STUDIUL EVOLUŢIEI PROCESOARELOR

Prof. Farkas Ana Maria

Colegiul Tehnic de Transporturi Braşov

1. Primele procesoare

Apariţia procesoarelor desktop începe în 1993, odatã cu apariţia primului Pentium.

Primul model disponibil rula la o frecvenţă de 60 MHz, avea 3,3 milioane de tranzistori şi era capabil de a efectua pînă la 100 de milioane de operaţii pe secundă (Million Instructions Per Second - MIPS).

Odată ce tehnologia folosită în primul Pentium a devenit depăşită, pe piaţă a fost lansat Pentium II. Pornind de la 233 MHz, a fost construit pentru a ajunge la maximum 450 MHz. Aproximativ în acelaşi timp şi-a fãcut apariţia şi primul procesor Celeron. Acesta era identic cu Pentium II, cu singurele diferenţe că avea un cache mai mic şi o frecvenţă scăzută a FSB-ului. În timp ce Pentium II folosea FSB la 100 MHz, iar Celeron-ul putea lucra la doar 66 MHz.

Nu după mult timp, Pentium III a venit să înlocuiască Pentium II, primul model rulînd la 450 Mhz, ajungînd mai tîrziu să fie primul procesor care a depăşit bariera celor 1000 de MHz. Intel a continuat linia Celeron bazat pe nucleu PIII, însă cu caracteristici voit reduse. Cel mai popular procesor Intel se numeşte Pentium 4, fiind principala armă Intel în lupta actuală pentru supremaţie.

Primul nucleu de Pentium 4, cunoscut şi sub numele de Willamette, a fost folosit în procesoarele cu frecvenţe de lucru între 1,3 şi 2 GHz, folosind un FSB la 400 MHz. Cel de-al doilea nucleu, Northwood, a adus un cache crescut la 512 kB şi FSB la 533 MHz, apoi 800 MHz, alături de trecerea la tehnologia de 0,13 microni. Nucleul Prescott are 1 MB cache L2 şi FSB de 800 Mhz.Cel mai nou membru al familiei Pentium 4 rulează la 3,6 GHz şi are Hyper-Threading.

Folosită iniţial de procesoarele Xeon, tehnologia Hyper-Threading permite unui procesor P4 să fie văzut de către sistemul de operare şi aplicaţii ca o combinaţie de două procesoare, dar performanţa nici nu se aproprie de cea a unui sistem cu două procesoare, deoarece procesoarele logice impart resursele cu cel real. Există aplicaţii adaptate pentru un system multiprocesor, care vor rula mai bine pe un sistem cu processor cu HT.

Sporul de performanţă este de maxim 30%, existînd situaţii în care HT-ul încetineşte sistemul. Pentru HT aveţi nevoie de o placă de bază şi un sistem de operare optimizat pentru această tehnologie.. Vârful de gamă al lui INTEL este Pentium 4, cu 3,4 GHz EE (nucleu Gallatin), cu 2MB cache L3 (lucru nou introdus), fiind alături de cel de 3,2 Ghz singurele care pot face concurenţă serioasă la performanţe procesoarelor Athlon64 FX.

Chiar dacă AMD se află pe piaţã de o perioadă însemnată de timp, popularitatea procesoarelor sale a cunoscut o creştere substanţială abia după apariţia procesoarelor Athlon, în trecut mai fiind şi procesoarele K5,K6,K6-II şi K6 III. Astfel, cam în acelaşi moment în care Intel oferea Pentium III la 600 MHz, AMD lansa pe piaţă primul Athlon. Adevărata competiţie între Intel şi AMD s–a înteţit odată cu apariţia procesoarelor din familia Duron. Ca şi Celeronul, Duron reprezenta soluţia pentru piaţa procesoarelor ieftine, fiind dotat cu mai puţin cache decît fratele mai mare Athlon (păstrând tradiţia, aceste procesoare aveau numele de cod K7).

