еще и операционная система, умеющая эти два процессора задействовать. Система эта должна быть по определению многозадачной (иначе никакого смысла в наличии двух CPU просто быть не может), но кроме этого, ее ядро должно уметь распараллеливать вычисления на несколько CPU. Классическим примером многозадачной ОС, которая этого делать не умеет, являются все ОС от Microsoft, называемые обычно для краткости «Windows 9x» — 95, 95OSR2, 98, 98SE, Me. Они просто-напросто не могут определить наличие более чем одного процессора в системе… ну и, собственно, дальше объяснять уже нечего:). Поддержкой SMP обладают ОС этого же производителя, построенные на ядре NT: Windows NT 4, Windows 2000, Windows XP. Также в силу своих корней, этой поддержкой обладают все ОС, основанные на идеологии Unix — всевозможные Free- Net- BSD, коммерческие Unix (такие как Solaris, HP-UX, AIX), и многочисленные разновидности Linux. Да, к слову — MS DOS многопроцессорность в общем случае тоже «не понимает»:).

Если же два процессора все же определились системой, то дальнейший механизм их задействования в общем-то (на «логическом», подчеркнем, уровне!) довольно-таки прост. Если в данный момент времени исполняется одно приложение — то все ресурсы одного процессора будут отданы ему, второй же будет просто простаивать. Если приложений стало два — второе будет отдано на исполнение второму CPU, так что по идее скорость выполнения первого уменьшиться не должна вообще никак. Это в примитиве. Однако на самом деле все сложнее. Для начала: исполняемое пользовательское приложение у нас может быть запущено всего одно, но количество процессов (т. е. фрагментов машинного кода, предназначенных для выполнения некой задачи) в многозадачной ОС всегда намного больше. Начнем с того, что сама ОС — это тоже приложение… ну и не будем углубляться — логика понятна. Поэтому на самом деле второй CPU способен немного «помочь» даже одиночной задаче, взяв на себя обслуживание процессов, порожденных операционной системой. Опять-таки, к слову об упрощениях — именно так, идеально, разделить CPU между пользовательским приложением и ОС, конечно, все равно не получится, но, по крайней мере, процессор, занятый исполнением «полезной» задачи, будет меньше отвлекаться.

Кроме того, даже одно приложение может порождать потоки (threads), которые при наличии нескольких CPU могут исполняться на них по отдельности. Так, например, поступают почти все программы рендеринга — они специально писались с учетом возможности работы на многопроцессорных системах. Поэтому в случае использования потоков выигрыш от SMP иногда довольно весо м даже в «однозадачной» ситуации. По сути, поток отличается от процесса только двумя вещами — он во-первых никогда не порождается пользователем (процесс может запустить как система, так и человек, в последнем случае процесс = приложение; появление потока инициируется исключительно запущенным процессом), и во-вторых — поток умирает вместе с родительским процессом независимо от своего желания — к примеру, если родительский процесс «глюкнул и упал» — все порожденные им потоки ОС считает бесхозными и «прибивает» уже сама, автоматически.

Также не стоит забывать, что в классической SMP-системе оба процессора работают каждый со своим кэшем и набором регистров, но память у них общая. Поэтому если две задачи одновременно работают с ОЗУ, мешать они друг другу будут все равно, даже если CPU у каждой «свой собственный». Ну и наконец последнее: в реальности мы имеем дело не с одним, не с двумя, и даже не с тремя процессами. На приведенном коллаже (это действительно коллаж, потому что со скриншота Task Manager были удалены все пользовательские процессы, т. е. приложения, запускаемые «для работы») хорошо видно, что «голая» Windows XP, сама по себе, не запустив еще ни одного приложения, уже породила 12 процессов, причем многие из них к тому же еще и многопоточные, и общее количество потоков достигает двухсот восьми штук (!!!).

Поэтому рассчитывать на то, что нам удастся прийти к схеме «по собственному CPU на каждую задачу» совершенно не приходится, и переключаться между фрагментами кода процессоры будут все равно — и физические, и виртуальные, и будь они хоть виртуальные в квадрате и по 10 штук на каждое физическое ядро:). Впрочем, на самом деле все не так грустно — при грамотно написанном коде ничего в данный момент не делающий процесс (или поток) процессорного времени практически не занимает (это тоже видно на коллаже).

Теперь, разобравшись с «физической» многопроцессорностью, перейдем к Hyper-Threading. Фактически — это тоже многопроцессорность, только… виртуальная. Ибо процессор Pentium 4 на самом деле один — вот он, стоит в сокете, сверху кулер пришлепнут:). Второго сокета — нет. А процессоров ОС видит — два. Как это? В общем-то, очень просто. Смотрим на рисунок.

Здесь нам придется все-таки немного углубиться в технические детали, потому что иначе, увы, что-либо объяснить не получится. Впрочем, те, кому оные детали неинтересны, могут данный абзац просто пропустить. Итак, классическому «одноядерному» процессору в нашем случае добавили еще один блок AS — IA-32 Architectural State. Architectural State содержит состояние регистров (общего назначения, управляющих, APIC, служебных). Фактически, AS#1 плюс единственное физическое ядро (блоки предсказания ветвлений, ALU, FPU, SIMD-блоки и пр.) представляет из себя один логический процессор (LP1), а AS#2 плюс все то же физическое ядро — второй логический процессор (LP2). У каждого LP есть свой собственный контроллер прерываний (APIC — Advanced Programmable Interrupt Controller) и набор регистров. Для корректного использования регистров двумя LP существует специальная таблица — RAT (Register Alias Table), согласно данным в которой можно установить соответствие между регистрами общего назначения физического CPU. RAT у каждого LP своя. В результате мы получили схему, при которой на одном и том же ядре могут свободно выполняться два независимых фрагмента кода т. е. де-факто — многопроцессорную систему!

Hyper-Threading: совместимость

Кроме того, возвращаясь к вещам практическим и приземленным, хотелось бы затронуть еще один немаловажный аспект: не все ОС, даже поддерживающие многопроцессорность, могут работать с таким CPU как с двумя . Связано это с таким «тонким» моментом, как изначальное определение количества процессоров при инициализации операционной системы. Intel прямо говорит, что ОС без поддержки ACPI второй логический процессор увидеть не смогут. Кроме того, BIOS системной платы также должен уметь определять наличие процессора с поддержкой Hyper-Threading и соответствующим образом «рапортовать» системе. Фактически, применительно, к примеру, к Windows, это означает, что «в пролете» у нас оказывается не только линейка Windows 9x, но и Windows NT — последняя ввиду отсутствия поддержки ACPI не сможет работать с одним новым Pentium 4 как с двумя. А вот что приятно — это то, что несмотря на заблокированную возможность работы с двумя физическими процессорами, с двумя логическими, получаемыми с помощью Hyper-Threading, сможет работать Windows XP Home Edition. А Windows XP Professional, кстати, несмотря на ограничение количества физических процессоров до двух, при двух установленных CPU с поддержкой Hyper-Threading честно «видит» четыре:).

Теперь немного о «железе». То, что новые CPU с частотой более 3 ГГц могут потребовать замены системной платы, знают, наверное, уже все — земля (а точнее — Internet) слухами полнится уже давно. К сожалению, это на самом деле так. Даже при номинальном сохранении все того же процессорного разъема Socket 478 Intel не удалось оставить в неприкосновенности потребляемую мощность и тепловыделение новых процессоров — потребляют они больше, и греются, соответственно, тоже. Можно предположить (хоть это и не подтверждено официально), что увеличение потребления по току связано не только с ростом частоты, но и с тем, что из-за ожидаемого использования «виртуальной многопроцессорности» нагрузка на ядро в среднем вырастет, следовательно, возрастет и средняя потребляемая мощность. «Старые» системные платы в некоторых случаях могут быть совместимы с новыми CPU — но только если делались «с запасом». Грубо говоря, те производители, которые делали свои PCB в соответствии с рекомендациями самой Intel относительно потребляемой Pentium 4 мощности, оказались в проигрыше по отношению к тем, кто немного «перестраховался», поставив на плату VRM с запасом и соответствующим образом ее разведя. Но и это еще не все. Кроме ОС, BIOS и электроники платы, с технологией Hyper-Threading должен быть совместим еще и чипсет . Поэтому счастливыми обладателями двух процессоров по цене одного:) смогут стать только те, чья системная плата основана на одном из новых чипсетов с поддержкой 533 МГц FSB: i850E, i845E, i845PE/GE. Несколько особняком стоит i845G — первая ревизия этого набора микросхем Hyper-Threading не поддерживает , более поздняя — уже совместима.

