Procesory od początków po PIV i Athlona XP

WSTĘP

Procesory spowodowały prawdziwą rewolucję technologiczną. Dzięki nim - ich olbrzymiej mocy obliczeniowej połączonej z niewielkimi kosztami produkcji - coś co kiedyś wymagało lat badań dziś tworzone jest w minuty, sekundy, a zaawansowana technologia stała się ogólnie dostępna, i co za tym idzie, łatwiejsza do przyswojenia i zastosowania. Procesory stały się prawdziwym perpetuum mobile naszej cywilizacji - pozwalają budować urządzenia przyśpieszające wszelkie prace naukowe i badawcze, dzięki którym z kolei możliwe jest m.in. opracowywanie coraz to wydajniejszych procesorów ...

Choć są już właściwie wszędzie, od telefonu po systemy stacji kosmicznych, ich historia jest nierozerwalnie związana z komputerami osobistymi - urządzeniami gdzie najpełniej prezentują swoje możliwości i gdzie ich moc jest na co dzień najbardziej "namacalna".

Co to jest w ogóle procesor?

Procesor - układ scalony będący podstawową częścią komputera. Wykonuje on elementarne instrukcje programów takie jak np. podstawowe instrukcje matematyczne czy kopiowania danych. Procesory mogą się od siebie znacznie różnić, między innymi architekturą (RISC albo CISC), ilością przetwarzanych jednocześnie bitów (najmniejsza możliwa jednostka informacji) albo częstotliwością taktowania (częstotliwość, z jaką działa procesor. Oznacza to ilość cykli wykonywanych przez procesor w ciągu 1 sekundy. Do najważniejszych producentów procesorów należą Intel, AMD, Cyrix albo Motorola.

HISTORIA PROCESORÓW

Kiedy w 1968 roku trzech inżynierów odeszło z kalifornijskiej firmy Fairchild Semiconductor i wraz z kolegą założyli Intel Corporation, nikt nie przypuszczał, że wkrótce wywołają oni prawdziwą rewolucję technologiczną. Tym bardziej, że początkowo chcieli tylko produkować i sprzedawać pamięci półprzewodnikowe. Jednak "business is business" - zamówienia kontrahentów były inne, co doprowadziło do opracowania i (w 1971 roku) wprowadzenia na rynek zestawu mikrokomputerowego 4004 - pierwszego na świecie mikroprocesora.

Zasadę działania mikroprocesora Intel opatentował jeszcze w 1969 roku, w ramach projektu zakładającego stworzenie zestawu układów scalonych dla rodziny programowalnych kalkulatorów japońskiej firmy Busicom. Gdy 4-bitowy układ 4004 ujrzał wreszcie światło dzienne był mniejszy od paznokcia (12 mm2), składał się z 2 300 tranzystorów i pracował z szybkością 108 kHz, a jego moc obliczeniowa (60 tys. operacji na sekundę) dorównywała pierwszemu - zbudowanemu w 1946 r. - komputerowi elektronicznemu (właściwie: lampowemu) ENIAC , który zajmował całą olbrzymią halę.

Intel - czując chyba "przez skórę" wagę własnego wynalazku - zdecydował się na odkupienie od japończyków za 60 tys dolarów praw do 4004, które wcześniej nieopatrznie im sprzedał. Najważniejszymi cechami mikroprocesora nie były bowiem tylko jego wielkość czy ilość tranzystorów, ale olbrzymia moc obliczeniowa, niezwykle niskie koszty produkcji i przede wszystkim możliwość dowolnego zastosowania. Zastępując olbrzymie konstrukcje mechaniczno-elektroniczne wykonywane "na miarę" (w zależności od zadań jakie miały spełniać) układy mikroprocesorowe kosztowały kilkaset (4004 w chwili wejścia na rynek kosztował 200 USD), a nie kilkanaście tysięcy dolarów i mogły obdarzyć "inteligencją" właściwie każde urządzenie. Intel docenił potęgę programowalnego krzemowego mikroprocesora i związał z nim swą przyszłość.

Pierwsze zastosowania układu 4004 były bardzo różnorodne: od kalkulatorów, sterowania światłami na skrzyżowaniach i pracą analizatorów składu krwi, aż po sterowanie sondą kosmiczną Pioneer 10 (która notabene wciąż działa :)

Wynalazek Intela poruszył rynek - chwilę po 4004 zaczęły powstawać mikroprocesory innych firm (Texas Instruments, Rockwell, Motorola) znajdujące zastosowanie w przeróżnych urządzeniach elektronicznych. Intel nie spoczął jednak na laurach, opracowując w kolejnych latach następne układy i doprowadzając za ich sprawą do zbudowania pierwszych komputerów osobistych.

W niecały rok po wyprodukowaniu układu 4004 (1972) Intel wprowadza jego następcę - 8-bitowy procesor 8008 . Został on wykorzystany do budowy pierwszych komputerów domowych, składanych samodzielnie przez elektroników hobbystów, mi. in. urządzeń noszących nazwę Mark-8 , które jednak (ze względu na bardzo ograniczoną funkcjonalność i brak zastosowań) przeszły prawie bez echa.

W 1974 roku powstaje nieco inna odmiana 8008 - mikroprocesor 8080 potrafiący adresować 64 KB pamięci i wykonujący aż 75 rozkazów. Układ posiadał już 6 000 tranzystorów i pracował z zawrotną częstotliwością 2 MHz. Rok później układ ten zostaje wykorzystany jako "mózg" komputera osobistego Altair 8800.