Răspunsul AMD faţă de Pentium 4 s-a numit Athlon XP (eXtreme Performance). Nucleul Palomino a fost utilizat pînă la frecvenţe de 1733 MHz (Athlon XP 2100+), după această frecvenţă fiind introdus nucleul Thoroughbred în tehnologie de 0,13 microni. Începînd cu procesoarele 2600+, frecvenţa de lucru a magistralei a fost crescută la 333 MHz. Ultimul nucleu AMD XP, Barton, aduce cîteva îmbunătăţiri minimale nucleului XP Thoroughbred. Pornind de la 1,83 GHz, Barton foloseşte aceiaşi tehnologie pe 0,13 microni, dar duce nivelul memoriei cache la 512 kB.

Diferenţa principală faţă de clasicul Athlon constă în faptul cã linia XP nu mai foloseşte clasificarea convenţională. Apoi, AMD a venit cu o replică şi mai serioasă pe măsură ce frecvenţa, cache-ul şi FSB-ul lui Pentium 4 a crescut, numită Athlon64 (şi astfel seria procesoarelor K8).

Acesta este singurul procesor din lume care poate lucra simultan şi cu instrucţiuni pe 64 de biţi, dar şi cu instrucţiuni pe 32 de biţi. De asemenea, este şi singurul procesor x86 pe 64 de biţi. Acesta a avut iniţial FSB-ul de 800 MHz şi 512KB cache L2 (nucleu Clawhammer), dar a ajuns acum la FSB de 1600 MHz şi 1 MB cache.

Ultimele noutaţi sunt procesoarele Sempron, venite să înlocuiască Duron-ul, avînd FSB de 333 MHz şi 256KB cache L2, şi procesoarele Athlon64 FX, avînd aceleaşi caracteristici ca şi Athlon64, dar un nucleu mult mai performant, fiind ajutat şi de avantajele socket-ului 939, cu chipset-urile superioare oferite de nVIDIA în special pentru acest socket. Aceste procesoare au ajuns imediat după lansare în topul celor mai bune din lume.

Procesoarele AMD au încorporată tehnologia 3DNow, ajunsă la varianta professional, care permite procesorului sa lucreze direct cu placa video şi chiar sa-i preia din sarcini, oferind performanţă superioară în aplicaţii 3D. O altă tehnologie importantă este Hypertransport, care permite un protocol de legătură între CPU şi periferice, şi între mai multe procesoare în cazul sistemelor multiprocesor.

2. Structura procesoarelor INTEL şi AMD

INTEL

1. Tehnologia Hyperpipelined. Având un pipeline în 20 de trepte, Pentium 4 lucrează foarte bine operaţiile secvenţiale, precum cele din domeniul multimedia.

2. Motorul de execuţie rapidă poate executa instrucţiunile într-o jumătate de ciclu de ceas, dublînd efectiv frecvenţa nucleului şi reducînd latenţa.

3. Magistrala de sistem de 533 MHz. Pipeline-ul mai rapid asigurat de Northwood permite o rată de transfer de 4,2 GB pe secundă.

4. Execution trace cache (cache de urmărire a execuţiei). Un sistem de caching eficient stochează micro-operaţiunile decodate în ordinea executării de către program, ceea ce duce la o utilizare mai eficace a memoriei cache, reducînd totodată latenţa.

5. Advanced dinamic execution (execuţia dinamică avansată) procesează datele mai eficient alegînd dintr-un număr de 126 de instrucţiuni aflate în buffer-ul de execuţie şi prezicînd mai precis evoluţia programului.

6. Advanced transfer cache (cache de transfer avansat-în locul cache-ului de nivel 1 normal) optimizează transferul de date către nucleul procesorului.

7. Enhanced floating-point and multimedia unit (unitate îmbunătăţită pentru calculele în virgulă mobilă şi multimedia) accelerează sarcinile care solicită intensiv procesorul, cum ar fi codarea audio şi video, prelucrarea imaginilor şi streaming-ul video. Această unitate cuprinde extensiile MMX, SSE şi SSE2.

8. Hyperthreading. Adăugarea acestor buffere pentru cache şi a altor componente constituie nucleul tehnologiei hyperthreading a lui Pentium 4.