Ну, вот, вроде бы с теорией и совместимостью разобрались. Но не будем спешить. ОК, у нас есть два «логических» процессора, у нас есть Hyper-Threading, вау! — это круто. Но как уже было сказано выше, физически у нас процессор как был один, так и остался. Зачем же тогда нужна такая сложная «эмуляционная» технология, отбрасывая то, что можно горделиво демонстрировать Task Manager с графиками загруженности двух CPU друзьям и знакомым?

Hyper-Threading: зачем она нужна?

Против обыкновения, в этой статье мы немного больше чем обычно уделим внимания рассуждениям т. е. не технической прозе (где все в общем-то довольно однозначно трактуется и на основании одних и тех же результатов совершенно независимые люди чаще всего делают тем не менее весьма похожие выводы), а «технической лирике» — т. е. попытке понять, что же такое нам предлагает Intel и как к этому следует относиться. Я уже неоднократно писал в «Колонке редактора» на нашем сайте, и повторю здесь, что эта компания, если внимательно посмотреть, никогда не отличалась абсолютным совершенством своих продуктов, более того — вариации на те же темы от других производителей подчас получались гораздо более интересными и концептуально стройными. Однако, как оказалось, абсолютно все делать совершенным и не нужно — главное чтобы чип олицетворял собой какую-то идею, и идея эта приходилась очень вовремя и к месту. И еще — чтобы ее просто не было у других.

Так было с Pentium, когда Intel противопоставила весьма шустрому в «целочисленке» AMD Am5x86 мощный FPU. Так было с Pentium II, который получил толстую шину и быстрый кэш второго уровня, благодаря чему за ним так и не смогли угнаться все процессоры Socket 7. Так было (ну, по крайней мере, я считаю это свершившимся фактом) и с Pentium 4, который противопоставил всем остальным наличие поддержки SSE2 и быстрый рост частоты — и тоже де-факто выиграл. Сейчас Intel предлагает нам Hyper-Threading. И мы отнюдь не призываем в священной истерике биться лбом о стенку и кричать «господи помилуй», «аллах велик» или «Intel rulez forever». Нет, мы просто предлагаем задуматься — почему производитель, известный грамотностью своих инженеров (ни слова про маркетологов! :)) и громадными суммами, которые он тратит на исследования, предлагает нам эту технологию.

Объявить Hyper-Threading «очередной маркетинговой штучкой», конечно, проще простого. Однако не стоит забывать, что это технология , она требует исследований, денег на разработку, времени, сил… Не проще ли было нанять за меньшую сумму еще одну сотню PR-менеджеров или сделать еще десяток красивых рекламных роликов? Видимо, не проще. А значит, «что-то в этом есть». Вот мы сейчас и попытаемся понять даже не то, что получилось в результате, а то, чем руководствовались разработчики IAG (Intel Architecture Group), когда принимали решение (а такое решение наверняка принималось!) — разрабатывать «эту интересную мысль» дальше, или отложить в сундук для идей забавных, но бесполезных.

Как ни странно, для того чтобы понять как функционирует Hyper-Threading, вполне достаточно понимать как работает… любая многозадачная операционная система. И действительно — ну ведь исполняет же каким-то образом один процессор сразу десятки задач? Этот «секрет» всем уже давно известен — на самом деле одновременно все равно выполняется только одна (на однопроцессорной системе), просто переключение между кусками кода разных задач выполняется настолько быстро, что создается иллюзия одновременной работы большого количества приложений.

По сути, Hyper-Threading предлагает нам то же самое, но реализована аппаратно, внутри самого CPU. Есть некоторое количество различных исполняющих блоков (ALU, MMU, FPU, SIMD), и есть два «одновременно» исполняемых фрагмента кода. Специальный блок отслеживает, какие команды из каждого фрагмента необходимо выполнить в данный момент, после чего проверяет, загружены ли работой все исполняющие блоки процессора. Если один из них простаивает, и именно он может исполнить эту команду — ему она и передается. Естественно, существует и механизм принудительного «посыла» команды на выполнение — в противном случае один процесс мог бы захватить весь процессор (все исполняющие блоки) и исполнение второго участка кода (исполняемого на втором «виртуальном CPU») было бы прервано. Насколько мы поняли, данный механизм (пока?) не является интеллектуальным т. е. не способен оперировать различными приоритетами, а просто чередует команды из двух разных цепочек в порядке живой очереди т. е. просто по принципу «я твою команду исполнил — теперь уступи место другому потоку». Если, конечно, не возникает ситуации, когда команды одной цепочки по исполняющим блокам нигде не конкурируют с командами другой. В этом случае мы получаем действительно на 100% параллельное исполнение двух фрагментов кода.

Теперь давайте подумаем, чем Hyper-Threading потенциально хороша, и чем — нет. Самое очевидное следствие ее применения — повышение коэффициента полезного действия процессора. Действительно — если одна из программ использует в основном целочисленную арифметику, а вторая — выполняет вычисления с плавающей точкой, то во время исполнения первой FPU просто ничего не делает, а во время исполнения второй — наоборот, ничего не делает ALU. Казалось бы, на этом можно закончить. Однако мы рассмотрели лишь идеальный (с точки зрения применения Hyper-Threading) вариант. Давайте теперь рассмотрим другой: обе программы задействуют одни и те же блоки процессора. Понятно, что ускорить выполнение в данном случае довольно сложно — ибо физическое количество исполняющих блоков от «виртуализации» не изменилось. А вот не замедлится ли оно? Давайте разберемся. В случае с процессором без Hyper-Threading мы имеем просто «честное» поочередное выполнение двух программ на одном ядре с арбитром в виде операционной системы (которая сама представляет собой еще одну программу), и общее время их работы определяется:

1. временем выполнения кода программы №1
2. временем выполнения кода программы №2
3. временными издержками на переключение между фрагментами кода программ №1 и №2

Что мы имеем в случае с Hyper-Threading? Схема становится немного другой:

1. время выполнения программы №1 на процессоре №1 (виртуальном)
2. время выполнения программы №2 на процессоре №2 (виртуальном)
3. время на переключение одного физического ядра (как набора требуемых обеим программам исполняющих блоков) между двумя эмулируемыми «виртуальными CPU»

Остается признать, что и тут Intel поступает вполне логично : конкурируют между собой по быстродействию у нас только пункты за номером три, и если в первом случае действие выполняется программно-аппаратно (ОС управляет переключением между потоками, задействуя для этого функции процессора), то во втором случае мы фактически имеем полностью аппаратное решение — процессор все делает сам. Теоретически, аппаратное решение всегда оказывается быстрее. Подчеркнем — теоретически. Практикум у нас еще впереди.

Но и это еще не все. Также одним из серьезнейших… нет, не недостатков, а скорее, неприятных моментов является то, что команды, увы, не исполняются в безвоздушном пространстве, но вместо этого Pentium 4 приходится иметь дело с классическим x86-кодом, в котором активно используется прямое адресование ячеек и даже целых массивов, находящихся за пределами процессора — в ОЗУ. Да и вообще, к слову, большинство обрабатываемых данных чаще всего находится там:). Поэтому «драться» между собой наши виртуальные CPU будут не только за регистры, но и за общую для обоих процессорную шину, минуя которую данные в CPU попасть просто не могут. Однако тут есть один тонкий момент: на сегодняшний день «честные» двухпроцессорные системы на Pentium III и Xeon находятся в точно такой же ситуации ! Ибо наша старая добрая шина AGTL+, доставшаяся в наследство всем сегодняшним процессорам Intel от знаменитого Pentium Pro (в дальнейшем ее лишь подвергали модификациям, но идеологию практически не трогали) — ВСЕГДА ОДНА, сколько бы CPU ни было установлено в системе. Вот такой вот «процессорный коаксиал»:). Отойти от этой схемы на x86 попробовала только AMD со своим Athlon MP — у AMD 760MP/760MPX от каждого процессора к северному мосту чипсета идет отдельная шина. Впрочем, даже в таком «продвинутом» варианте мы все равно убегаем от проблем не очень далеко — ибо уж что-что, а шина памяти у нас точно одна — причем вот в этом случае уже везде (напоминаем, разговор идет про x86-системы).

Однако нет худа без добра, и даже из этого в общем-то не очень приятного момента Hyper-Threading может помочь извлечь какую-то пользу. Дело в том, что по идее мы должны будем наблюдать существенный прирост производительности не только в случае с несколькими задачами, использующими разные функциональные блоки процессора, но и в том случае, если задачи по-разному работают с данными, находящимися в ОЗУ. Возвращаясь к старому примеру в новом качестве — если одно приложение у нас что-то усиленно считает «внутри себя», другое же — постоянно подкачивает данные из ОЗУ, то общее время выполнения их в случае использования Hyper-Threading по идее должно уменьшиться даже если они используют одинаковые блоки исполнения инструкций — хотя бы потому, что команды на чтение данных из памяти смогут обрабатываться в то время, пока наше первое приложение будет что-то усиленно считать.

