04. 07.2018

Блог Дмитрия Вассиярова.

Тактовая частота и производительность — одно и тоже?

Приветствую всех читателей, и мне будет особенно приятно порадовать вас своим рассказом на тему что такое тактовая частота процессора? Возможно, для некоторых эта тема покажется азбучной и малополезной, но я уверен что несколько интересных фактов и простых сравнений позволит по-новому взглянуть на работу ЦПУ.

Подбирая железо для компьютера или новый смартфон мы первым делом интересуемся, сколько ядер имеет процессор и какова частота их работы. Бренд самого ЦПУ в этом случае – дело вкуса (AMD или Intel, MTK или Snapdragon), но, если из представленных моделей, одна имеет в характеристиках большее значение частоты, но наверняка выбор будет сделан в ее пользу. Давайте разберемся, почему это так важно.

«Импульсивное поведение» процессора

Процессор это сердце любой вычислительной машины, а к таковым относятся не только калькуляторы и компьютеры, используемые в сложных расчетах, но и любое устройство, работающее с оцифрованными данными. Чтобы преобразовать их в музыку, видео, изображение или, тем более, заставить программу совершить определенные операции, поток «нулей» и «единиц» записанный в необходимо пропустить через блок, выполняющий логические операции. Такие обрабатывающие модули, созданные из множества полупроводниковых микротранзисторов и составляют основу кристалла процессора, или, как говорят знатоки «камня».

Но вернемся к оцифрованному потоку данных, которые в реальности представляют собой наличие или отсутствие сигнала в электроцепи, ведь именно его и обрабатывает транзистор. Но чтобы сделать такие сигналы читаемыми (отличаемыми друг от друга) его подают импульсами, Создает их тактовый генератор, интегрированный в архитектуру самого процессора.

В лучших современных за одну секунду происходит до 5 000 000 000 (пяти миллиардов!) импульсов. Это величина измеряется в гигагерцах (ГГц) и является тактовой частотой работы ядра процессора, выполняющего главные вычислительные функции. Чем больше она, тем лучше.

Но за дополнительные герцы приходится расплачиваться повышенным энергопотреблением и сильным нагревом.

А вы знаете частоту своего ЦПУ?

Узнать тактовую частоту установленного на вашем компьютере процессора можно несколькими способами:

• Заглянуть в паспорт, лежащий в коробке от CPU;
• Найти на мониторе «Мой компьютер», открыть в его контекстном меню «Свойства» и изучить общие параметры устройства;

• Установить программы AIDA64 или CPU-Z , которые показывают максимально подробную информацию о вашем процессоре.

Считаем ядра и гигагерцы

В реальности более объективным показателем скорости работы ЦПУ является количество операций, выполняемых в единицу времени. А на это уже влияет количество микротранзисторов, способных одновременно обработать несколько сигналов. Может вы что-то слышали о нано технологиях, так вот чем меньшего размера вычислительный элемент, тем их больше можно разместить на «камне» процессора.

Так же тактовую производительность процессора определяет его (оптимизация взаимодействия между отдельными модулями) и количество потоков (каналов одновременного обращения к ядру).

Кроме того, для одновременного решения нескольких задач в ЦПУ используется несколько ядер. Причем имеются процессоры для смартфонов с различной тактовой частотой отдельных ядер: по 4-е энергоэффективных (1,8 ГГц) и по 4-е мощных (свыше 2,3 Ггц). Многоядерные устройства, установленные на ПК, имеют свой алгоритм оптимизации, что дает ядрам возможность работать с разной тактовой частотой.

Раз, уж я затронул тему многоядерности, то расскажу вам об одном распространенном заблуждении, касающимся нашей основной темы. Некоторые пользователи, покупая, например, процессор Intel Core 2 Quad, с частотой каждого ядра 2,5 ГГц считают, что они получат устройство способное выдавать 4 х 2,5 = 10 млрд. тактов в секунду.

Это, друзья мои, заблуждение. Потому как тактовый генератор быстрее работать от этого не станет. Единственно, чем я могу вас порадовать, что каждое ядро теоретически может выполнять отдельную операцию, но и для этого обычно требуется несколько тактов.

Разгон, троттлинг и нагрев

Здесь же считаю нужным ответить на часто задаваемый вопрос: что важнее при выборе процессора количество ядер или тактовая частота.

