Сравнительный анализ современных процессоров фирм Amd и Intel

Итоги: AMD переходит на новый  уровень без применения новых  технологий. Это приводит к полной совместимости как 32, так и 64-разрядных  приложений. Intel же стремится показать себя лишь в 64 разрядах [14].

Архитектура

В новых процессорах были сделаны большие изменения, которые  повлекли за собой производительность и совместимость со старыми платформами.

В AMD были добавлены режимы совместимости и 64-битные адресные регистры. Они позволяют расширить  адресуемое пространство оперативной  памяти и избавиться от существующего  ограничения в 4 Гб, которое создает  ощутимые трудности при построении систем обработки информации. Для  ускорения работы с памятью используется технология NUMA, позволяющая работать напрямую с памятью, минуя системную  шину и набор микросхем. Такое  нововведение было названо HyperTransport и  появилось в первом чипсете Golem.

В Intel все намного сложнее. Из-за интенсивного пути развития, компания в корне поменяла архитектуру.

1. Режимы совместимости  со старыми платформами.

2. Уменьшение количества  ошибок, так как против них  созданы две независимых технологии. Главной является EMCA, которая позволяет  вести контроль и протоколирование  всех ошибок, возникающих во время  работы процессора. И второстепенная  технология ECC, позволяющая предварительно  обрабатывать код и вести контроль  четности.

3. Поддержка многопроцессорности.  Так как компания Intel ориентировала  свой процессор для крупных  серверов, то позаботилась и о  мультипроцессорности. Процессор был  снабжен рядом микросхем, которые  позволяют вести быстрый обмен  с памятью. Теперь для работы  с «мозгами» используются методы  чередования, буферизации и деления  модулей памяти. При этом процессор  работает с 64 гигабайтами оперативки  с пропускной способностью 4,2 Гб/сек  [6].

Совместимость

Intel создал ряд регистров  для полной совместимости старых  приложений. В итоге получается, что все 64-разрядные инструкции  выполняются как обычно, иные  же обрабатываются технологией  IA-32. Эмуляция есть эмуляция, никакой  производительности при этом  не происходит, поэтому Itanium целиком  и полностью ориентирован для  64-разрядных платформ.

В AMD все намного сложнее. Для улучшения производительности со старыми платформами были придуманы  специальные режимы.

Архитектура AMD 64 предусматривает  два главных режима работы: Long и Legacy. В первом открываются все достоинства  технологии x86-64. Для полной совместимости  над старыми приложениями существует подрежим совместимости, в котором  способны обрабатываться 32/16-разрядные  инструкции. В режиме Legacy процессор  работает по принципу обычной x86-архитектуры. Преимуществом такой системы  режимов является то, что процессор  можно эксплуатировать до выхода стабильных релизов 64-разрядных операционных систем [11]. Помимо этого существует несколько преимуществ x86-64 над IA-64:

1. Быстродействие в обработке  32-разрядных инструкций. Связано  с тем, что после перехода  в режим совместимости не происходит  никакой эмуляции, процессор обрабатывает  данные с большой скоростью.  Этого нет в Itanium, поскольку  там все инструкции выполняются  в 64 разрядах.

2. Полная совместимость  с x86-архитектурой. В Itanium подобное  реализовано не полностью.

3. Одновременная работа 16/32/64 приложений. Благодаря введению  режимов, становится возможным  обрабатывать ряд разных инструкций  одновременно. Это сказывается на  производительности и улучшает  совместимость [13].

Применение

Intel изначально поставил  перед собой задачу – выполнить  распараллеливание процессов в  одном кремниевом устройстве. Как  правило, этот процессор используют  на мощных серверах с большими  базами данных либо в банковских  системах, где нельзя ошибаться. AMD же ориентировался как нечто  среднее между 32 и 64 разрядами.  Конечно, он встречается в крупных  серверах, но также может использоваться  в обычных рабочих станциях, ибо  подстроен как под x86-64, так  и под x86-архитектуру [10].

Цена

Intel просит за свое изобретение  ни много ни мало $1200. Причем  раньше процессор стоил в три  раза дороже: около $4k. Учитывая, сколько  будет стоить материнская плата  под процессор, можно сделать  вывод – денег на сервер  придется потратить немало.

У AMD цена на Athlon 64 составляет всего $417. Остальные 64-разрядные процессоры стоят от $300 до $600, что значительно  ниже цен Intel [14].

Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron

Процессор Celeron (Приложение № 2)  является бюджетной версией  соответствующего main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или  в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них  по сравнению с соответствующими "родителями" понижена частота  системной шины. У процессоров Duron (Приложение № 4) по сравнению с Athlon (Приложение № 3) в 4 раза меньше кэш  памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и "полноценные" Athlon c FSB 200MHz. Так  же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Есть задачи, в которых между  обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых  случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении  с неурезанным процессором той  же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют  тенденцию лучше разгоняться  из-за меньшего объёма кэш памяти и  стоят при этом дешевле. Необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными Pentium 4 (Приложение № 1) - отставание в  некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров Celeron D,в  которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычных Celeron) и отставание уже не такое большое [16].