Итак, подведем итог: технология Hyper-Threading с теоретической точки зрения выглядит весьма неплохо и, мы бы сказали, «адекватно», т. е. соответствует реалиям сегодняшнего дня. Уже довольно редко можно застать пользователя с одним сиротливо открытым окном на экране — всем хочется одновременно и музыку слушать, и по Internet бродить, и диски с любимыми MP3 записывать, а может даже, и поиграть на этом фоне в какую-нибудь стрелялку или стратегию, которые, как известно, процессор «любят» ну просто со страшной силой:). С другой стороны, общеизвестно, что конкретная реализация способна иногда своей «кривизной» убить любую самую превосходную идею, и с этим мы тоже не раз встречались на практике. Поэтому закончив с теорией, перейдем к практике — тестам. Они-то и должны нам помочь ответить на второй главный вопрос: так ли хороша Hyper-Threading сейчас — и уже не в качестве идеи, а в качестве конкретной реализации этой идеи «в кремнии». Тестирование

Тестовый стенд:

• Процессор: Intel Pentium 4 3,06 ГГц с поддержкой технологии Hyper-Threading, Socket 478

• Материнская плата: Gigabyte 8PE667 Ultra (версия BIOS F3) на чипсете i845PE
• Память: 512 МБ PC2700(DDR333) DDR SDRAM DIMM Samsung, CL 2
• Видеокарта: Palit Daytona GeForce4 Ti 4600
• Жесткий диск: IBM IC35L040AVER07-0, 7200 об/мин

Программное обеспечение:

• OC и драйверы:
  • Windows XP Professional SP1
  • DirectX 8.1b
  • Intel Chipset Software Installation Utility 4.04.1007
  • Intel Application Accelerator 2.2.2
  • Audiodrivers 3.32
  • NVIDIA Detonator XP 40.72 (VSync=Off)
• Тестовые приложения:
  • (с поддержкой мультипроцессорности и технологии Hyper-Threading)
  • RazorLame 1.1.5.1342 + Lame codec 3.92
  • VirtualDub 1.4.10 + DivX codec 5.02 Pro
  • WinAce 2.2
  • Discreet 3ds max 4.26
  • BAPCo & MadOnion SYSmark 2002
  • MadOnion 3DMark 2001 SE build 330
  • Gray Matter Studios & Nerve Software Return to Castle Wolfenstein v1.1
  • Croteam/GodGames Serious Sam: The Second Encounter v1.07

Вопреки обычаю, мы не будем сегодня тестировать производительность нового Pentium 4 3,06 ГГц в сопоставлении с предыдущими моделями или же с процессорами-конкурентами. Ибо это по большому счету бессмысленно. Тесты, составляющие нашу методику, не менялись уже довольно продолжительный период времени, и желающие провести необходимые сопоставления могут воспользоваться данными из предыдущих материалов , мы же сосредоточимся на основном моменте, не распыляясь на детали. А основным в этом материале, как, наверное, нетрудно догадаться, является исследование технологии Hyper-Threading и ее влияния на производительность… на производительность чего ? Не столь уж и праздный вопрос, как оказывается. Впрочем, не будем забегать вперед. Начнем с традиционных тестов, через которые мы плавно подойдем (в контексте данного материала) к основным.

Кодирование WAV в MP3 (Lame)
Кодирование VideoCD в MPEG4 (DivX)
Архивация с помощью WinAce с 4-мегабайтным словарем

Хоть сколько-нибудь явного преимущества Hyper-Threading не продемонстрировала, но надо сказать, что мы и шансов-то особых данной технологии не дали — почти все приложения «однопроцессорные», одновременно исполняемых потоков не порождают (проверено!), и, стало быть, в этих случаях мы имеем дело с обычным Pentium 4, которому чуть-чуть подняли частоту. Говорить о каких-то тенденциях на фоне таких мизерных расхождений вряд ли уместно… хотя если все же высасывать их из пальца, то они даже немного в пользу Hyper-Threading.

3ds max 4.26

Классический тест, но в то же самое время — первое из приложений в этом обзоре, которое в явном виде поддерживает многопроцессорность. Конечно, колоссальным преимущество системы с включенной поддержкой Hyper-Threading не назовешь (оно составляет порядка 3%), однако не будем забывать, что в данном случае Hyper-Threading работала далеко не в самой лучшей для себя ситуации: 3ds max реализует поддержку SMP за счет порождения потоков , причем все они используются для одной и той же цели (рендеринг сцены) и, стало быть, содержат примерно одинаковые команды, а потому и работают тоже одинаково (по одной схеме). Мы уже писали, что Hyper-Threading лучше подходит для того случая, когда параллельно исполняются разные программы, задействующие разные блоки CPU. Тем более приятно, что даже в такой ситуации технология смогла «на ровном месте» обеспечить пусть и небольшой, но прирост быстродействия. Ходят слухи, что 3ds max 5.0 дает больший выигрыш при задействовании Hyper-Threading, и учитывая рвение, с которым Intel «проталкивает» свои технологии в области ведения производителей ПО, это как минимум следует проверить. Несомненно, так мы и сделаем, но уже в более поздних материалах на эту тему.

3DMark 2001SE

Результаты в общем-то вполне закономерные, и вряд ли могут вызвать у кого-то удивление. Быть может, лучше все-таки использовать бенчмарки для 3D именно для того, для чего они предназначены — тестирования скорости видеокарт, а не процессоров? Наверное, так оно и есть. Впрочем, результаты, как известно, лишними не бывают. Несколько настораживает чуть меньший балл у системы с задействованной Hyper-Threading. Впрочем, учитывая что разница составляет около 1%, мы бы не делали из этого далеко идущих выводов.

Return to Castle Wolfenstein,
Serious Sam: The Second Encounter

Примерно аналогичная ситуация. Впрочем, мы еще не подобрались даже близко к тестам, способным хоть как-то продемонстрировать плюсы (или минусы) Hyper-Threading. Иногда (на неощутимо малую величину) задействование «псевдо-многопроцессорности» дает отрицательный результат. Однако это не те сенсации, которых мы ждем, не так ли? :) Не слишком помогает даже тестирование со звуком, который, по идее, должен обсчитываться отдельным потоком и потому давать шанс проявить себя второму логическому процессору.

SYSmark 2002 (Office Productivity и Internet Content Creation)

А вот теперь так и хочется во весь голос крикнуть: «Ну, кто сомневался в том, что Hyper-Threading реально способна повысить быстродействие на реальных задачах?!». Результат: +16—20% — действительно ошеломляет. Причем что самое интересное — ведь SYSmark пытается эмулировать именно ту схему работы, которую Intel считает самой «удачной» для технологии Hyper-Threading — запуск различных приложений и одновременная работа с ними. Причем в процессе исполнения своего скрипта, SYSmark 2002 поступает вполне грамотно с точки зрения имитации работы пользователя, «отправляя в background» некоторые приложения, которые уже получили свое «долгосрочное задание». Так, например, кодирование видео происходит на фоне исполнения прочих приложений из скрипта Internet Content Creation, а в офисном подтесте действует вездесущее антивирусное ПО и декодирование речи в текст с помощью Dragon Naturally Speaking. По сути — первый тест, в котором созданы более или менее «вольготные» условия для технологии Hyper-Threading, и она тут же показала себя с наилучшей стороны! Впрочем, мы решили не полагаться во всем на тесты, написанные не нами, и провели «для закрепления эффекта» несколько показательных собственных экспериментов. Экспериментируем с Hyper-Threading

Одновременное выполнение рендеринга в 3ds max и архивирования в WinAce

Вначале на фоне заведомо более длительного процесса архивирования была отрендерена стандартная тестовая сцена в 3ds max. Затем на фоне рендеринга специально растянутой сцены было выполнено стандартное тестовое архивирование файла в WinAce. Результат сравнивался со временем окончания последовательного выполнения тех же самых стандартных тестов. К полученным цифрам применялись два корректирующих коэффициента: для выравнивания времени исполнения заданий (мы полагаем, что эффект ускорения от параллельного выполнения двух приложений может быть корректно подсчитан только при условии одинаковой продолжительности выполняемых заданий) и для «снятия» эффекта от неравномерности выделяемых процессорных ресурсов для foreground-/background-приложений. В итоге мы «насчитали» положительный эффект ускорения на 17% от использования технологии Hyper-Threading.