AMD

1. Tehnologia superpipelined superscalar QuantiSpeed în zece trepte. Pipeline-ul mai scurt al Athlon-ului XP este mai adecvat pentru procesare unor operaţii disparate, precum cele caracteristice pentru aplicaţiile Microsoft Office, acolo unde datele mai ramificate provoacă “împrospătarea” mai deasă a pipeline-urilor mai lungi. Cu cât este mai scurt pipeline-ul, cu atît performanţele sunt mai ridicate.

2. Advanced dynamic branch prediction. Cipurile din zilele noastre execută procesele într-o ordine incorectă. Predictorul ramificat ajută procesorul să vadă mai bine în viitor, evitînd astfel efectuarea unor procese caracterizate de o mare probabilitate de a fi anulate şi eliminate, sporind astfel eficienţa.

3.Magistrala de sistem de 333 MHz. nucleul Thoroughbred B reprezintă un pas înainte faţă de predecesorii săi, avînd o rată de transfer cu memoria de 2,7GB/s. Precedentul, la un FSB de 266 MHz, avea o rat de transfer de 2.1GB/s.

4. Cache de nivel 1 şi 2. Thoroughbred B are un cache de nivel 1 de 128 k şi un cache de nivel 2 de 256 k. Barton prezintă un cache de nivel 2 de 512 k.

5.Unitatea de execuţie în virgulă mobilă. După ce Microsoft a oferit suport şi pentru instrucţiunile 3DNow Professional şi SSE, operaţiile multimedia sunt mai eficiente.

3. Dezvoltarea procesoarelor şi diferenta dintre INTEL si AMD

Avînd în vedere performanţa procesorului, s-a creat falsa impresie procesorul cu cel mai mare număr de megahertzi este şi cel mai performant. Acest lucru este greşit (un exemplu concret ar fi faptul ca cel mai performant procesor din lume de la ora actuală rulează la 2400 MHz, el fiind AMD Athlon64 FX 53, chiar dacă există şi procesoare care rulează la 3600 MHz, INTEL Pentium 4 Prescott), deoarece trebuie să ţinem cont de mai multe lucruri când vorbim de performanţă:

- Frecvenţă (care se măsoară in megahertzi sau gigahertzi) şi numărul de instrucţiuni pe ciclul de tact, care înmulţite între ele dau un prim factor de performanţă, astfel explicându-se cum un procesor de 1833 de MHz de la AMD (Athlon XP Barton 2500+) poate echivala cu unul de 2500 de Mhz de la INTEL (Pentium 4 Northwood 2,5 GHz)-deoarece Athlon XP realizează mai multe instrucţiuni pe ciclul de tact;

- FSB (Front Side Bus), care cu cât este mai mare, cu atât este mai bine (s-a ajuns şi la valori de 1600 MHz ale FSB-ului, pe procesoarele Athlon64 de la AMD, iar cei de la INTEL vor lansa în curând procesoare cu FSB de 1066 MHz), şi este recomandat ca frecvenţa FSB-ului să fie egală cu cea a RAM-ului pentru performanţe optime;

- Memoria cache, aceasta fiind o memorie tampon foarte rapidă ataşată procesorului (un fel de RAM al procesorului, făcându-l sa nu mai depindă de RAM-ul sistemului, ea servind la stocarea datelor utilizate frecvent de procesor, cu o importanţă deosebită în aplicaţiile care solicită la maxim procesorul). Există trei tipuri de memorie cache:Level 1 (L1), Level 2 (L2) şi Level 3 (L3).

Frecvenţa de funcţionare a unui procesor este dată de produsul dintre FSB şi factorul de multiplicare al acestuia (multiplier). De exemplu, frecvenţa unui procesor de 1400 de MHz rezultă din frecvenţa magistralei principale de date (FSB) de 133 MHz (ea în realitate fiind 266 Mhz, deoarece este de tip DDR Double data rate), inmulţită cu un factor de multiplicare de 10,5x.

Să nu uităm de modelul (Ex: Athlon XP, Pentium 4) şi nucleul (Ex: Barton pentru Athlon XP, Prescott pentru Pentium 4) procesorului când vorbim de performanţă (de exemplu, dacă ar exista un Pentium 1 la 5 GHz, acesta ar fi inferior multor procesoare de ultimă generaţie care ar rula şi la viteze de 3 ori mai mici, poate şi mai mult ). Modelul şi nucleul desemnează arhitectura procesorului.