Jeszcze w pierwszej połowie lat 70-tych na rynku pojawiają się mikroprocesory innych firm wykorzystywane, podobnie jak układy Intela, do produkcji przeróżnych urządzeń: od sprzętu powszechnego użytku po komputery "domowe" i zastosowania profesjonalne. Wśród nich wymienić należy kości Motorola 6800.

Tymczasem główni animatorzy rynku mikroprocesorów nie zasypiają gruszek w popiele i konstruują pierwsze układy określane mianem 16-bitowych: Texas Instruments TMS 9900 (1976), AMD 2901 czy National Semiconductor IMP-16 , a w 1978 roku Intel wypuszcza pierwszy całkowicie 16-bitowy procesor - 8086 - zbudowany z 29 000 tranzystorów i pracujący z szybkością 4,77 MHz (później nawet 8 i 10 MHz). Mógł on już adresować całe 1 MB pamięci (640 kB operacyjnej plus pamięć stała i porty). Jego przerobioną wersję, wewnętrznie szesnasto-, ale zewnętrznie już tylko ośmiobitową, nazwano 8088 .

Rok później powstają kolejne 16-bitowe mikroprocesory: Motorola 68000 (nazwa od ilości tranzystorów - procesor wewnętrznie 32-bitowy, zewnętrznie 16- lub nawet w niektórych odmianach 8-bitowy) i Zilog Z-8000 , a w 1980 Intel tworzy pierwszy 32-bitowy (!) procesor iAPX 432 - około 3-krotnie wolniejszy od 8086, w zamian znacznie bardziej stabilny. W 1979 AMD konstruuje układ AMD 9511 , który można określić mianem pierwszego koprocesora.

Choć 8-bitowe mikroprocesory rozruszały cały przemysł pozwalając na miniaturyzację zaawansowanych urządzeń elektronicznych, przyspieszenie wielu prac i znaczne zwiększenie możliwości przeróżnych maszyn, to ciągle były na tyle słabe i niewydajne, że komputery budowane z ich wykorzystaniem, choć były "ucieszne" i fascynujące, służyły właściwie tylko do zabawy. Nie było też mowy ani o masowości - sprzedaż serii komputerów liczyło się w setkach, no może tysiącach sztuk - ani o dostępności - komputer należało złożyć i oprogramować samodzielnie, co było sztuką daną tylko nielicznym.

Prawdziwą zmianę przyniosły dopiero procesory 16-bitowe, takie jak Intel 8086 czy Motorola 68000 - wydajne i pozwalające w znacznie większym stopniu wykorzystać możliwości komputera. Stworzone z ich wykorzystaniem maszyny stały się pierwszymi pełnokrwistymi komputerami osobistymi. W 1982 roku Intel opracowuje następcę 8086 (jak się później okaże przełomowy układ) - procesor 80286.

Był to pierwszy mikroprocesor Intela, na którym można było uruchamiać wszystkie programy napisane dla jego poprzedników, czyli kompatybilny wstecz. Zbudowany ze 134 tysięcy tranzystorów mógł pracować z szybkościami 6, 8, 10 i 12,5 MHz, dysponował wewnętrznym systemem zarządzania pamięcią i był kilkakrotnie wydajniejszy od innych 16-bitowych procesorów dostępnych ówcześnie na rynku.

W 1984 roku do odbiorców na całym świecie trafiają maszyny IBM PC AT, wyposażone już w 16-bitowe procesory Intel 80286, są one w prosty sposób "udamowiane", dostosowywane do specyficznych potrzeb i potrafią wymieniać dane pomiędzy sobą, modelami wcześniejszymi i ... klonami. Szacuje się, że w ciągu 6 lat od wprowadzenia układu Intel 286 na całym świecie zbudowano 15 milionów komputerów osobistych wykorzystujących same tylko oryginalne Intele.

IBM udostępniając publicznie specyfikację nie przewidział tego, że ktokolwiek może go zdetronizować, wyprzedzić. A jednak. Kiedy tylko w 1985 Intel udostępnił swój kolejny mikroprocesor - i386 (32-bitowy, wielozadaniowy układ, pracujący początkowo z częstotliwością 16 MHz) - pierwszą firmą, która masowo sprzedawała komputery wyposażone w ten procesor był nie IBM, a niewielki jeszcze wówczas Compaq (model DeskPro 386). Sprawdziła się tu zasada - kto pierwszy ten lepszy - i choć IBM oczywiście także skonstruował swoje 386-ki, to już nie był najlepszy, a Compaq wykorzystując zwłokę giganta zyskał popularność i prestiż. Intel 386, warto wspomnieć, że był on oferowany w dwóch diametralnie różnych odmianach: DX (Double-word eXternal) - z 32-bitową magistralą zewnętrzną oraz nieco później SX (Single-word eXternal) - z zaledwie 16-bitową szyną zewnętrzną. Nie należy tych oznaczeń mylić z identycznymi, ale o całkowicie innym znaczeniu skrótami stosowanymi do układów Intel 486. Na bazie architektury 80386 Intel opracował też pierwszy procesor specjalnie dedykowany do komputerów przenośnych - model 386SL . Wraz z rozwojem technologii, napędzanej m.in. przez coraz wydajniejsze procesory, pecety stawały się coraz tańsze i dostępniejsze. Zagościły na stałe nie tylko w domach, ale przede wszystkim we wszelkiego rodzaju instytucjach, biurach i przedsiębiorstwach. Wśród nich prym wiodły dwie architektury: intelowska i macowa (procesory Motorola), ta druga, coraz bardziej zmierzająca w kierunku zastosowań graficznych i DTP. Pierwsza umacniała swoją pozycję dzięki powszechnej dostępności i niskiej cenie.