Итак, впечатляющие результаты SYSmark получили подтверждение в тесте с соседством двух реальных программ. Конечно же, ускорение не двукратное, да и тесты в пару мы выбирали сами, исходя из наиболее благоприятной, по нашему мнению, ситуации для задействования Hyper-Threading. Но давайте задумаемся над этими результатами вот в каком разрезе: процессор, производительность которого мы сейчас исследуем — в общем-то, за исключением поддержки Hyper-Threading — просто давно привычный Pentium 4. Фактически, столбик «без Hyper-Threading» — это то, что мы могли бы видеть если бы эту технологию не стали переводить в десктопы . Несколько другое чувство сразу же возникает, правда? Давайте все-таки не будем жаловаться (по отечественной традиции) на то, что «все не так хорошо, как могло бы быть», а просто подумаем о том, что нам вместе с новым процессором дали еще один способ ускорить выполнение некоторых операций.

Фоновое архивирование в WinAce + проигрывание фильма
Рендеринг в 3ds max + фоновое проигрывание музыки

Методика выполнения теста совершенно тривиальна: в пару к просмотру фильма, сжатого предварительно в формат MPEG4 при помощи кодека DivX, фоном запускалось архивирование в WinAce (разумеется, в случае пропуска кадров и подтормаживания при просмотре, данный тест не имел бы практического смысла, но нареканий на качество просмотра не было). Аналогично, во время рендеринга обычной тестовой сцены в 3ds max фоном проигрывалась (через WinAmp) музыка из файла формата MP3 (и отслеживались не замеченные ни разу в итоге «заикания» звука). Обратите внимание на естественное распределение ролей «главное-фоновое» в каждой паре приложений. В качестве результата, как обычно, бралось время архивации и полного рендеринга сцены соответственно. Эффект от Hyper-Threading в цифрах: +13% и +8%.

Достаточно реальная ситуация, именно такие мы и старались воспроизвести. Вообще (и об этом будет сказано далее) Hyper-Threading не настолько очевидна, как кажется. Простой подход «в лоб» («у нас в ОС видны два процессора — давайте относиться к ним как к двум процессорам») не дает ощутимого эффекта, и возникает даже некоторое чувство обманутости. Однако, возвращаясь к вышесказанному, попробуем оценивать результаты с несколько других позиций: задачи, которые в обычной ситуации исполняются за одно время, в случае задействования Hyper-Threading, выполняются за меньшее время . Кто попробует возразить, что «нечто» хуже, чем «ничто»? В этом-то вся и суть — отнюдь не панацею нам предлагают, а «всего лишь» средство ускорить уже имеющееся процессорное ядро, кардинальных изменений не претерпевшее. Получается? Да. Ну и какие, по большому счету, могут быть еще вопросы? Конечно, до обещанных в пресс-релизе 30% в большинстве случаев оказывается далеко, однако не стоит делать вид, что в жизни случается, сопоставив пресс-релиз компании X с пресс-релизом компании Y, убедиться, что в первом обещаний меньше и они более «сбыточные». :)

Тестирование в CPU RightMark 2002B

Новая версия CPU RM поддерживает многопоточность (соответственно, и Hyper-Threading), и, естественно, мы не могли не воспользоваться возможностью протестировать новый процессор с помощью этого бенчмарка. Оговоримся, что пока это только первый «выход» CPU RM в тестах многопроцессорных систем, поэтому можно сказать что исследование было «обоюдосторонним» — мы тестировали Hyper-Threading как частный случай SMP на системе с Pentium 4 3,06 ГГц, а эта система, в свою очередь, тестировала наш бенчмарк:) на предмет валидности результатов, и, соответственно, правильной реализации в нем поддержки мультипоточности. Без преувеличения скажем, что результатами остались довольны обе стороны:). Несмотря на то, что пока CPU RM все еще «не полностью многопроцессорный» (несколько потоков создаются только в блоке рендеринга, Math Solving блок остается однопоточным), полученные нами результаты явственно свидетельсвуют о том, что поддержка SMP и Hyper-Threading присутствует, и польза от их наличия видна невооруженным глазом. Кстати, реализация многопоточности в блоке «решателя» в общем-то задача намного менее тривиальная, чем в блоке рендеринга, поэтому если у кого-то из читателей будут некие идеи по этому поводу — мы ждем ваших комментариев, идей, и предложений. Напоминаем, что проект CPU RightMark — это бенчмарк с открытыми исходными текстами, так что интересующиеся программированием могут не только воспользоваться им, но и вносить предложения по поводу усовершенствования кода.

Перед тем как перейти к диаграммам, остановимся поподробнее на методике. По подписям столбцов, легко заметить, что тестировалась производительность системы в целых двенадцати (!) вариантах. Однако ничего страшного в этом нет, и разобраться достаточно просто. Итак, изменяемыми были следующие факторы:

1. Тесты проводились со включенной Hyper-Threading и с отключенной.
2. Использовались установки CPU RM для количества создаваемых потоков: один, два, и четыре.
3. Использовались установки CPU RM для используемого типа инструкций в расчетном модуле: SSE2 и «классические» x87 FPU.

Объясним последнее. Казалось бы, отказываться от использования SSE2 на Pentium 4 — полный, извините, бред (о чем мы уже неоднократно писали раньше). Однако в данном случае чисто теоретически это было неплохим шансом проверить функционирование и результативность технологии Hyper-Threading. Дело в том, что инструкции FPU использовались только в расчетном модуле , в модуле же рендеринга по-прежнему оставалась включенной поддержка SSE. Таким образом, те, кто внимательно читал теоретическую часть, наверняка уже поняли «где собака зарыта» — мы принудительно заставили разные части бенчмарка использовать разные вычислительные блоки CPU ! По идее, в случае принудительного отказа от SSE2, Math Solving блок CPU RM должен был оставлять «нетронутым» блоки исполнения SSE/SSE2 инструкций, что давало возможность на полную катушку воспользоваться ими блоку рендеринга того же CPU RM. Вот теперь самое время перейти к результатам, и посмотреть насколько правильными оказались наши предположения. Также заметим, что с целью увеличения валидности и стабильности результатов, была изменена еще одна установка: количество фреймов (по умолчанию — 300) было увеличено до 2000.

Тут, собственно, комментировать практически нечего. Как мы уже говорили выше, блок «решателя» (Math Solving) остался нетронутым, поэтому на его производительность Hyper-Threading не оказывает никакого влияния. Однако в то же время отрадно… что не вредит! Ведь мы уже знаем, что теоретически возникновение ситуаций когда «виртуальная многопроцессорность» может мешать работе программ — возможно. Однако один факт советуем крепко запомнить: посмотрите, как сильно влияет на производительность блока «решателя» отказ от использования SSE2! Мы еще вернемся к этой теме чуть позже, и в весьма неожиданном ключе…

И вот — долгожданный триумф. Легко заметить, что как только количество потоков в блоке рендеринга становится больше одного (в последнем случае использовать возможности Hyper-Threading, мягко говоря, трудновато:) — сразу же это обеспечивает данной конфигурации одно из первых мест. Также заметно, что именно два потока являются оптимальными для систем с Hyper-Threading. Правда, быть может, кто-то вспомнит скриншот Task Manager, которым мы «стращали» вас выше, поэтому сделаем оговорку — два активно работающих потока. В общем-то, это очевидно и вполне логично — раз у нас два виртуальных CPU, то наиболее правильно создать ситуацию, когда и потоков тоже будет два. Четыре — уже «перебор», потому что за каждый из виртуальных CPU начинают «драться» по несколько потоков. Однако даже в этом случае системе со включенной Hyper-Threading удалось обогнать «однопроцессорного» конкурента.

Об удачах всегда принято говорить подробно и со вкусом, и естественно, еще подробнее и вкуснее о них говорить когда они — твои собственные. Констатируем, что «эксперимент с переходом на инструкции FPU» также безусловно удался. Казалось бы, отказ от SSE2 должен был сильнейшим образом ударить по производительности (быстренько вспоминаем разгромные результаты Math Solving Speed с применением инструкций FPU на первой диаграмме этого раздела). Однако что мы видим! — во второй строчке, на самом верху, среди чемпионов — именно такая конфигурация! Причины опять-таки понятны, и это очень радует, потому что их понятность позволяет сделать вывод о предсказуемости поведения систем с поддержкой технологии Hyper-Threading. «Минусовый» результат блока Math Solving на системе с включенной Hyper-Threading «компенсировал» своим вкладом в общую производительность блок рендеринга, которому полностью отдали на откуп исполняющие блоки SSE/SSE2. Причем компенсировал настолько хорошо, что по результатам такая система оказалась в первых рядах. Остается пожалуй только еще раз повторить то, о чем неоднократно шла речь выше: в полную силу возможности Hyper-Threading проявляются в тех ситуациях, когда активно работающие программы (или потоки) используют разные исполняющие блоки CPU. В данной ситуации эта особенность проявилась особенно сильно, поскольку мы имели дело с хорошо, тщательно оптимизированным кодом CPU RM. Однако главный вывод состоит в том, что в принципе Hyper-Threading работает — значит, будет работать и в других программах. Естественно, тем лучше, чем больше их разработчики будут уделять времени оптимизации кода.