Pentru a scoate puterea maximă de calcul din procesorul de care dispunem, trebuie să avem o configuraţie echilibrată (de exemplu, degeaba punem un procesor de 3 GHz pe un sistem cu 128 MB de RAM, pentru că va rezulta o creştere de performanţă de doar câteva procente faţă de un procesor de 1,5 GHz ).

De exemplu, un procesor Pentium 4 Prescott la 3,4 Ghz este construit in procesul tehologic de 0,09 microni şi are 125 de milioane de tranzistori, pe când un AMD Sempron 2200+ este construit in procesul tehologic de 0,13 microni şi are 37,5 milioane de tranzistori. Procesoarele sunt construite pe baza siliciului, iar în curând mărimea tranzistorilor se va apropia de distanţa dintre atomii de siliciu şi va trebui să se treacă la un alt material semiconductor, care va trebui “inventat”, deoarece siliciul este cel mai bun momentan disponibil. INTEL deja a investit sume importante de bani pentru dezvoltarea unui nou material semiconductor mai bun ca siliciul.

In funcţie de procesorul ales, pentru a fi compatibil cu placa de bază, trebuie să cumpărăm o placa de bază cu socket-ul folosit de procesor. Socket-ul reprezintă porţiunea de pe placa de bază în care se “înfige” procesorul. Un anumit tip de procesor foloseşte un anumit număr de pini, care fac legătura dintre procesor şi placa de bază, dând şi numele socket-ului (Ex: Socket-ul 478 are 478 de găuri în care se vor înfige cei 478 de pini de pe procesor). Astfel, alegerea unei placi de bază incompatibile ne va pune în situatia în care nu avem unde să montăm procesorul pentru că el nu încape în Socket.

INTEL a înlocuit de curând socket-ul cu LGA (land grid array), mai precis LGA 775. Acest lucru se referă la faptul că pinii nu mai sunt pe procesor, ci pe placa de bază, în acelaşi timp ei fiind şi şerpuiţi, procesoarele având doar contacte. Serpuirea pinilor este un dezavantaj deoarece, conform celor de la INTEL, procesorul poate fi înlocuit de maxim 20 de ori până să avem probleme cu pinii.

Referindu-ne la temperature procesoarelor, putem spune ca fiecare procesor are o temperatură maximă pe care o suportă (unele procesoare, cum ar fi Athlon XP, conţin un sensor de temperatură încorporat care le face să se oprească la atingerea temperaturii maxime de 90 de grade în cazul acestui model), şi că este bine să avem un cooler cât mai puternic pe procesor, deoarece cu cât stă mai rece, cu atât durata sa de viaţă este mai mare.

AMD foloseşte de ceva timp, mai exact de la lansarea procesorului Athlon XP, un sistem de rating. Astfel, conform AMD, un procesor Athlon XP 2500+ (care rulează la 1.83 GHz) este cel puţin egal cu un Pentium 4 de 2,5 Ghz. Acest lucru a fost benefic pentru cei de la AMD, deoarece a reuşit să dezvăluie cumpărătorilor adevărata performanţă a procesoarelor sale.

4. Principiile de baza la cumpararea procesorului

Este recomandată cumpararea unui procesor cît mai puternic. O listă cu specificatiile tehnice este (frecvenţa de funcţionare pentru procesoarele Athlon XP, factorii de multiplicare, tensiunea de alimentare, etc).

Pentru cei care au un buget generos este recomandată cumpararea unui procesor Pentium 4 cu nucleu din generaţia Northwood şi cu viteza de peste 2000 MHz (2 GHz). Cei care au un buget mai restrins pot cumpara un procesor Athlon XP (2000+sau mai bun) cu nucleu Thoroughbred B sau Barton sau un procesor Celeron cu viteza de 2Ghz (sau mai mult). În funcţie de buget pot fi cumparate procesoare Pentium 4 cu viteze mai mici de 2 GHz, Athlon XP cu viteze mai mici de 1667 MHz sau Celeron cu viteze mai mici de 2 GHz dar acest lucru nu este recomandat daca dorim sa avem un calculator pe care sa-l folosim pentru aplicatii intensive şi in urmatorii 2 ani de la cumparare. În sfirşit, cei care folosesc calculatorul pentru aplicaţii care nu necesită multă putere de calcul au cel mai bun raport performanţa-preţ dacă aleg un procesor Duron, Celeron (sub 2 GHz) sau eventual VIA C3.

