Jakimi technologiami kuszą nas producenci

W ciągu kilku ostatnich lat mieliśmy okazję obserwować diametralną zmianę strategii rozwoju procesorów do komputerów klasy PC. Przez pierwsze 25 lat, czyli w zasadzie od momentu powstania pierwszego peceta, producenci procesorów skupiali się głównie na zwiększaniu częstotliwości taktowania jednostek centralnych. Oczywiście optymalizowano także rdzenie procesorów, aby z pojedynczego MHz wycisnąć jak największą wydajność, niemniej trend rozwoju był bardzo jasny: zwiększamy taktowanie.

W pewnym momencie okazało się jednak, że nie można w prosty sposób zwiększać taktowania rdzenia procesora bez końca. Technologiczną barierą okazały się 4.0 GHz, których żaden z producentów oficjalnie jeszcze nie przekroczył - przy czym piszę tutaj o taktowaniu domyślnym, a nie o podkręcaniu. Coraz wyżej taktowane procesory sprawiały trudności konstrukcyjne, zatem projektanci musieli poszukać czegoś innego.

Rozszerzenia multimedialne

Pierwszy pomysł na zwiększenie wydajności procesorów do pecetów narodził się na długo przed osiągnięciem technologicznej bariery w taktowaniu. Jest nim rozszerzenie domyślnego zestawu instrukcji procesora z rodziny x86 kilkoma nowymi, specjalizowanymi. Dzięki specjalizacji, niektóre zadania mogły być wykonane przez doposażony procesor zdecydowanie szybciej. Tak narodził się MMX (ang. MultiMedia eXtension). Pierwszy zestaw rozszerzonych instrukcji wprowadzonych przez firmę Intel w 1996 roku.

Niestety akceptacja rynkowa owego rozwiązania była - delikatnie mówiąc - mało entuzjastyczna. Programiści wyszli bowiem z bardzo prostego założenia. Aplikacje pisane z przeznaczeniem do wykorzystania na procesorach wyposażonych w nowe instrukcje działają dobrze tylko na tych procesorach. Jako że było ich na rynku stosunkowo mało, tak napisana aplikacja miała bardzo wąski rynek zbytu. Wąski rynek zbytu na takie aplikacje przekładał się na ich niewielką ilość, a skoro mamy mało aplikacji korzystających z nowych instrukcji, to i procesory wyposażone w te instrukcje nie były do końca kupowane dla nich.

Całe szczęście pomysłodawca rozwiązania specjalnie się tym nie przejmował, tylko postanowił implementować owe rozszerzenie w każdym kolejnym procesorze, jaki debiutował na rynku. Z czasem stało się ich tak dużo, że i konkurencja postanowiła MMX-a w swoim wykonaniu implementować we własnych procesora, co ostatecznie zaowocowało efektem lawinowym. Niestety rozszerzenia jako takie nadal mają jedną wadę: specjalizacja. Procesor wyposażony w specjalne rozszerzenia zachowuje się lepiej wyłącznie w momentach, gdy owe rozszerzenia może wykorzystać. Trudno jednak w prosty sposób rozszerzyć całą funkcjonalność procesora, w końcu ostatecznie wiązałoby się to z zaprojektowaniem jednostki centralnej od nowa. Jak trudne jest to zadanie wszystkim powinna uświadomić marka Itanium.

Hyper-Threading

Kolejną, z dzisiejszej perspektywy rewolucyjną nowością wprowadzoną w procesorach, była zaprezentowana przez Intela w 2002 r. technologia Hyper-Threading. Pierwsza jej implementacja ujrzała światło dzienne wraz z rynkową premierą procesora Pentium 4 3,06 GHz. Hyper-Threading pozwala uruchomić na pojedynczym rdzeniu procesora więcej niż jedno zadanie jednocześnie. Intel słusznie założył, że procesor w praktyce trudno obciążyć w 100%, dlatego takie nieco sztuczne udostępnienie kolejnego wirtualnego procesora ma szansę w prosty sposób zwiększyć wydajność jednostki centralnej.

Po raz kolejny jednak rynek nie był gotowy na tego typu rozwiązanie. W 2002 roku rynek aplikacji będących w stanie pracować wielowątkowo praktycznie nie istniał, dlatego zysk wydajności dzięki HT można było zanotować głównie w zastosowaniach serwerowych - tam, gdzie uruchamiano wiele aplikacji jednocześnie. Ale nawet tam zysk z jego stosowania sięgał maksymalnie kilkanaście procent. Taki wzrost wydajności nie specjalnie motywował programistów do zmiany sposobu pisania swoich programów. HT na biurku był na tyle mało przydatny, ze Intel postanowił nie implementować go w następcy Pentium 4, serii procesorów Core 2. Technologia powróciła dopiero w 2008 z procesorami Core i7.

Wiele rdzeni

Pentium 4 pod wieloma względami był jednym z najmniej udanych procesorów Intela. Producent po raz pierwszy napotkał problemy ze zwiększaniem częstotliwość taktowania procesora, HT nie do końca przyjął się na biurkach, rozszerzenia multimedialne co prawda były już mocno spopularyzowane, ale nie dawały ostatecznej przewagi. Jakby tego był mało, konkurencja wprowadziła rewelacyjny jak na owe czasy procesor oparty na rdzeniu K8. Chodzi oczywiście o Athlona 64.