Выводы

…В очередной раз, к радости всего прогрессивного человечества, Intel выпустила новый Pentium 4, производительность которого еще выше чем у предыдущего Pentium 4, но это еще не предел, и скоро мы увидим еще более быстрый Pentium 4… М-да… Не то что бы это неправда — действительно, так и есть. Однако мы уже договорились, что не будем рассматривать в данной статье производительность вышеуказанного Pentium 4 3,06 ГГц в связке с другими процессорами по той самой причине, что… см. выше по тексту. Нас, видите ли, интересует Hyper-Threading. Вот такие мы привередливые — не важны нам предсказуемые результаты повышения еще на 200 МГц частоты работы давно знакомого и предсказуемого процессорного ядра, подавай нам «свежатинку», ранее не рассматриваемую. И как уже наверное догадались прозорливые читатели, выводы наши будут посвящены опять-таки этой самой навязшей в зубах технологии и всему что с ней связано. Почему? Наверное, потому, что все остальное вы отлично знаете сами..

И раз уж речь идет о Hyper-Threading, давайте для начала определим для себя главное: как к ней относиться? Что она из себя представляет? Не претендуя на истину в последней инстанции, сформулируем общее мнение, которое возникло у нас на основании результатов тестов: Hyper-Threading — это не SMP . «Ага!!!» — закричат поклонники альтернативы. «Мы так и знали!!!» — завопят они что есть мочи. «Hyper-Threading — это нечестный SMP!!!» — крики сии еще долго будут разноситься по бескрайним просторам Рунета… Мы же, как умудренные саксаулами аксакалы (или наоборот? :), возразим: «Ребята, а кто, собственно, обещал?». Кто произнес эту крамольную аббревиатуру? SMP, напомним — это Symmetric Multi-Processing, сиречь многопроцессорная архитектура. А у нас, пардон, процессор всего один . Да, он снабжен некой, простонародно выражаясь, «фичей», которая позволяет делать вид, что вроде бы оных процессоров два. Однако делает ли кто-то секрет из того, что на самом деле это не так? Вроде бы этого мы не заметили… Стало быть, мы имеем дело именно с «фичей», и не более того. И относиться к ней стоит именно таким образом, и никак иначе. Поэтому давайте не будем ниспровергать никем не возводимых идолов, и спокойно подумаем, имеет ли данная фича какой-то смысл.

Результаты тестов свидетельствуют, что в некоторых случаях — имеет. Фактически, то, о чем мы чисто теоретически рассуждали в первой части статьи, нашло свое практическое подтверждение — технология Hyper-Threading позволяет увеличить коэффициент полезного действия процессора в определенных ситуациях. В частности — в ситуациях, когда одновременно исполняются разнородные по характеру приложения. Зададим сами себе вопрос: «Это — плюс?». Наш ответ: «Да, это — плюс». Является ли он всеобъемлющим и глобальным? Похоже, что нет — ибо эффект от Hyper-Threading наблюдается исключительно в некоторых случаях. Однако так ли это важно если мы рассматриваем технологию в целом? Понятно, что появление CPU, способного в два раза быстрее делать все то, что делалось ранее — это громадный прорыв. Однако как говорили еще древние китайцы «упаси нас Господи жить в эпоху перемен». Intel не стал инициировать начало такой эпохи, просто добавив своему процессору возможность кое-что делать быстрее. Классический западный принцип, не очень хорошо воспринимаемый в нашем «шаролюбивом» обществе: «Вы можете получить нечто получше, если заплатите несколько больше».

Возвращаясь к практике: Hyper-Threading нельзя назвать «бумажной» технологией, ибо при определенных комбинациях она дает вполне ощутимый эффект. Добавим — даже намного больший эффект, чем иногда наблюдается при сравнении, к примеру, двух платформ с одним процессором на разных чипсетах. Однако следует четко понимать, что эффект этот наблюдается не всегда, и существенно зависит от… наверное, самым приемлемым термином будет «стиль». От стиля работы пользователя с компьютером. Причем именно здесь проявляется то, о чем мы сказали в самом начале: Hyper-Threading — это не SMP . «Классический SMP-стиль», где пользователь рассчитывает на реакцию столь же классической «честной» многопроцессорной системы, здесь не даст желаемого результата.

«Стиль Hyper-Threading» — это сочетание процессов, не побоимся этого слова, «развлекательных» или «служебных» с процессами «рабочими». Вы не получите существенного ускорения от CPU с поддержкой этой технологии в большинстве классических многопроцессорных задач, или если по привычке запускаете только одно приложение в один момент времени. Но вы скорее всего получите уменьшение времени исполнения многих фоновых задач , исполняемых в качестве «довеска» к обычной работе. Фактически, Intel просто еще раз напомнила всем нам, что операционные системы, в которых мы работаем — многозадачные . И предложила способ ускорения — но не столько одного какого-то процесса самого по себе, сколько комплекса выполняемых одновременно приложений . Это интересный подход, и, как нам кажется, достаточно востребованный. Теперь он обрел свое имя. Не мудрствуя лукаво, хочется сказать: просто хорошо, что эта оригинальная идея пришла кому-то в голову. Тем более неплохо, что он смог ее воплотить в конкретный продукт. В остальном, как и всегда — время покажет.

Через несколько дней после официального представления AMD своего последнего процессора Athlon64 FX-53, Intel решила объявить о выпуске на рынок 3,4-ГГц версии Prescott, которая позиционируется на конкуренцию с Athlon64, а не с Athlon64 FX-53, несмотря на одинаковый размер кэша.

Хотя стратегия Intel по гонке тактовых частот пока оказывалась вполне успешной, сегодня становится всё труднее находить аргументы в пользу процессора Prescott, который плохо наращивает свою производительность по сравнению с чипами AMD, использующими встроенный контроллер памяти.

Да, Intel нужна быстрая платформа со всеми выпестованными особенностями типа Socket 775, PCI Express и памятью DDR2, но на тактовую частоту процессора уповать уже не приходится. Это урок, который Intel уже пришлось выучить на серверном рынке, поскольку AMD получает всё более широкую поддержку своего семейства Opteron. И Pentium 4 Prescott не слишком хорошо соответствует репутации Intel, ведь его тепловой пакет TDP составляет более сотни ватт - при этом процессор не даёт сколько-нибудь ощутимых преимуществ по сравнению с предшественником Northwood.

Intel, конечно же, не почивает на лаврах - сегодня компания находится в процессе внедрения нового степпинга D0 ядра Prescott, который позволит процессору достичь тактовой частоты вплоть до 4 ГГц - как и упоминается в планах компании. Поскольку не все 3,4-ГГц версии Prescott имеют степпинг D0, мы решили привести таблицу, которая поможет отличить старые и новые процессоры Prescott.

По информации Intel, последний степпинг позволит увеличивать тактовую частоту из-за внесённых оптимизаций потребления энергии. Однако тепловой пакет нового процессора не изменился и остался на уровне 103 Вт максимум. Хотя процессор и кажется улучшенным по сравнению с 3,2-ГГц версией, его тепловыделение всё ещё несколько непропорционально по отношению к тактовой частоте. В любом случае, при покупке следует быть готовым к высокому тепловыделению процессора.

CPU-Z правильно определяет новый процессор Pentium 4: Model 3, Stepping 3 (CPUID 0F34h). Перед нами старый степпинг C0.

Новый процессор нагревается чуть сильнее.

Pentium 4: обзор моделей

Как вы, наверняка, знаете, Pentium 4 Prescott является ядром Pentium 4 третьего поколения. Первое, под кодовым названием Willamette, приобрела немалую популярность из-за увеличения производительности по сравнению с Pentium III Tualatin, в то же время потребляя намного больше энергии.

Второе поколение ядра под названием Northwood изготавливалось по 130-нм техпроцессу - на сегодня его по-прежнему можно называть лучшим ядром Pentium 4, поскольку процессор обеспечивает приличную производительность и неплохие возможности по "разгону". Мы уже смогли заставить несколько процессоров Northwood работать на частоте больше 4 ГГц - причём с обычными кулерами.