Do końca lat 80-tych powstaje także wiele nowych rozwiązań w dziedzinie mikroprocesorów. Największe zmiany zachodzą na rynku zastosowań w pełni profesjonalnych: światło dzienne oglądają komercyjne układy typu RISC (AMD 29000, HP PA-RISC czy MIPS R2000, Intel 80860), a Sun Microsystems publikuje specyfikację procesorów SPARC (także bazującą na architekturze RISC). Udoskonaleniom poddawane są także "pecetowe" układy firm Zilog i Motorola, obrastając szczególnie w setki nowych tranzystorów i oferując większą wydajność. Intel, od daty wprowadzenia układu 386, każe czekać na nowy procesor aż pięć lat. Kiedy wreszcie w 1989 roku świat ujrzał model i486DX znowu okazuje się on być produktem przełomowym.

486DX zbudowano z wykorzystaniem niebagatelnej liczby tranzystorów - 1,2 miliona. Były w pełni 32-bitowe zarówno wewnętrznie jak i wewnętrznie. Początkowo 486-ki oferowały częstotliwość zegara mniejszą niż ich poprzednicy - zaledwie 25 MHz. Były to jednak pierwsze układy z wbudowanym koprocesorem, co znacznie przyśpieszało obliczenia, szczególnie w przypadku operacji graficznych (dotychczas wszystkie produkty Intela i ich klony były tak konstruowane, że koprocesor był osobną jednostką, montowaną na płycie głównej w oddzielnym gnieździe). Zaprezentowana 2 lata później ekonomiczna odmiana i486SX była koprocesora pozbawiona, lecz (pomimo analogii w nazwie do układów 386 SX) zachowała zewnętrzną 32-bitowość.

Wprowadzenie generacji procesorów 486 praktycznie oznaczało dla pecetów przejście od ery komputerów sterowanych z wiersza poleceń (DOS) do obsługi typu "wskaż i kliknij" (Windows). Stanowiło to poważne zagrożenie dla dotychczas bezkonkurencyjnych w tym względzie komputerów ze stajni Apple. Zagrożenie tym większe, że tańsze, dostępniejsze i już w skali światowej znacznie popularniejsze.

Kolejne procesory z rodziny 486 - DX2 i DX4 oferowały też większą (podwójną i czterokrotną) szybkość pracy zegara, dochodzącą nawet do 100 MHz. Nic więc dziwnego, że Apple zawiązuje kooperację z Motorolą i IBM mającą na celu stworzenie procesora wydajniejszego niż produkty Intela i jednocześnie biorącego co najlepsze z architektury x86. Bazując głównie na rozwiązaniach procesorów Motorola 68000 i IBM POWER (typu RISC) w 1993 roku koalicja ta upowszechnia pierwszy z procesorów serii PowerPC (601 znany jako G1).

Potrafił on między innymi emulować procesory typu x86 (choć wypadał tu znacznie słabiej pod względem wydajności niż intelowskie odpowiedniki). Kolejne generacje PowerPC (G2, G3, G4) pozwalają komputerom MacIntosh przez kilka lat nawiązać równorzędną walkę z rywalami, górując nad nimi przede wszystkim wydajnością.

Na rynku przybywa jednak mikroprocesorów kompatybilnych z rozwiązaniami Intela. Są one najczęściej nieco opóźnione w czasie do "oryginału", oferują za to możliwości budowania pecetów jeszcze taniej. Często także przynoszą świeże pomysły i usprawnienia czasem "kulawych" rozwiązań Intela (więcej pamięci cache, mniejsze zużycie energii). Królują tu dwie firmy: AMD i Cyrix proponujące własne pomysły na architekturę pecetową.

W tyle nie zostają także mniej znani producenci procesorów, nawet takie firmy jak choćby UMC . Ich produkty wzbudzają jednak wiele kontrowersji, na przykład: nie zawsze pełną kompatybilnością z intelowskimi odpowiednikami.

W 1993 roku Intel wprowadza na rynek (sprzedając wciąż układy 486) mikroprocesory kolejnej generacji – Pentium - małe procesory superskalarne, zdolne do wykonywania dwóch instrukcji jednocześnie (jeden z dwóch wewnętrznych układów wyposażony był koprocesor zmiennoprzecinkowy).

Pentium dysponuje mocą obliczeniową pięciokrotnie przekraczającą wydajność procesora i486. Zawiera 3.1 mln tranzystorów i osiąga szybkość około 1500 razy większą niż 4004. Dwa lata później światło dzienne oglądają pierwsze produkty Intela dedykowane specjalnie do serwerów i stacji roboczych - Pentium Pro . W tym samym, 1995 roku, okazuje się, że w Pentium ma usterkę, prowadzącą do błędnych operacji zmiennoprzecinkowych. Firma wymienia i niszczy ponad 1,5 miliona procesorów!

Na tym nie koniec - konkurenci Intela na rynku zastosowań domowych i biurowych, zaczynają oferować procesory już nie tylko zgodne z jego architekturą, ale często je przewyższające. W 1994 roku niewielki NexGen prezentuje procesor Nx586 z wewnętrzną architekturą typu RISC i konwersją kodu na x86.

