Миф о мегагерце

Миф о мегагерцах или, в более поздних случаях , миф о гигагерцах относится к неправильному представлению об использовании только тактовой частоты (например, измеряемой в мегагерцах или гигагерцах) для сравнения производительности различных микропроцессоров . Хотя тактовые частоты являются допустимым способом сравнения производительности различных скоростей одной и той же модели и типа процессора, другие факторы, такие как количество исполнительных блоков , глубина конвейера , иерархия кэша , предсказание ветвей и наборы команд , могут сильно повлиять на производительность. при рассмотрении разных процессоров. Например, одному процессору может потребоваться два такта для сложения двух чисел и еще один такт для умножения на третье число, тогда как другой процессор может выполнить те же вычисления за два такта. Сравнение процессоров разных типов затруднено, поскольку производительность варьируется в зависимости от типа задачи. Тестирование — это более тщательный способ измерения и сравнения производительности компьютера .

Миф зародился примерно в 1984 году, когда сравнивали Apple II с IBM PC . Аргументом было то, что компьютер IBM был в пять раз быстрее, чем Apple II, поскольку его процессор Intel 8088 имел тактовую частоту примерно в 4,7 раза больше тактовой частоты технологии MOS Technology 6502, используемой в последнем. Однако на самом деле важно не то, насколько четко разделены инструкции машины, а то, сколько времени требуется для выполнения данной задачи. Рассмотрим команду LDA # (немедленная загрузка аккумулятора). На 6502 эта инструкция требует двух тактовых циклов или 2 мкс при частоте 1 МГц. Хотя тактовый цикл 8088 с частотой 4,77 МГц короче, LDA# требует как минимум ^[1] Их 4, поэтому требуется 4/4,77 МГц = 0,84 мкс как минимум. Таким образом, в лучшем случае эта инструкция на оригинальном IBM PC выполняется лишь немногим более чем в 2 раза быстрее, чем на Apple II.

История

Фон

Архитектура x86 CISC на базе ЦП , которую Intel представила в 1978 году, использовалась в качестве стандарта для DOS на базе IBM PC , и ее разработки до сих пор продолжают доминировать на рынке Microsoft Windows . Архитектура на базе IBM RISC использовалась для процессора PowerPC , выпущенного в 1992 году. В 1994 году Apple Computer представила компьютеры Macintosh, использующие эти процессоры PowerPC. Первоначально эта архитектура оправдала надежды на производительность, и были разработаны различные линейки процессоров PowerPC, часто обеспечивающие разную производительность при одной и той же тактовой частоте. Точно так же в то время Intel 80486 продавался вместе с Pentium , который обеспечивал почти вдвое большую производительность, чем 80486 при той же тактовой частоте. ^[2]

Возрождение мифа

Миф возник потому, что тактовая частота обычно воспринималась как простая мера производительности процессора и пропагандировалась в рекламе и энтузиастами без учета других факторов. Этот термин стал использоваться в контексте сравнения компьютеров Apple Macintosh на базе PowerPC с ПК на базе Intel. Маркетинг, основанный на мифе, привел к тому, что тактовой частоте стал уделяться более высокий приоритет, чем фактическая производительность, и привел к тому, что AMD представила номера моделей, дающие условную тактовую частоту, основанную на сравнительной производительности, чтобы преодолеть предполагаемый недостаток их фактической тактовой частоты. ^[3]

Современные адаптации мифа

С появлением многопоточности и многоядерных процессоров этот миф породил еще больше заблуждений относительно измерения производительности многоядерных процессоров. Некоторые люди без соответствующих знаний полагают, что четырехъядерный процессор, работающий на частоте 3 ГГц, обеспечит общую производительность процессора на уровне 12 ГГц. Другие могут сказать, что общая производительность на самом деле составляет 3 ГГц, при этом каждое ядро работает на частоте 750 МГц. Обе эти идеи неверны. Часто один и тот же пользователь, проводящий эти сравнения, сравнивает процессоры разных марок, которые в любом случае не будут выполнять одинаковый объем работы за цикл. Хотя характеристики микроархитектуры, такие как глубина конвейера, играют ту же роль в производительности, при проектировании параллельной обработки учитываются и другие факторы, такие как эффективность программного обеспечения.