Сегодня на рынке присутствует большое число процессоров Pentium 4, базирующихся на ядрах Northwood или Prescott. Тактовые частоты сегодня начинаются на отметке 2,4 ГГц и заканчиваются на 3,4 ГГц, причём на этом отрезке потребитель может выбирать 20 разных моделей. Чтобы вы смогли лучше представлять себе ситуацию с процессорами Pentium 4, мы свели все модели вместе в краткую таблицу:

Процессор	FSB	Частота ядра	Ядро	HT
Pentium 4	400 МГц	2,0, 2,2, 2,4, 2,6 ГГц	Northwood	Нет
Pentium 4 B	533 МГц	2,4 ГГц	Northwood	Нет
Pentium 4	533 МГц	2,26, 2,53, 2,66, 2,8 ГГц	Northwood	Нет
Pentium 4	533 МГц	3,06 ГГц	Northwood	Да
Pentium 4 C	800 МГц	2,4, 2,6, 2,8 ГГц	Northwood	Да
Pentium 4	800 МГц	3,0, 3,2, 3,4 ГГц	Northwood	Да
Pentium 4 A	533 МГц	2,8 ГГц	Prescott	Нет
Pentium 4 E	800 МГц	2,8, 3,0, 3,2, 3,4 ГГц	Prescott	Да

Чем дальше располагается буква по алфавиту, тем лучше процессор вы получите. Однако это относится только к сравнению двух различных моделей с одинаковой тактовой частотой - типа Pentium 4 на 2,4 ГГц и FSB400 в сравнении с Pentium 4 B на 2,4 ГГц и FSB533. Pentium 4 C работает на FSB800 и поддерживает Hyper-Threading. Единственным исключением является Pentium 4 3,06 ГГц, который работает на FSB533 - и является первым процессором, поддерживающим Hyper-Threading. Буква E обозначает модели Prescott с 1-Мбайт кэшем L2, в то же время версии этого ядра с FSB533 обозначаются буквой A.

Intel вводит номера моделей

Существует много причин, по которым лучше использовать модельные номера, а не тактовые частоты. Во-первых, в номере можно учесть множество технологических деталей, типа FSB, размера кэша, частоты или дополнительных функций - Hyper-Threading и т.д. Во-вторых, исчезнет путаница между разными версиями процессоров с одинаковой тактовой частотой - в результате чего обычный покупатель легко выберет самый быстрый процессор. В-третьих, в индустрии существует множество примеров успешного использования модельных номеров - скажем та же AMD с семейством Opteron 14x, 24x и 84x. Первая цифра номера указывает поддержку числа процессоров: 1 - для одного процессора, 2 - для двухпроцессорных систем и т.д. Цифра x может быть 2, 4, 6 и 8 - что указывает на частоты 1,6, 1,8, 2,0 и 2,2 ГГц.

Наконец, мы должны подумать о процессорах Intel Pentium M, тем более что вскоре появится новая версия с техпроцессом 90-нм (Dothan). Поскольку этот чип будет существенно быстрее Banias из-за увеличенных тактовых частот, Intel будет очень трудно аргументировать покупку 3-ГГц настольного процессора Prescott, который в некоторых приложениях работает медленнее 2,0-ГГц Dothan.

По нашим источникам, тактовые частоты должны полностью исчезнуть из названий процессоров Intel. Поскольку число доступных моделей процессоров вряд ли уменьшится, такой шаг нам кажется вполне логичным. Будущая система именования процессоров будет выглядеть примерно так: процессор Pentium 4 будет дополняться номером 5xx, а линейка Celeron - номером Celeron 3xx.

	Мобильные процессоры	Настольные процессоры
Производительный сегмент рынка	Pentium M 755 (2,0 ГГц) Pentium M 745 (1,8 ГГц) Pentium M 735 (1,7 ГГц) Pentium M 725 (1,6 ГГц) Pentium M 715 (1,5 ГГц)	Pentium 4 Extreme Edition
Массовый сегмент рынка	Pentium 4 Mobile	Pentium 4 560 (3,6 ГГц) Pentium 4 550 (3,4 ГГц) Pentium 4 540 (3,2 ГГц) Pentium 4 530 (3,0 ГГц) Pentium 4 520 (2,8 ГГц)
"Бюджетный" сегмент рынка	Celeron M 340 (1,5 ГГц) Celeron M 330 (1,4 ГГц) Celeron M 320 (1,3 ГГц)	Celeron D 340 (2,93 ГГц) Celeron D 330 (2,8 ГГц) Celeron D 320 (2,66 ГГц) Celeron D 310 (2,53 ГГц)

Как известно, революции в компьютерном
мире случаются все реже. Да и так ли они необходимы там, где, в общем-то, "все
хорошо", где возможности систем и продуктов с лихвой покрывают нужды большинства
современных пользователей. Это в полной мере относится и к процессорам корпорации
Intel, лидера индустрии. У компании есть полная линейка высокопроизводительных
CPU всех уровней (серверные, десктопные, мобильные), тактовые частоты давно уже
перевалили за "заоблачные" 3 GHz, продажи идут просто "на ура".
И наверное, если бы не оживившиеся конкуренты (точнее, конкурент ), то все
было бы совсем хорошо.

Но "гонка гигагерцев" не прекращается. Оставим в стороне рассмотрение вопросов вроде "Кому это нужно? " и "Насколько это востребовано? " — примем лишь как факт: чтобы удержаться на плаву, производители CPU просто вынуждены тратить силы на выпуск все более быстродействующих (или как минимум более высокочастотных ) продуктов.

Начало февраля Intel отметила представлением целой обоймы новых процессоров. Компания
выпустила сразу семь новых CPU, в числе которых:

• Pentium 4 3,40 GHz ("старое" ядро Northwood);
• Pentium 4 Extreme Edition 3,40 GHz;
• целых четыре представителя новой линейки с ядром Prescott (кстати, ударение
  на первом слоге) — 3,40E, 3,20E, 3,0E и 2,80E GHz, изготовленные по 90-нанометровой
  технологии и оснащенные кэшем второго уровня объемом 1 MB.

Все эти CPU рассчитаны на шину 800 MHz и поддерживают технологию Hyper-Threading. Кроме того, Intel выпустила Pentium 4 на ядре Prescott с частотой 2,8A GHz, также изготовленный по 90-нанометровому процессу, но рассчитанный на частоту FSB 533 MHz и не поддерживающий Hyper-Threading . По информации Intel, предназначен этот процессор специально для OEM-производителей ПК в ответ на их пожелания. От себя добавим — и на радость оверклокерам, которые наверняка оценят его возможности разгона.

С выпуском новых CPU семейство Pentium 4 значительно пополнилось и сейчас выглядит так, как показано в табл. 1. Естественно, пока Intel вовсе не собирается сворачивать производство Pentium 4 на ядре Northwood с FSB 533 и 800 MHz. Кроме того, в линейке остаются и несколько моделей, рассчитанных на шину 400 MHz (пять процессоров от 2A до 2,60 GHz).

Разрабатывая 90-нанометровые технологии, которые должны обеспечить нормальное
функционирование процессоров класса Prescott, инженеры Intel вынуждены
были преодолевать серьезные препятствия. Природа этих преград состояла
не в недостаточном разрешении производственного оборудования, а в проблемах
физического характера, связанных с невозможностью изготовления столь малых
транзисторов по традиционным технологиям.

Первой проявилась утечка заряда с затвора транзистора через истончившийся
слой диэлектрика между затвором и каналом. При разрешении 90 нм он "выродился"
в барьер из четырех атомов SiO2 толщиной 1,2 нм. Появилась необходимость
в новых изолирующих материалах с более высоким значением константы диэлектрической
проницаемости (high-K dielectric). За счет большей проницаемости они позволяют
наращивать толстый (до 3 нм) изолирующий слой, не создавая при этом препятствий
для электрического поля затвора. Таковыми стали оксиды гафния и циркония.
К сожалению, они оказались несовместимы с применяемыми ныне поликристаллическими
затворами, да и фононные колебания, возникающие в диэлектрике, вызывают
снижение подвижности электронов в канале.

На границе с затвором наблюдается иное явление, выражающееся в значительном
повышении порогового уровня напряжения, необходимого для изменения состояния
проводимости канала транзистора. Решение было найдено в виде металлического
затвора. В прошлом году специалисты корпорации подобрали, наконец, два
подходящих металла, которые позволили сконструировать новые миниатюрные
NМOS- и PMOS-транзисторы. Какие именно металлы они использовали — до
сих пор держится в секрете.

Чтобы увеличить быстродействие транзисторов (оно определяется скоростью
перехода в открытое/закрытое состояние), Intel прибегла к формированию
канала из единого кристалла напряженного кремния. "Напряжение"
в данном случае означает деформирование кристаллической решетки материала.
Как оказалось, сквозь структурно нарушенный кремний как электроны (+10%
для NМOS), так и дырки (+25% для PMOS) проходят с меньшим сопротивлением.
Улучшение подвижности увеличивает максимальный ток транзистора в открытом
состоянии.