AMD prezentuje procesor AMD K5 (1996). Kiedy w 1996 Intel poszerza rodzinę Pentium o mikroprocesory z technologią MMX (dodatkowy zestaw poleceń multimedialnych) odpowiedź konkurencji jest już prawie natychmiastowa - AMD wprowadza układ K6 , a Cyrix MII - oba w pełni kompatybilne z Pentium.

Sił "drugoplanowym" producentom dodają udane fuzje i zakupy. AMD jeszcze w 1996 roku przejmuje NexGen, zyskując "udomowioną" technologię RISC. Rok później National Semiconductor kupuje Cyrixa, wzbogacając te układy o własny bagaż doświadczeń. Intel także nie próżnuje - kupuje firmę Chips & Technologies . Oferująca od 1995 roku niskobudżetowe procesory typu x86 ( WinChip ) firma Centaur zostaje w 1999 roku przejęta (wraz z Cyrixem od NS) przez tajwańską VIA Technologies . Wszystkie te działania prowadzą do szybszego rozwoju technologii i zawężenia konkurencji. Pod koniec lat 90-tych na rynku komputerów "domowych" pozostają właściwie trzej liczący się gracze: Intel, AMD i Apple (PowerPC).

Aby nie ominąć bardzo ważnego etapu rozwoju mikroprocesorów trzeba jednak cofnąć się nieco w czasie - do roku 1996, kiedy to Intel doposażył układy Pentium w dodatkowy zestaw instrukcji MMX , usprawniających przetwarzanie grafiki i dźwięku. Jest ona już standardowo implementowana do każdego następnego produktu tej firmy. Aby nie zostać w tyle inni producenci idą w ślady Intela wprowadzając z czasem własne odmiany tej technologii. W 1998 AMD ogłasza procesor K6-2 z zestawem instrukcji 3D Now!

W 1997 roku kolejny z procesorów Intela - Pentium II - zawiera już 7,5 miliona tranzystorów, pracuje z częstotliwością nawet do 450 MHz, jest bardzo wydajny lecz przy okazji bardzo drogi.

Aby więc dotrzeć z nowoczesną technologią do jak największego kręgu odbiorców Intel decyduje się na "podzielenie" rodziny procesorów na dwie grupy. Pozostawiając najważniejsze funkcje (w tym właśnie przydatną w grach i domowych zastosowaniach multimedialnych MMX), obcinając za to pamięć podręczną tworzy w 1998 roku Pentium II dla uboższych - procesor Celeron . Taki podział zostaje zachowany do dziś.

Tymczasem porównywalne cenowo, a wydajniejsze układy AMD z technologią 3D Now! ( K6-III ) zaczynają stanowić coraz poważniejszą konkurencję. Tym bardziej, że AMD gwałtownie przyśpiesza i gdy w 1999 roku na rynku pojawiają się układy Intel Pentium III i nastepne modele Celeronów dochodzi do precedensu - następcy AMD K6, procesory AMD Athlon , na chwilę wyprzedzają Intela oferując wyższą prędkość pracy zegara.

Rok później także i AMD decyduje się na podział własnych produktów ze względu na odbiorców - tym uboższym zaoferowany zostaje procesor Duron , składający się z 25 mln tranzystorów i pracujący z szybkością nawet do 700 MHz (Celerony w 2000 roku zawierały około 20 mln tranzystorów i pracowały z szybkością 766 MHz). Rywalizacja pomiędzy firmami nabiera rumieńców. AMD już wcześniej (od platformy K6-2 100 MHz) odważnie zdecydował się na istotną zmianę architektury - zwiększającą wydajność i dającą nowe możliwości. Nie jest już ona kompatybilna, a wręcz konkurencyjna dla układów Intela. Do mikroprocesorów obu firm muszą powstawać niezależne konstrukcje płyt głównych i projekty chipsetów. 6 marca 2000 roku AMD (przyśpieszając o kilka miesięcy zapowiedzianą wcześniej premierę) za sprawą procesora Athlon (K75, slotA) jako pierwszy przekracza barierę 1000 MHz - Intel i jego Pentium III spóźniają się o 2 dni! Rok póżniej do 1-gigahercowych układów w segmencie niskobudżetowym dołącza także zbudowany na jądrze Morgan układ AMD Duron. Intelowskie Celerony do końca 2001 roku nie przekroczyły 1 GHz.

Kiedy jednak AMD doganiało Intela w MHz-owej walce ten nie próżnował. Jeszcze pod koniec 2000 roku jego nowa propozycja - procesor Pentium 4 , przeznaczony dla najbardziej wymagających zastosowań - oferowała już pracę nawet z zegarem taktowanym 1,5 GHz.

Tym samym, przynajmniej w częstotliwości taktowania zegara, Pentium 4 odebrał palmę pierwszeństwa AMD. P4 zbudowany był z 42 mln tranzystorów w technologii 0,18 mikrometra. Podobne możliwości konkurent zaproponował dopiero rok później wprowadzając rodzinę procesorów AthlonXP. W sierpniu 2001 Intel zmienił technologię produkcji na 0,13 mikrometra, co pozwoliło znowu zwiększyć częstotliwość pracy zegara do 2 i ponad 2 GHz. Dostępne już także procesory AMD Athlon XP+ oferują co prawda niższą częstotliwość (nie przekraczającą 2 GHz), jednak prawie porównywalną wydajność.