Răcitorul (Coolerul)

Procesoarele moderne se incalzesc foarte mult atunci cînd funcţionează, iar temperatura lor trebuie menţinuta sub o anumită limită pentru a asigura o funcţionare optimă. Pentru aceasta peste procesor se fixeaza un răcitor ("cooler") compus dintr-un rădiator pe care se afla fixat un ventilator.Radiatorul este format dintr-un postament care se compară cu o structură lamelară şi este construit de obicei din aluminiu dar poate avea şi parţi din cupru, care este un mai bun conductor de caldură. Postamentul vine în contact cu suprafata procesorului, de la care preia caldură degajată de acesta şi o risipeşte cu ajutorul structurii lamelare in mediul inconjurător. Acest tip de racire se numeste racire pasiva.

Ventilatorul asigura transferul aerului încalzit care se afla în apropierea suprafeţei radiatorului, permiţind astfel schimbul mai eficient de căldura între radiator şi mediul înconjurător. Acest tip de răcire se numeşte răcire activa. Ventilatorul este de obicei acoperit cu un mic grilaj metalic al carui rol este de a împiedica contactul dintre palele ventilatorului şi cablurile care traversează spaţiul interior al carcasei calculatorului.

Procurarea unui răcitor (cooler)

Există multe tipuri de răcitoare însă este recomandată cumpararea unuia care sa fie eficient şi în acelasi timp care sa nu aibă un ventilator foarte zgomotos.

La cumpararea răcitorului trebuie să ţinem cont de faptul că racitoarele pentru procesoare Pentium sau Celeron sînt diferite de cele pentru procesoare Athlon sau Duron. Este recomandată cumpararea unui răcitor care are o pastila de cupru în locul în care radiatorul vine în contact cu procesorul.

Cum am menţionat şi mai sus procurarea procesorului depinde mult de bugetul personal. Cei mai mari producători de procesoare, AMD şi INTEL au oferta împărţită pe trei sectoare:

1. Procesoare HIGH-END (cele mai puternice)-pentru cei care doresc performanţă maximă în toate aplicaţiile (în special editare 3D profesională) şi care doresc să joace jocurile de ultimă generaţie la maxim, dar care nu se uită la bani. Aici sunt incluse procesoarele Athlon64 FX (socket 939 şi 940) de la AMD şi Pentium 4 EE (socket 478 şi LGA 775).

2. Procesoare MID-RANGE (medii)-pentru cei care folosesc calculatorul pentru jocuri de ultimă generaţie şi pentru aplicaţii comune (Internet, editare audiovideo etc.). Aici sunt incluse procesoarele Athlon XP (socket 462), Athlon64 (socket 754) şi Pentium 4 (socket 478 şi LGA 775).

3. Procesoare LOW-END (performanţe destul de scăzute şi mai ieftine)-pentru cei care folosesc calculatorul în special pentru aplicaţii mai puţin intensive, dar şi pentru jocuri de ultimă generaţie, cu sacrificii la setările de calitate. Aici sunt incluse procesoarele Duron (socket 462 sau A), Sempron (socket 462 sau A şi socket 754) de la AMD şi Celeron (socket 478 şi LGA 775) de la INTEL.

Bibliografie:

Vari Ştefan „Microprocesoare şi microcalculatoare” , Editura Universitaţii din Oradea, Oradea, 2002.

Walnum Clayton „Utilizare calculator personal” Editura Teora, Bucureşti, 1996

Vasile Lungu, Programarea în limbaj de asamblare - Editura Teora, Bucureşti, 2001

Courter Gini „Ghidul dumneavoastră în lumea calculatoarelor”, Editura All, Bucureşti 2007