Для NМOS- и PMOS-транзисторов напряженное состояние достигается различными
методиками. В первом случае все очень просто: обычно транзистор сверху
"укрыт" слоем нитрида кремния, который выполняет функцию предохраняющей
маски, а для создания напряжения в канале толщину слоя нитрида увеличивают
вдвое. Это ведет к созданию дополнительной нагрузки на области истока
и стока и, соответственно, растягивает, деформирует канал.

PMOS-транзисторы "напрягают" по другой схеме. Сначала зоны
истока и стока вытравливают, а потом наращивают в них слой SiGe. Атомы
германия превышают по размерам атомы кремния и поэтому германиевые прослойки
всегда использовались для создания напряжения в кремнии. Однако особенность
технологии Intel заключается в том, что в данном случае сжатие кремниевого
канала происходит в продольном сечении.

Новый технологический процесс также позволил увеличить количество слоев
металлизации с шести до семи (медные соединения). Любопытно, что на производственной
линии "плечом к плечу" трудятся как литографические аппараты
нового поколения с длиной волны 193 нм, так и их предшественники с длиной
волны 248 нм. Вообще процент повторно использованной техники достиг 75,
что позволило снизить стоимость модернизации фабрик.

Особенности Prescott

В дискуссиях, предшествовавших выпуску процессора на ядре Prescott, он в шутку именовался не иначе как "Pentium 5". Собственно, именно таким был типичный ответ компьютерного профи на вопрос "Что такое Prescott?". Конечно, Intel не стала менять торговую марку, да и достаточных оснований для этого не было. Вспомним практику выпуска программного обеспечения — там смена номера версии происходит только при кардинальной переработке продукта, тогда как менее значительные изменения обозначаются дробными номерами версий. В процессорной индустрии дробные номера пока не приняты, и то, что Prescott продолжил линейку Pentium 4, как раз и является отражением того факта, что перемены носят не настолько радикальный характер.

Процессоры на ядре Prescott хоть и содержат немало новшеств и модификаций по сравнению
с Northwood, однако основаны на той же архитектуре NetBurst, имеют ту же корпусировку,
что и предыдущие Pentium 4, устанавливаются в тот же разъем Socket 478 и, в принципе,
должны работать на большинстве материнских плат, поддерживающих 800 MHz FSB и
обеспечивающих должные напряжения питания (естественно, потребуется обновление
BIOS).

Детальное изучение практических вопросов, касающихся Prescott, мы оставим для отдельного материала. А пока попробуем рассмотреть, какие изменения появились в Prescott, и понять, насколько этот процессор отличается от своего предшественника и чего можно в результате ожидать.

Основные новшества, реализованные в ядре Prescott, следующие:

• Перевод производства кристаллов на техпроцесс 90 нм.
• Возросшая длина конвейера (с 20 до 31 стадии).
• Вдвое увеличенные кэши L1 (кэш данных — с 8 до 16 KB) и L2 (с 512 KB до
  1 MB).
• Изменения в архитектуре:
  -модифицированный блок предсказания переходов;
  -усовершенствованная логика работы L1-кэша (улучшенная предварительная выборка
  данных);
  -появление новых блоков в процессоре;
  -увеличенный объем некоторых буферов.
• Усовершенствованная технология Hyper-Threading.
• Появление поддержки нового набора SIMD-инструкций SSE3 (13 новых команд).

Главные различия трех процессорных ядер, использовавшихся в Pentium 4, сведены в табл. 2. Число транзисторов в Prescott увеличилось более чем вдвое — на 70 млн. Из них, по грубым оценкам, порядка 30 млн. можно отнести на счет удвоившегося L2-кэша (дополнительные 512 KB, по 6 транзисторов на одну ячейку). Причем остается еще вполне солидное число, и даже по одному этому значению можно косвенно судить о масштабах произошедших в ядре изменений. Заметим, что, несмотря на такой рост числа элементов, площадь ядра не только не увеличилась, но даже уменьшилась по сравнению с Northwood.

С 90-нанометровым технологическим процессом все, в общем-то, понятно (конечно, на упрощенном, "пользовательском" уровне). Меньший размер транзисторов позволит снизить напряжение питания процессора и уменьшить рассеиваемую им мощность, а следовательно, и нагрев. Это откроет дорогу для дальнейшего увеличения тактовых частот, которое хотя и будет сопровождаться ростом тепловыделения, но "начало отсчета" для этого роста будет уже другим, несколько ниже. Отметим, что с учетом большего числа транзисторов в Prescott по сравнению с Northwood правильнее было бы говорить не об уменьшении, а о сохранении или же меньшем увеличении рассеиваемой мощности.

Удлиненный конвейер . Как видно из табл. 2, по длине конвейера Prescott (31 стадия) более чем наполовину превосходит Northwood. Что за этим кроется, вполне понятно: это не первый случай, когда Intel увеличивает длину конвейера, нацеливаясь на повышение тактовых частот — известно, что чем длиннее конвейер, тем лучше "разгоняется" процессорное ядро. В принципе, сложно сказать однозначно, так ли необходимо такое "удлинение" на текущем этапе, на частотах в районе 3,5 GHz — энтузиасты-оверклокеры разгоняли Pentium 4 (Northwood) и до более высоких значений. Но рано или поздно рост числа стадий оказался бы неизбежен — так почему бы не совместить это событие с выпуском нового ядра?

Увеличенные объемы кэшей и буферов . В принципе, этот пункт напрямую связан с предыдущим. Чтобы обеспечить работой длинный конвейер на высоких частотах, желательно иметь большего объема "подручный склад" в виде кэша для уменьшения количества простоев, при которых процессор ожидает загрузки требуемых данных из памяти. Кроме того, хорошо известно, что при прочих равных из двух процессоров с разной длиной конвейера производительнее окажется тот, у которого этот параметр меньше. При ошибках предсказания перехода процессор вынужден "сбрасывать" свой конвейер и загружать его работой по-новому. И чем большее число стадий в нем содержится, тем болезненнее оказываются подобные промахи. Полностью их исключить, конечно же, нельзя, и на одинаковых частотах Northwood и Prescott последний оказался бы менее производительным… не будь у него большего L2-кэша, во многом компенсирующего отставание. Естественно, здесь все зависит от специфики конкретных приложений, что мы и попытаемся проверить в практической части.

Как говорилось выше, в Prescott увеличен не только общий L2-кэш, но и L1-кэш данных, объем которого вырос с 8 до 16 KB. Также изменились его организация и часть логики работы — к примеру, введен механизм принудительного продвижения (force forwarding ), уменьшающий задержки в случаях, когда зависимая операция загрузки данных из кэша не может спекулятивно выполняться до завершения предшествующей операции помещения этих данных в кэш.

Кроме объемов кэшей, увеличению подверглась и емкость двух планировщиков, отвечающих за хранение микроопераций (uops ), которые используются в инструкциях x87/SSE/SSE2/SSE3. Это, в частности, позволило более эффективно находить параллелизм в мультимедиаалгоритмах и выполнять их с лучшей производительностью.

Собственно, некоторых новшеств в архитектуре Pentium 4, реализованных в Prescott, мы уже успели коснуться, поскольку они "разбросаны" по ядру процессора и затрагивают многие его блоки. Следующим важным изменением является…

Модифицированный блок предсказания переходов . Как известно, точность
работы этого блока является критически важной для обеспечения высокой производительности
современного процессора. "Просматривая" программный код, следующий за
выполняемым в настоящий момент, процессор может заранее выполнять части
данного кода — это хорошо известное спекулятивное выполнение . Если же
в программе встречается ветвление в результате условного перехода (если-то-иначе ),
то возникает вопрос о том, какую из двух веток "лучше" выполнять заранее.
Алгоритмы в Northwood действовали относительно просто: переходы назад предполагались
совершающимися, вперед — нет. Это большей частью работало для циклов,
но не для других видов переходов. В Prescott используется понятие длины
перехода : исследования показали, что если дальность перехода превышает
определенный предел, то переход с большой долей вероятности совершаться не будет
(соответственно, спекулятивно выполнять эту часть кода не нужно). Также в Prescott
введен более тщательный анализ самих условий перехода, на основании которого принимаются
решения о вероятности выполнения перехода. Кроме статических алгоритмов предсказания,
изменениям подверглись и динамические алгоритмы (кстати, новые идеи были частично
заимствованы из мобильного Pentium M).