Это правда, что плохо написанная программа будет плохо работать даже на одноядерном процессоре. ^[4] системе, но даже хорошо написанная программа, разработанная линейным образом, часто (если не всегда) будет работать лучше в одноядерной системе, чем в многоядерной, если запускать ее отдельно. Не все программы используют все доступные ядра, не все задачи могут или должны быть разделены на несколько ядер, кроме того, использование нескольких ядер может привести к дополнительной сложности в программе, поэтому многопоточность обычно применяется только тогда, когда преимущества от этого очевидны. Об общей производительности системы нельзя судить, просто сравнивая количество процессорных ядер и тактовую частоту. Программное обеспечение, работающее в системе, также является основным фактором наблюдаемой скорости. Миф о важности тактовой частоты сбил с толку многих людей относительно того, как они оценивают скорость компьютерной системы.

Вызовы мифу

Сравнение PowerPC и Pentium стало основной темой презентаций Apple. в Нью-Йорке На выставке Macworld Expo 18 июля 2001 года Стив Джобс в своем « Stevenote » описал PowerPC G4 с частотой 867 МГц , который выполнил задачу за 45 секунд, в то время как Pentium 4 с частотой 1,7 ГГц выполнил ту же задачу за 82 секунды, заявив, что « имя, которое мы ему дали, — это миф о мегагерцах». ^[5] Затем он представил старшего вице-президента по аппаратному обеспечению Джона Рубинштейна , который провел учебное пособие, описывающее, как более короткие конвейеры обеспечивают лучшую производительность при вдвое меньшей тактовой частоте. Онлайн-мультфильм «Радость техники» впоследствии представил серию мультфильмов, вдохновленных учебником Рубинштейна. ^[6]

Ограничения скорости процессора

Примерно с 1995 по 2005 год Intel рекламировала свои основные процессоры Pentium в первую очередь на основе только тактовой частоты по сравнению с конкурирующими продуктами AMD. В статьях в прессе предсказывалось, что в ближайшие несколько десятилетий компьютерные процессоры смогут работать на частоте от 10 до 20 гигагерц.

Так продолжалось примерно до 2005 года, когда Pentium Extreme Edition достиг предела тепловыделения при работе на частоте почти 4 гигагерца. Процессор не мог бы работать быстрее, не требуя сложных изменений в конструкции охлаждения, таких как каналы микрофлюидного охлаждения, встроенные в сам чип для быстрого отвода тепла.

За этим последовало появление процессора Core 2 для настольных ПК в 2006 году, который стал серьезным отличием от предыдущих процессоров Intel для настольных ПК и позволил почти на 50% снизить тактовую частоту процессора при сохранении той же производительности.

Core 2 зародился в мобильном процессоре Pentium M , где энергоэффективность была важнее чистой мощности, и изначально предлагал варианты энергосбережения, недоступные в Pentium 4 и Pentium D.

Более высокие частоты

В последующие годы после упадка микроархитектуры NetBurst и ее процессоров с частотой 3+ ГГц тактовая частота микропроцессоров продолжала медленно увеличиваться после первоначального падения примерно на 1 ГГц. Несколько лет прогресса в производственных процессах и управлении питанием (в частности, возможности устанавливать тактовую частоту для каждого ядра) позволили добиться тактовой частоты такой же или даже выше, чем у старых NetBurst Pentium 4 и Pentium D, но с гораздо более высокой эффективностью и производительностью. . По состоянию на 2018 год многие микропроцессоры Intel способны превышать базовую тактовую частоту 4 ГГц (например, Intel Core i7-7700K и i3-7350K имеют базовую тактовую частоту 4,20 ГГц).