Основные недостатки процессоров  фирм AMD и Intel

Во-первых, у AXP (и Athlon 64) вместо частоты пишется рейтинг, т. е. например 2000+ процессор реально работает на частоте 1667Mhz, но по эффективности работы он соответствует Athlon (Thunderbird) 2000Mhz. Основным недостатком недавно считалась  температура. Но последние модели (на ядрах Thoroughbred, Barton и т. д.) по тепловыделению сравнимы Pentium 4, ну а самые последние, на момент написания реферата, модели от Intel (P4 Extreme Edition) греются иногда и  значительно больше. По надёжности процессоры теперь тоже не сильно уступают P4, они хоть и не могут пропускать такты при перегреве, но обзавелись встроенным термодатчиком. Athlon XP на ядре Barton обзавелись похожей функцией BusDisconnect - она "отключает" процессор от шины во время холостых тактов, но она  фактически бессильна при перегреве  от повышенной нагрузки - тут вся "ответственность" перекладывается на термоконтроль  материнской платы. "Крепкость" кристалла хоть и повысилась, но из-за уменьшенной площади ядра фактически осталась прежней. Поэтому вероятность  повреждения кристалла хоть и  стала меньше, но существует. А вот  у Athlon 64 процессорный кристалл наконец-то был спрятан под теплорассеивателем (heat spreader), поэтому его повредить  будет чрезвычайно сложно. Все  неполадки приписываемые AMD часто  являются следствием неустановленных  или неправильно установленных  универсальных драйверов для  чипсетов VIA (VIA 4 in 1 Service Pack) или драйверов  чипcетов других производителей (AMD, SIS, ALi) [8].

Работают процессоры Atholn XP и Pentium 4 в разных приложениях очень  по-разному. Например, в сложных математических вычислениях, архивации, кодировании  в MPEG4, P4 часто "обыгрывает" AXP. Но есть и ряд программ, лучше работающих с AXP. В основном это - игры. Для обычного пользователя стоит ориентироваться  именно на них, так как перекодировка  в любом случае требует много  времени, а играм, наоборот, необходимо провести все вычисления как можно  быстрее. Уже выпущены процессоры AXP Barton с 400Mhz шиной и принципиально  новые K8 [9].

Новые разработки компаний Intel и AMD

Двуядерный процессор

Классический критерий производительности в виде мегагерцев был заменён  параллелизмом, когда два ядра в  одном чипе позволяют увеличить  производительность, поделив между  собой нагрузку.

Однако многие приложения не оптимизированы и не могут получить преимущество от дву- или многоядерных окружений. Чтобы использовать несколько  процессоров, программное обеспечение  должно разбиваться на несколько  параллельных потоков. Такой подход позволяет распределить нагрузки по всем доступным вычислительным ядрам, снижая время вычислений сильнее, чем  это можно было сделать с помощью  одной тактовой частоты. Впрочем, большинство  программ сегодня не умеют использовать возможности двуядерных или многоядерных чипов.

Двуядерные процессоры, являются лучшим выбором для тех пользователей, кто желает собрать систему, максимально  защищённую по инвестициям на будущее. Но эра одноядерных процессоров  в многопроцессорных конфигурациях  ещё не закончилась. В качестве примера  можно привести цену разумного двухпроцессорного  компьютера с одноядерными процессорами с системой, оснащённой передовым  двуядерным процессором [20].

Популярные двуядерные процессоры AMD и Intel стоят около $1000 - примерно столько  стоит целый готовый компьютер. В то же время, одноядерные процессоры, работающие на такой же тактовой частоте, обойдутся всего в $300-$350.

Для нашего сравнения были взяты процессоры профессионального  уровня, а именно: AMD Opteron и Intel Xeon. AMD просит около $1100 за двуядерный Opteron 275 (2,2 ГГц), в то время как пара одноядерных Opteron 248 обойдётся всего в $700.

Если посмотреть на Intel, то здесь ситуация аналогична. Двуядерный Xeon на 2,8 ГГц стоит около $1100, а  два сравнимых 2,8-ГГц одноядерных Xeon обойдутся примерно в $550. Два 3,2-ГГц Xeon стоят около $700 [17].

Платформы AMD

(Приложение № 5)

В этом исследовании использовались комплектующие среднего класса стоимости. Ориентир был взят на чипсет nVidia nForce4 Professional. Цена двухпроцессорных материнских  плат для Socket 940 подразумевает, что каждый процессор оснащается выделенной памятью. Выбирались самые доступные модули памяти от популярных производителей, которые можно было установить в  наши материнские платы (4x 512 Мбайт  для двухпроцессорной конфигурации против 2x 1 Гбайт для двуядерных конфигураций с одним CPU).