Znalazło to odzwierciedlenie w nazewnictwie układów XP+, gdzie np. liczba 1800 oznacza nie częstotliwość taktowania (ta wynosi 1533 MHz), ale właśnie wydajność mierzoną w porównaniu do starszych modeli Athlon (Thunderbird) - plotka głosi, że jest to współczynnik PR-Rating porównujący wydajność AthlonówXP i procesorów Intela.

Zajęci sobą rywale dopuszczają do rynku procesorów ekonomicznych kolejnego gracza. VIA Technologies , zajmująca się dotychczas głównie projektowaniem i produkcją chipsetów, rozpoczyna (po zakupieniu technologii Cyrixa i Centaura) produkować własne procesory, które wypełniają "osierocony" segment najprostszych zastosowań domowych i biurowych. Układy VIA z rodziny C3 nie stanowią jeszcze bezpośredniej konkurencji do produktów Intela czy AMD, są jednak coraz mocniejsze (obecnie sięgając granicy 1000 MHz) i wszechstronniejsze.

Charakteryzują się niewielkim poborem mocy i łatwością integracji z różnymi urządzeniami. Czy wyrosną z biegiem czasu na silną konkurencję czy może znikną z przyczyn ekonomicznych (może kolejne "wykupienie" technologii?) czas pokaże. Póki co oferują już przetwarzanie multimediów i wydajność miejscami zbliżoną do układów Intel Celeron i AMD Duron.

BUDOWA PROCESORA

P rocesor (Central Procesing Unit) jest najważniejszym elementem komputera. Istnieje wiele różnych typów procesorów, ale prym wiodą produkty kompatybilne z rodziną x86 pochodzące od firm Intel, AMD i ostatnio VIA. Wykonuje on wszelkiego rodzaju obliczenia, jakie występują w systemie. Choć dzisiejsze procesory posiadają bardzo złożoną architekturę to jednak można wyróżnić kilka najważniejszych bloków, są nimi: jednostka arytmetyczno logiczna (ALU), układ sterowania i bloki rejestrów. ALU odpowiedzialna jest za wykonywanie obliczeń, których wyniki pośrednie i końcowe przechowywane są w rejestrach. Wszystkim tym zarządza jednostka sterująca, która pobiera rozkazy z pamięci dekoduje je i wykonuje.

Ogólny schemat procesora

Procesor składa się z:

• zespołu rejestrów do przechowywania danych i wyników;
• jednostki arytmetycznej (arytmometr) do wykonywania prostych operacji na danych;
• układu sterującego przebiegiem obliczeń;
• rejestru rozkazów, czyli operacji podstawowych.

Wnętrze procesora:

Prędkość operacji procesora jest mierzona w ich ilości na sekundę i podawana w MHz. Od tej wartość zależy moc naszego procesora. Nie jest to jednak jedyny wyznacznik sprawność i choć dzisiejsze procesory przeznaczone dla PC- tów są bardzo zbliżone, jeżeli chodzi obudowę wewnętrzną to jednak producenci stosują różne rozwiązania techniczne i te widoczne gołym okiem i te głęboko ukryte w strukturze układu. Dzisiejsze procesory wykonywane są w technologii 0,25 i 0,18 mikrometra, czyli tyle wynosi szerokość ścieżek łączących poszczególne elementy (na jednym milimetrze zmieściłoby się ich ponad 5500!!), a liczba tych drugich sięga milionów na pojedynczej płytce krzemu. Stosowane są także jednostki zmienno-przecinkowe (nawet kilka takich układów), które są wyspecjalizowane w obliczeniach dokonywanych na liczbach zmiennoprzecinkowych. Od wydajności tych układów zależy prędkość przetwarzania danych w grach i programach wspomagających projektowanie. Procesor komunikuje się z otoczeniem poprzez magistralę systemową z częstotliwością zależną od jego typu np. 66, 100, 133 MHz. Jest to wartość kilkakrotnie niższa niż częstotliwość pracy samego procesora, co powodowałoby oczekiwanie przez niego na dane i rozkazy przesyłane z pamięci systemowej. Należy dodać, że współczesne procesory posiadają jądro superskalarne typu RISC (zredukowana liczba rozkazów), które umożliwia pracę potokową tzn. nim zakończy się procedura obsługi jednego rozkazu rozpoczyna się już przetwarzanie następnego (do 20). Wszystko to powoduje, że procesor przetwarza ogromne ilości danych. Aby skrócić czas oczekiwania wyposażono je w pamięć podręczną (L1, L2) pracującą z częstotliwości procesora. Stanowi ona swego rodzaju bufor tzn. dane są do niej ładowane nim procesor się o nie upomni. Oczywiście sprawa jest dużo bardziej skomplikowana, bo stosowane są różnego rodzaju układy prognozowania tego, jakie dane procesor będzie potrzebował. 

Przykład skomplikowanej budowy wewnętrznej

Obudowy zewnętrzne procesora:

Z ewnętrzne różnice w budowie procesorów – to oczywiście rodzaj obudowy i typ złącza. Tak zwany Slot 1 przeznaczony jest dla procesorów firmy Intel tj. Pentium II/III i pierwszych Celeronów, późniejsze modele pracują na złączu Socket 370. Stosując odpowiednią przejściówkę można procesor ze złączem Socket zainstalować w gnieździe Slot. Konkurencyjna firma AMD stosuje dla jednostek K6-2/3 gniazdo Socket 7, a najnowszy Athlon złącze typu Slot A. Różnorodność gniazd powoduje to, że stosowane są niezamiennie dedykowane dla danego procesora płyty główne. Dlatego zakup danego procesora determinuje architekturę płyty głównej i późniejszą możliwość rozbudowy.Poniżej na zdjęciach przedstawiono różne typy obudów procesorów.