Konieczna była radykalna zmiana w strategii rozwoju procesorów - w ten sposób powstał Pentium D. Procesor co prawda oparty jeszcze na technologii Pentium 4, ale zawierający w sobie dwie pełne jednostki wykonawcze. Były to defacto dwa procesory w jednej obudowie. Rozwiązanie, które przy w skrajnie optymistycznym przypadku mogło zwiększyć wydajność nawet o 100%. Okazało się, że jest to strzał w dziesiątkę. Każdy następca Pentium 4 miał już dwa rdzenie. Core 2 Duo to nadal jedna z najpopularniejszych a zarazem uważana za najbardziej udaną rodzinę procesorów Intela.

Oczywiście tak wypracowany sukces należy mocno kultywować, dlatego niemal dwa lata później Intel wprowadził na rynek pierwszy procesor składający się z czterech rdzeni. Niecały miesiąc temu na rynek trafił też pierwszy procesor sześciordzeniowy. W ten sposób trend rozwoju procesorów przeznaczonych do komputerów PC został zmieniony. Pierwotnie liczono głównie MHz, dziś zaczynamy liczyć rdzenie.

64 bity

Pierwszy procesor z rodziny x86, który trafił na rynek, był 16-bitowy. Bardzo szybko okazało się jednak, że takie rozwiązanie będzie niewystarczające i od 1986 rozpoczęto migrację na 32-bity. Tak rozszerzona architektura x86 jest używana do dziś w niezliczonej ilości komputerów. Z biegiem lat okazało się jednak, że owe 32-bity nie wystarczą w nieskończoność. Rozwój komputerów osobistych przyspieszył na tyle, że poszczególne modele powoli zaczynały ocierać się o fizyczne granice tej architektury. Tym razem na ratunek przyszła firma AMD, wprowadzając jedno z najważniejszych rozszerzeń architektury x86 - dodatkowy zestaw instrukcji x86-64, później przemianowany na AMD64. Intel bardzo szybko zaimplementował rozszerzenie w swoich procesorach, pierwotnie pod nazwą EM64T, która równie szybko co w przypadku AMD została przemianowana na Intel 64. Dzięki temu obecnie mamy możliwość instalacji i użytkowania 64-bitowych systemów operacyjnych, wraz z nadal co prawda nielicznymi, ale powoli pojawiającymi się 64-bitowymi aplikacjami.

Turbo-Boost

Zmiana strategii rozwoju procesorów na implementację coraz to większej liczby rdzeni miała niestety pewien efekt uboczny. Otóż pierwsze procesory więcej niż jednordzeniowe były taktowane niższym zegarem niż ich jednordzeniowi konkurenci. Takie rozwiązanie było konieczne, aby zapewnić odpowiednio niski pobór mocy procesorów wyposażonych w dwie i więcej jednostek wykonawczych. Niemniej na rynku, który nadal dysponuje zdecydowaną większością aplikacji nieprzystosowanych specjalnie do pracy na wielu wątkach, takie rozwiązanie powoduje w niektórych przypadkach odczuwalny spadek wydajności procesora. Najszybsze jednordzeniowe Pentium 4 taktowane były zegarem 3,8 GHz, natomiast najszybszy Pentium D w chwili premiery osiągnął raptem 3,2 GHz. Ta różnica powodowała, że na teoretycznie szybszym Pentium D aplikacja jednowątkowa działała wolniej niż na najszybszym Pentium 4.

Problem ten został powielony w serii procesorów będących następcami Pentium 4. Mowa oczywiście o Core 2. W tej rodzinie nie było co prawda procesorów jednordzeniowych, ale tutaj analogia ta została przełożona na dysproporcję między procesorami dwu- i czterordzeniowymi. Pierwszy procesor z czterema jednostkami wykonawczymi osiągał taktowanie 2,4 GHz, podczas gdy dwurdzeniowy odpowiednik dawno był taktowany na poziomie 3,0 GHz. Problem ten Intel rozwiązał dopiero w następnej generacji procesorów: Core i7 serii 900, która trafiła na rynek w październiku 2008 roku.

Panaceum na ten problem okazał się bardzo prosty zabieg. Skoro procesor wielordzeniowy obsługuje w danym momencie nieprzystosowaną aplikację jednowątkową, dlaczego nie wyłączyć nieużywanych rdzeni, a niewykorzystany limit mocy układu chłodzącego spożytkować przez zwiększenie taktowania tego jednego obciążonego rdzenia? Genialne w swojej prostocie, ale bardzo przydatne rozwiązanie: procesor sam podkręca jeden ze swoich rdzeni, gdy jest na to zapotrzebowanie. Core i7 serii 900 był pionierem tego rozwiązania, ale tak naprawdę zaczęło odpowiednio wydajnie działać w Core i5 serii 600. W ten oto sposób producent poradził sobie z jedną z największych bolączek procesorów wielordzeniowych, czyli dysproporcją wydajności względem jednostek z mniejszą ilością rdzeni.