В 2011 году AMD впервые смогла преодолеть барьер 4 ГГц для микропроцессоров x86 , выпустив первые Bulldozer на базе процессоры AMD FX . В июне 2013 года AMD выпустила FX-9590, который может развивать скорость до 5,0 ГГц, но аналогичные проблемы с энергопотреблением и тепловыделением вернулись.

Ни Intel, ни AMD не создали первый в отрасли микропроцессор, преодолевший барьеры 4 ГГц и 5 ГГц. IBM z10 достиг 4,4 ГГц в 2008 году, IBM z196 последовал z12 достиг 5,2 ГГц в 2010 году, а осенью 2012 года , достигший 5,5 ГГц.

См. также

Ссылки

^ 8088 имеет слабосвязанный исполнительный блок (EU) и блок интерфейса шины (BIU) с очередью предварительной выборки; в 8088 для выполнения инструкции MOV AL,#, аналогичной по функциям инструкции LDA # в 6502, EU требуется 4 такта, а BIU - 8 тактов. (Это 2-байтовая инструкция, и BIU требуется 4 такта для чтения или записи 1 байта, при условии отсутствия состояний ожидания.) Следовательно, если инструкция уже находится в очереди предварительной выборки, для ее выполнения потребуется 4 такта; если инструкция не была предварительно выбрана, она занимает 8 тактов; и если BIU находится в процессе предварительной выборки инструкции, когда EU начинает ее выполнять, это занимает от 5 до 7 тактов. Напротив, процессор 6502, имеющий гораздо более простой конвейер выборки-выполнения, всегда требует одинаковое количество тактов для выполнения заданной инструкции в любом контексте.
^ «Анализ: x86 против PPC» . Проверено 18 сентября 2008 г.
^ Тони Смит (28 февраля 2002 г.). «Миф о мегагерцах: Технология» . Хранитель . Проверено 18 сентября 2008 г.
^ «одноядерный» . Архивировано из оригинала 5 августа 2009 г. Проверено 4 сентября 2017 г.
^ «Видеопрезентация «Мифа о мегагерце»» . Ютуб . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г.
^ Нитрозак и Снагги (11 октября 2001 г.). «Миф о мегагерце» . Радость технологий . Проверено 21 ноября 2011 г.

Внешние ссылки

Анализ: x86 против PPC – OSNews.com
Intel «откажется» от ядра Pentium 4 после новостной статьи Прескотта 2004 года

[1] 8088 имеет слабосвязанный исполнительный блок (EU) и блок интерфейса шины (BIU) с очередью предварительной выборки; в 8088 для выполнения инструкции MOV AL,#, аналогичной по функциям инструкции LDA # в 6502, EU требуется 4 такта, а BIU - 8 тактов. (Это 2-байтовая инструкция, и BIU требуется 4 такта для чтения или записи 1 байта, при условии отсутствия состояний ожидания.) Следовательно, если инструкция уже находится в очереди предварительной выборки, для ее выполнения потребуется 4 такта; если инструкция не была предварительно выбрана, она занимает 8 тактов; и если BIU находится в процессе предварительной выборки инструкции, когда EU начинает ее выполнять, это занимает от 5 до 7 тактов. Напротив, процессор 6502, имеющий гораздо более простой конвейер выборки-выполнения, всегда требует одинаковое количество тактов для выполнения заданной инструкции в любом контексте.

[x86VsPPC-2] «Анализ: x86 против PPC» . Проверено 18 сентября 2008 г.

[Guardian-3] Тони Смит (28 февраля 2002 г.). «Миф о мегагерцах: Технология» . Хранитель . Проверено 18 сентября 2008 г.

[4] «одноядерный» . Архивировано из оригинала 5 августа 2009 г. Проверено 4 сентября 2017 г.

[A_Video_of_the_presentation_on_Megahertz_Myth-5] «Видеопрезентация «Мифа о мегагерце»» . Ютуб . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г.

[Joy-6] Нитрозак и Снагги (11 октября 2001 г.). «Миф о мегагерце» . Радость технологий . Проверено 21 ноября 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]