Różne typy obudów procesorów:

FC - PGA	PGA
PPGA	SEC
SECC	SECC 2
SEEP	MOBILE
PGA - 478	FC – PGA 2

Chłodzenie procesora:

Mimo iż napięcia zasilania procesorów są niskie (oscylują wokół 1,5V), moc wydzielana przez układ jest znaczna np. Pentium ok. 15W, a Athlon przy poborze prądu rzędu 27A wydziela ponad 30W. I choć struktury półprzewodnikowe wytrzymują ok. 150 stopni to jednak wzrost temperatury ponad zalecaną przez producenta może powodować zawieszanie się systemu, a nawet uszkodzenie procesora.. Dlatego bardzo ważną sprawą jest chłodzenie. Czasami stosowane wentylatory nie wystarczają, należ zadbać o to, aby styk procesor-radiator wykazywał niską oporność termiczna. Pomagają w tym specjalne pasty silikonowe, którymi smarujemy powierzchnię styku. Jest to szczególnie ważne w przypadku podkręcania procesora i w tym wypadku należy bezwzględnie monitorować temperaturę układu.

PORÓWNANIE PROCESORA PENTIUM IV A ATHLON XP:

Testując te procesory o zbliżonych osiągach bardzo łatwo zauważyć, iż w niektórych benchmarkach zdecydowanie lepiej zachowuje się układ AMD, a w innych bezkonkurencyjny okazuje się Intel. Różnice te spowodowane są przede wszystkim odmienną architekturą oraz zupełnie innymi możliwościami każdego z układów.

Pentium 4 oraz AMD Athlon obok siebie

Różnica architektur:

AMD i Intel różnie podchodzą do problemu wydajności. Athlon to przede wszystkim szybka jednostka zmiennoprzecinkowa, sprawdzona i znana architektura, wykorzystanie pamięci DDR SDRAM oraz mnogość chipsetów na rynku. Pentium 4 wydaje się być procesorem zaprojektowanym zarówno na dziś jak i na najbliższą przyszłość. Został wykonany w najnowszej technologii 0,13 um. Wydajna magistrala, zastosowanie instrukcji optymalizujących prace, platforma socket 478 oraz do niedawna praktycznie brak chipsetów konkurencyjnych firm.

Wracając jednak do Athlona, należy dokładniej przyjrzeć się jego wysokiej wydajności. Zadowalające wyniki w testach są rezultatem niezwykle zaawansowanej hiperskalarnej architektury x86, posiadającej trzy równoległe potoki wykonawcze, dla trzech jednostek wykonawczych. Wszystko to współpracuje z układem nie kolejnego wykonywania instrukcji. Ponadto, obecnie na rynku są dostępne dwie odmiany tych procesorów. AMD Athlon oraz AthlonXP to dwa różne układy. Pierwszy, o nazwie kodowej Thunderbird wykonany jest w technologii 0,18 um i powoli zostaje wycofywany ze sprzedaży - zastępuje go nowy, wykonany w tej samej technologii 0,18 um AthlonXP z rdzeniem Palomino.

Ten ostatni różni się od swojego poprzednika kilkoma zasadniczymi cechami. Najważniejszą jest zastosowanie nowych instrukcji SIMD (Single Instruction, Multiple Data), w skład których wchodzą intelowskie SEE. Druga to implementacja nowej jednostki pobierania wyprzedzającego (Data Prefetch). Trzecia polega na zastosowaniu większego bufora TLB (Translation Lookaside Buffer). Czwartą cechą jest zastosowanie diody termicznej mającej chronić procesor przed spaleniem podczas awarii chłodzenia. Jednak to co łączy obydwa procesory to ta sama platforma - socket 462.

Athlon posiada 133 MHz-owe magistrale DDR (faktycznie 266 MHz) o przepustowości 2.1 GB/s. Pamięć cache jest podzielona na dwie części: L1 (pierwszego poziomu) o pojemności 64 kB dla danych i tyle samo dla instrukcji oraz L2 - 256 kB. Magistrala wewnątrz procesora odpowiadająca za komunikację pomiędzy wewnętrzną pamięcią a rdzeniem ma szerokość 64 bitów, a pracuje z szybkością zegara.

Najbliższa przyszłość Athlona to przede wszystkim zmiana procesu technologicznego na 0,13 um i kolejny rdzeń o nazwie Thoroughbred (czystej krwi). Pozwoli to na uzyskanie dużo wyższych częstotliwości taktowania, zmniejszy ilość emitowanego ciepła oraz pobieraną moc.