Появление новых блоков в процессоре . Два новых блока в Prescott — это блок побитовых сдвигов и циклических сдвигов (shifter/rotator) и выделенный блок целочисленного умножения . Первый позволяет осуществлять наиболее типичные операции сдвига на одном из двух быстрых ALU, работающих на удвоенной частоте ядра CPU (в предыдущих модификациях Pentium 4 эти операции выполнялись как целочисленные и занимали несколько тактов). Для осуществления целочисленного умножения ранее задействовались ресурсы FPU, что достаточно долго — нужно было передать данные в FPU, выполнить там сравнительно медленное умножение и передать результат обратно. В Prescott для ускорения этих операций добавлен новый блок, отвечающий за такие операции умножения.

Улучшенный Hyper-Threading . Конечно, все перечисленные выше новшества введены в Prescott неспроста. По словам специалистов Intel, большинство модификаций в логике работы кэшей, очереди команд и пр. так или иначе связаны с быстродействием процессора при использовании Hyper-Threading, т. е. при одновременной работе нескольких программных потоков. В то же время на производительность "однопоточных" (single-threaded) приложений эти нововведения оказывают лишь незначительное влияние. Также в Prescott увеличился набор инструкций, которым "позволено" исполняться на процессоре параллельно (например, операция с таблицей страниц и операция с памятью, разбивающая строку кэша). Опять-таки, для однопоточных приложений невозможность совмещения подобных операций практически не сказывалась на производительности, тогда как при выполнении двух потоков такое ограничение зачастую становилось "узким местом". Другой пример — если в Northwood происходило "непопадание в кэш" (cache miss) и возникала необходимость чтения данных из оперативной памяти, следующие операции просмотра кэша откладывались до окончания этого действия. В результате одно приложение, часто "промахивающееся" мимо кэша, могло существенно затормозить работу остальных потоков. В Prescott этот конфликт легко преодолевается, операции могут выполняться параллельно. Также в Prescott была переделана логика арбитража и разделения ресурсов между потоками с целью увеличения общей производительности.

Инструкции SSE3. Как мы помним, последний раз расширение набора SIMD-инструкций
Intel провела, выпустив первый Pentium 4 (Willamette) и реализовав в нем SSE2.
Очередное расширение, получившее название SSE3 и содержащее 13 новых инструкций,
осуществлено в Prescott. Все они, за исключением трех, используют SSE-регистры
и предназначены для повышения производительности в следующих областях:

• быстрое преобразование вещественного числа в целое (fisttp );
• сложные арифметические вычисления (addsubps, addsubpd, movsldup, movshdup,
  movddup );
• кодирование видео (lddqu );
• обработка графики (haddps, hsubps, haddpd, hsubpd );
• синхронизация потоков (monitor, mwait ).

Естественно, детальное рассмотрение всех новых инструкций выходит за рамки материала, эта информация приведена в соответствующем руководстве для программистов. Инструкции первых четырех категорий служат как для ускорения выполнения самих операций, так и для того, чтобы сделать их более "экономными" в смысле использования ресурсов процессора (и, следовательно, оптимизации работы Hyper-Threading и механизма спекулятивного выполнения). Программный код при этом также значительно сокращается и, что немаловажно, упрощается. Например, инструкция ускоренного преобразования вещественного числа в целое fisttp заменяет семь (!) команд традиционного кода. Даже по сравнению с инструкциями SSE2 (которые сами по себе также ускоряют выполнение кода и сокращают его объем) команды SSE3 во многих случаях дают немалую экономию. Две инструкции последней группы — monitor и mwait — позволяют приложению (точнее потоку ) сообщать процессору, что в данный момент оно не выполняет полезной работы и находится в режиме ожидания (например, записи в определенную ячейку памяти, возникновения прерывания или исключительной ситуации). Процессор при этом может переводиться в режим пониженного энергопотребления или же, при использовании Hyper-Threading, отдавать все ресурсы другому потоку. В общем, с SSE3 для программистов открываются новые возможности по оптимизации кода. Проблема здесь, как всегда в таких случаях, одна: пока новый набор инструкций не стал общепринятым стандартом, разработчикам ПО придется поддерживать две ветки кода (с SSE3 и без оной), чтобы приложения работали на всех процессорах…

Камо грядеши?..

В общем, объем новшеств, реализованных в ядре Prescott, вполне можно назвать
значительным. И хотя до "настоящего Pentium 5" он недотягивает, но к
"четырем с половиной" вполне может приблизиться. Переход от ядра Northwood
к Prescott — в принципе, эволюционный процесс, хорошо укладывающийся в общую
стратегию Intel. Постепенные изменения в архитектуре Pentium 4 хорошо видны на
схеме: архитектура модифицируется и пополняется новыми особенностями — идет последовательная
оптимизация процессора под определенный набор ПО.

Чего же можно ожидать от Prescott? Пожалуй, прежде всего (хотя это может показаться и несколько странным) — новых частот. Intel сама признает, что на равных частотах производительность Prescott и Northwood будет мало отличаться. Положительное влияние большого L2-кэша и прочих новшеств Prescott во многом "компенсируется" его значительно более длинным конвейером, который болезненно реагирует на ошибки предсказания переходов. И даже с учетом того, что блок этого самого предсказателя переходов был усовершенствован, все равно идеальным он быть не может. Главное преимущество Prescott в другом: новое ядро позволит дальше наращивать частоту — до значений, недостижимых ранее с Northwood. По планам Intel ядро Prescott рассчитано на два года, пока его не сменит следующее ядро, изготовленное по технологии 65 нм (0,065 мкм).

Поэтому выпущенный сейчас процессор на новом ядре Prescott не претендует прямо со старта на лавры чемпиона производительности и во всей красе должен проявить себя в будущем. Еще одним подтверждением тому является и позиционирование процессора: Pentium 4 на ядре Prescott рассчитан на mainstream-системы, в то время как топовым CPU был и остается Pentium 4 Extreme Edition. Кстати, хотя планка частот у процессоров Intel номинально поднялась до 3,4 GHz с выходом Prescott, но появление первых OEM-систем на базе Pentium 4 3,4 GHz на новом ядре произойдет несколько позднее в этом квартале (а ведь коммерческие поставки Prescott начаты еще в IV квартале 2003 г.).

Еще одна область, где может проявить себя Prescott (и наверняка проявит), — это работа ПО, оптимизированного под SSE3. Процесс оптимизации уже начался, и на сегодня существует как минимум пять приложений с поддержкой нового набора инструкций: MainConcept (MPEG-2/4), xMPEG, Ligos (MPEG-2/4), Real (RV9), On2 (VP5/VP6). В течение 2004 г. поддержка SSE3 должна появиться в таких пакетах, как Adobe Premiere, Pinnacle MPEG Encoder, Sony DVD Source Creator, Ulead MediaStudio и VideoStudio, всевозможные аудио- и видеокодеки и т. д. Вспоминая процесс оптимизации под SSE/SSE2, можно понять, что результаты SSE3 мы увидим, но отнюдь не сразу — опять-таки, это в определенном смысле "задел на будущее".

Ну а что же "по ту сторону линии фронта"? Главный конкурент Intel по-прежнему идет своим путем, все дальше отдаляясь от "генеральной линии". AMD продолжает наращивать "голую производительность", пока что обходясь значительно более низкими частотами. Контроллер памяти, в Athlon 64 перекочевавший из северного моста в процессор, подлил масла в огонь, обеспечив невиданную ранее скорость доступа к ОЗУ. А недавно был выпущен процессор с рейтингом 3400+ (нет, о полном соответствии продукту конкурентов по частоте никто не говорит…).

Однако Intel и AMD сейчас находятся примерно в равных ситуациях — их топовые процессоры ожидают выхода соответствующего оптимизированного ПО, чтобы проявить себя на полную мощность. Intel все больше "уходит в мультимедиа": для офисного ПО производительности Pentium 4 хватает с лихвой, и чтобы Prescott реализовал свой потенциал, нужны оптимизированные мультимедиаприложения (и/или высокие тактовые частоты, в возможности достижения которых можно не сомневаться). Стоит отметить тот факт, что переработка кодеков под SSE3 — пожалуй, не самая сложная операция, а эффект от этого сразу почувствуют все приложения, использующие такие кодеки (причем переработка самих приложений при этом совсем необязательна).

С другой стороны, в середине 2004 г. выйдет 64-разрядная версия Windows для платформы AMD64, на которой как раз и должны проявиться возможности Athlon 64. Конечно, здесь встанет обычный вопрос о наборе приложений под новую ОС, без которых система остается практически бесполезной. Но вспомним, что уже как минимум существуют те же кодеки, откомпилированные под 64-битные Athlon. Так что есть вероятность того, что в недалеком будущем и платформе AMD будет где себя показать. В общем, создается впечатление, что пока титаны просто накачивают мускулы, строят оборонительные сооружения и готовят тылы перед главным… нет, скорее, очередным сражением…