Платформа Intel

(Приложение № 6)

У Intel, популярные двуядерные чипы приводят к суммарной цене, существенно превышающей одноядерные  двухпроцессорные машины [1].

Технологии создания процессора со сдвоенным ядром

Сегодня существует три возможных  способа создавать двуядерные чипы. Первый заключается в создании тесно  связанных двух ядер на едином кристалле. Второй способ - сочетать два обычных  ядра на едином кристалле. Третий вариант - разместить два ядра на разных кристаллах в одной упаковке. Первый подход тесно связанных ядер позволяет  разработчикам связать между  собой отдельные блоки процессора, что потенциально даёт возможность  увеличения производительности, в то время как два других решения  менее дорогие в разработке и  производстве.

Последний вариант, является самым дешёвым способом вступления в двуядерную эру, поскольку он позволяет  получить максимально высокий уровень  выхода годных кристаллов. При этом каждое ядро можно протестировать и  отсеять по тем или иным дефектам.

У размещения двух, в целом, независимых ядер в одну упаковку есть существенный недостаток. Каждый раз, когда одно ядро пожелает получить данные, с которыми работает второе ядро, необходим доступ к системной  шине. Несложно представить, что на шину в данном случае ляжет двойная  нагрузка. И это характерно не только для 65-нм чипов Presler со сдвоенным ядром, но и для 90-нм двуядерных Smithfield, у  которых два ядра находятся на едином кристалле. С другой стороны, дизайн с общим кэшем приводит к проблеме распределения кэша между  двумя ядрами.

Intel анонсировала появление  общего кэша L2 только в новой  микро-архитектуре, которая появится  во второй половине 2006 года: процессоры Woodcrest для серверов, Conroe для настольных  ПК и Merom для мобильных компьютеров.  Вероятно, AMD пойдёт на такой же  шаг с выпуском процессоров  для Socket M2: Windsor (двуядерный) и Orleans Athlon 64 (версия Revision F) [2].

Сравнение процессоров AMD Athlon 64 и Pentium 4 Extreme Edition

Athlon 64 (Приложение № 7)

Пока у AMD появились такие  процессоры:

   * две версии для  настольных применений – это  Athlon 64 3200+ с тактовой частотой 2000 МГц, одноканальным контроллером  памяти DDR400 и разъемом Socket 754 и Athlon 64 FX-51 с тактовой частотой 2200 МГц,  разъемом Socket 940 и двухканальным  контроллером регистровой памяти DDR400.

   * и две версии  мобильных Athlon 64 – модели 3200+ и  3000+, которые из-за высокого тепловыделения (в районе 80 ватт) смогут применяться  лишь в ноутбуках класса "замена  десктопа" [19].

По сути, вычислительное ядро процессоров AMD Athlon 64 – это лишь немного  измененное ядро прежних Athlon XP.

Однако эти изменения  вместе позволяют значительно улучшить производительность. Основные принципиальные особенности новой микроархитектуры AMD64:

   * Поддержка 64-битной  адресации памяти и 64-битные  регистры общего назначения при  полной совместимости с 32-битными  приложениями;

   * Возросшая до 1 Мбайта  эксклюзивная кэш-память второго  уровня (L2);

   * Вдвое (с 64 до 128 бит) увеличенная ширина шины  кэш-памяти L2;

   * Возросло число  ступеней вычислительных конвейеров;

   * Поддержка инструкций SSE2;

   * Улучшенная схема  предсказания переходов;

   * Интегрированный  в процессор контроллер DDR-памяти;

   * Высокоскоростная  шина Hyper-Transport, при помощи которой  процессор соединяется с чипсетом;

   * Защитная металлическая  теплорассеивающая крышка;

   * Встроенная электронная  схема для защиты кристалла  от перегрева.

Наиболее важными факторами  улучшения производительности новых  процессоров AMD даже на прежних 32-разрядных  приложениях являются возросший  объем кэш-памяти, большая скорость работы с кэш-памятью L2 и встроенный контроллер двухканальной DDR-памяти [2].

Intel Pentium 4 Extreme Edition

(Приложение № 8)

Помимо технологии Hyper-Threading, системной шины 800 МГц и тактовой частоты 3,2 ГГц, его основной особенностью является кэш-память третьего уровня объемом 2 Мбайт, расположенная на самом кристалле  и работающая на частоте ядра процессора. Она сосуществует с обычным "нортвудовским" кэшем L2 512 кбайт, но кэш у Пентиумов  инклюзивный, поэтому суммарный  объем для кэширования данных из системной памяти будет не 2,5 Мбайт, а только 2 Мбайт. А кэш L2, имеющий  скорость, большую, чем у L3, будет  в этом случае кэшировать данные из кэш-памяти L3, а не из системной памяти.