Konkurencyjny Pentium 4 jest nieco inaczej zaprojektowany. Główną różnicą jest obsługa szybkich pamięci RDRAM komunikujących się za pomocą 100 MHz-owej magistrali QDR (faktycznie 400 MHz) o przepustowości 3.2 GB/s. Cache L1 o pojemności 8 kB dla instrukcji i tyle samo dla danych jest połączony z rdzeniem procesora za pomocą 256 bitowej magistrali pracującej z szybkością jądra. Pamięć podręczna drugiego poziomu ma pojemność 256 kB (w rdzeniu Northwood - 512 kB) - taką samą jak Athlon. Dość ciekawym mechanizmem jest układ ze śledzeniem instrukcji, a także jednostka wykonawcza Rapid Execution Engine. Wszystko jest wspomagane przez długą listę instrukcji SIMD (Single Instruction, Multiple Data), w skład których wchodzi SSE2. Wydajne działanie tych mechanizmów wymaga jednak, w przeciwieństwie do Athlona, zoptymalizowania oprogramowania.

Najszybszy procesor Intela występuje w dwóch odmianach. Pierwsza to układ wykonany w technologii 0,18 um na rdzeniu Wilamette, występujący na rynku w odmianach od 1.3 GHz do 2.0 GHz. Nowy Pentium 4 wykonany jest natomiast w technologii 0.13 um i posiada rdzeń o nazwie Northwood. Obecnie występuje w wersjach od 2 GHz wzwyż i będzie stanowił w najbliższej przyszłości podstawę do dalszego podnoszenia częstotliwości taktowania. Zasadniczą różnicą pomiędzy dwiema odmianami Pentium 4 jest o połowę większa pamięć cache L2, która w nowym układzie wynosi 512 kB.

W niedalekiej przyszłości Intel zaprezentuje dużo wydajniejsze procesory wyposażone w rdzeń Northwood, technologia 0,13 um pozwala na uzyskanie szybkości dochodzących nawet do 10 GHz, wątpliwe jest jednak aby tak szybki procesor ukazał się jeszcze w tym czy następnym roku i z tą architekturą. Jednak o potencjale CPU niech świadczą wyniki uzyskane dzięki overlockerom. Procesor pracujący z szybkością nominalną 2.2 GHz bez przeszkód stabilnie działał z zegarem 3 GHz, problem stanowi jedynie wodne chłodzenie układu.

Wewnętrzna architektura Athlona

Wewnętrzna architektura Pentium 4

Dostępność platform:

Każdy, kto chciałby zakupić jeden z najszybszych układów na rynku musi brać pod uwagę dostępność płyt głównych obsługujących konkretny procesor. Za samą płytą główna kryją się obsługiwane przez nią pamięci. W przypadku Athlona nie ma to praktycznie znaczenia, ponieważ w większości obecnie produkowanych chipsetów (VIA KT266A, KT333 SiS735, nVidia nForce420 czy AMD760) można zastosować jedynie pamięci DDR. Układy te są dwukrotnie szybsze od swoich poprzedników (SDRAM), a cena ich produkcji jest zaledwie o kilka procent wyższa.

Pentium 4 został tak zaprojektowany, aby korzystać z szybkiej pamięci RDRAM (chipset i850), która jest jednak nadal sporo droższa. Dlatego Intel przedstawił układ i845 obsługujący dziś już zbyt wolną ale tanią pamięć SDRAM. Najbardziej logicznym wydaje się wobec tego zastosowanie pod procesory Intela obsługi pamięci DDR.

Taką możliwość daje nowy i bardzo udany chipset Tajwańskiej firmy SiS - SiS645 - jednak na razie jest niewielki wybór płyt głównych z tym układem. Alternatywą mógłby być także chipset VIA P4X266 obsługujący DDR jednak nie będzie on powszechnie dostępny na rynku przynajmniej do czasu zakończenia procesu sodowego pomiędzy VIA Technologies a Intelem o licencję na magistralę do Pentium 4. Jedyna firma, która przedstawiła nową płytę z tym układem - Tajwański Epox - bardzo szybko została podobnie jak VIA pozwana do sądu przez Intela.

Jednak testy jakie przeprowadzono dowiodły, iż aby w pełni wykorzystać możliwości architektury Pentium 4 nie jest konieczne stosowanie pamięci RDRAM - zastosowanie szybkich pamięci DDR pozwoliło na obniżenie ceny całego systemu praktycznie bez strat wydajności. Na szczególną uwagę zasługuję wspomniany już SiS645, który obsługuje nowe pamięci PC2700 DDR SDRAM o przepustowości 2.7 GB/s (wobec 3.2 GB/s w przypadku RDRAM). Przy różnicy około 25% układy DDR SDRAM mają zdecydowanie lepszy czas dostępu do danych, co sprawia iż okazują się nawet wydajniejsze w zastosowaniach nie wymagających ciągłego transferu.

Marketing:

AMD, produkując procesory o niższych częstotliwościach zegara, zmuszony został do wprowadzenia, wraz z AthlonemXP, nowego sposobu na oznaczanie swoich układów. Nie lubiany kiedyś wskaźnik PR-rating, czyli porównywanie wydajności z procesorami Intela, znów fałszuje rzeczywistą wartość zegara układu (oficjalnie AMD twierdzi, iż jest to wskaźnik związany z architekturą QuantiSpeed i oznaczający wyższość wydajności procesorów AthlonXP nad starszymi Athlonami). I tak, na przykład AthlonXP 1900+ posiada zegar pracujący z częstotliwością 1600 MHz, a nie jak wskazywało by oznaczenie - 1900 MHz. Jednak od czasu kiedy pojawiły się nowe AthlonyXP większość użytkowników zdążyła się przyzwyczaić do takiego sposobu oznaczeń. A i AMD jest łatwiej sprzedać procesor "AthlonXP 1900+" niż "Athlon 1600 MHz" za tą samą cenę - górą więc marketing.

Który układ jest lepszy?

Na to pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Pentium 4 okazuje się wydajnym procesorem w zastosowaniach wykorzystujących jego szeroką magistralę pamięci. Athlon jest za to zdecydowanie lepszym wyborem, gdy ważna jest wydajność koprocesora arytmetycznego.

Okazuje się więc, iż Pentium 4 znacznie lepiej nadaje się do aplikacji wymagających szybkiej wymiany dużych bloków danych. Do takich zastosowań zaliczają się np. trójwymiarowe gry. Wyższą wydajność będą miały także programy napisane z wykorzystaniem instrukcji SSE2 np. Adobe Photoshop. Produkt Intela wykazuje także wyższość w aplikacjach internetowych oraz podczas dekowanie plików MPEG-4.

AMD Athlon zdecydowanie wyprzedza układ Intela w zastosowaniach profesjonalnych, takich jak modelowanie obiektów 3D, aplikacje CAD/CAM czy obliczenia matematyczne z użyciem profesjonalnych programów (jak np. Mathlab, Matcad) oraz programach symulacyjnych (np. PcNap). Zdecydowanie szybszy jest także w renderingu scen trójwymiarowych za pomocą 3DStudio MAX.

Podsumowanie:

Wraz z wprowadzeniem nowego jądra Nothwood, Pentium 4 spowodował bezapelacyjnie odebranie palmy pierwszeństwa AMD. W obecnej chwili nic nie wskazuje na to aby pozycja Intela była jakoś specjalnie zagrożona, 1666 MHz to zdecydowanie za mało aby pokonać szybkie Pentium 4400 MHz. A nowe układy są już na horyzoncie - Intel będzie stopniowo, ale coraz szybciej zwiększał częstotliwość taktowania, a AMD czeka na zmianę procesu technologicznego, aby możliwe stało się zwiększenie częstotliwości.

Dużą zaletą procesorów AMD jest ich cena, najwydajniejsze układy ustępują zaledwie o kilka procent najszybszemu Pentium 4, a ich cena jest nawet o połowę niższa. Zaletą przemawiająca na korzyść Athlona jest także jeden Socket dla wszystkich procesorów oraz wykorzystanie tańszych pamięci DDR. Walka o prymat najszybszego układu na pewno się jeszcze nie skończyła, jednak bardzo prawdopodobne, że przeniesie się tym razem na kolejną platformę procesorów siódmej generacji.

Testy:

Testy zostały przeprowadzone na procesorach: Intel Pentium 4 2GHZ (Willamate), Intel Pentium4 2 GHz A (Northwood), oraz AMD ATHLONXP 2000+ (1666MHz). Poniżej konfiguracje komputerów:

TESTY

Wygrana procesora Intela. Quake zawsze najlepiej czuł się na procesorze Intela. Ale grę ta zdominował tylko Northwood. Athlon był zanim, zaś na końcu stary Willamatte. Ciekawe jest to, że o ile przy najniższej ilości detali Athlon wyprzedził Pentium ledwie o 4klatki, to w trybie HighQuality ta przewaga zamiast zmaleć wzrosła i to do 8fps.

Program z API OpenGL. Athlon pokazał dla konkurentów jedynie nóżki i zniknął za horyzontem pozostawiając 2GHz Intela z tyłu.

OpenGL kolejny raz, lecz tym razem szybszy okazuje się Northwood. Przewaga jest widoczna i Pentium4 A pokonuje Athlona w 5 z 6 testów. Ciekawy okazuje się wynik jaki pokazał się na monitorze po zakończeniu testu przy rozdzielczości 1024x768 na procesorze AMD, kiedy to maksymalna ilość wyświetlonych klatek była najwyższa pośród wszystkich testowanych procesorów. Jednak to za mało by przegonić konkurenta sumarycznie.

Wyniki z benchmarku pochodzącego z DroneZa wydają się zbliżone do tych z Glmarka. Athlon ponownie pokonany przez Northwooda, aczkolwiek Willamatte został mocno z tyłu. Ciekawy i odbiegający od innych wyników jest rezultat w trybie 640x480 - ilość maksymalnie wyświetlonych klatek okazała się najmniejsza na procesorze Athlon XP.

Kodowanie video przy użyciu programu FlasK zdecydowanie szybciej przebiegało na procesorze AMD. Nawet mimo zastosowania nowego kodeka DivX w wersji 4.12 Pentium4 musiał ustąpić pola Athlonowi XP.

Wynik dekompresji MPEG2. Athlon bez problemu pobił dwóch rywali zostawiając ich daleko w tyle.

Kolejny raz kompresja danych. Tym razem pliki *.mp3. Athlon z postawionego zadania wywiązał się o 10sekund szybciej niż Pentium4.

Pakowanie plików przebiegło minimalnie szybciej na procesorze AMD. Jednak widać jak mocno podskoczyła wydajność Northwooda w porównaniu do starego Willamatte - o 22%.

BIBLIOGRAFIA

• CHIP 01/2002 , s.64
• http://komputery.wp.pl
• http://www.cku.wodzislaw.pl/notatki/spis1.htm
• http://republika.pl/alex27/procesory.html
• http://komputery.wp.pl/mag_artykuly.html
• http://twojepc.pl/artykuly.php?p4_20_vs_xp_2000

Rafał Sinczykowski - Tal-Rash