Оба показателя определяют производительность процессора, поэтому 2-а ядра на 4,5 GHz могут работать не хуже 4-х на 2,5 GHz. Все зависит от выполняемых задач и от реализованной в чипе архитектуры.

Правда, все-таки есть один нюанс: ядер вы в ЦПУ не добавите, а вот разогнать процессор, увеличив его тактовую частоту можно. Для этого существует несколько способов, но все они требуют выполнения ряда условий:

• Теоретическая возможность разгона процессора;
• Устойчивость его элементов к работе в высокотемпературном режиме или наличие дополнительной эффективной системы охлаждения;
• Необходимый разгонный потенциал материнской платы.

Есть даже несколько недорогих ЦПУ, наиболее приспособленных к такому частотному апгрейду: AMD FX-6300, AMD FX-4350, AMD Athlon X4 860K, Intel Pentium G3258.

Наверное, вы уже заметили, что в нашем разговоре о тактовой частоте периодически упоминается такое явление как нагрев процессора. Эти два параметра тесно взаимосвязаны между собой. Уже понятно, что искусственное увеличение температуры повлечет за собой повышение температуры CPU.

А что будет, если в силу определенных причин нагреется сам процессор (поломка или загрязнение кулера, высыхание термопасты, работа в жару)?

В этом случае разработчики ЦПУ предусмотрели функцию тротлинга, которая отслеживает температуру чипа, и при достижении критических значений автоматически снижает тактовую частоту ядер и, соответственно, быстродействие всей системы.

Напоследок хочу отметить, что своя рабочая частота имеется и у ОЗУ, и у системной шины материнской платы и даже у кэш-памяти самого процессора, но именно тактовая частота ядер является максимальной.

Запомните это, чтобы случайно не запутаться в терминах и устройствах.

На этом я заканчиваю свой рассказ, и буду готовить новую статью, с целью порадовать вас новыми интересными сведениями из жизни компьютерного железа.

Во времена, когда мобильные телефоны были толстые и черно-белые, процессоры – одноядерные, а гигагерц казался непреодолимой планкой (лет 20 назад), единственной характеристикой для сравнения мощностей ЦП была тактовая частота. Десятилетие спустя второй важной характеристикой стало количество ядер. В наше время смартфон, толщиной менее сантиметра, содержит ядер больше, да и тактовую частоту имеет выше, чем простой ПК тех лет. Попробуем разобраться, на что влияет тактовая частота процессора.

Частота процессора влияет на скорость, с которой транзисторы процессора (и их внутри чипа сотни миллионов) производят переключение. Измеряется она в количестве переключений за секунду и выражается в миллионах или миллиардах герц (мегагерц или гигагерц). Один герц – это одно переключение транзисторов процессора в секунду, следовательно, один гигагерц – один миллиард таких переключений за то же время. За одно переключение, если говорить упрощенно, ядро делает одну математическую операцию.

Следуя обычной логике можно прийти к выводу, что чем больше частота – тем быстрее переключаются транзисторы в ядрах, тем скорее решаются задачи. Именно поэтому в прошлом, когда основная масса процессоров была по сути усовершенствованным Intel x86, архитектурные отличия были минимальны, и было ясно, что чем больше частота тактов – тем быстрее идут вычисления. Но со временем все изменилось.

Можно ли сравнивать частоты разных процессоров

В 21 веке разработчики научили свои процессоры обрабатывать за такт не одну инструкцию, а больше. Поэтому процессоры с одинаковой частотой тактов, но основанные на разных архитектурах, выдают разный уровень быстродействия. Intel Core i5 2 ГГц и Qualcomm Snapdragon 625 2 ГГц – это разные вещи. Хоть у второго ядер больше, но в тяжелых задачах он будет слабее. Поэтому саму частоту разных типов ядер сравнивать нельзя, важно учитывать еще и удельную производительность (количество выполнений инструкций за такт).

Если проводить аналогию с машинами, то тактовая частота – это скорость в км/ч, а удельная производительность – грузоподъемность в кг. Если рядом будут ехать легковушка (процессор ARM для смартфона) и самосвал (чип x86 для ПК) – то при равной скорости легковушка за раз перевезет пару сотен кило, а грузовик – несколько тонн. Если же говорить о разных типах ядер именно для смартфонов (Cortex A53, Cortex A72, Qualcomm Kryo) – то это все легковушки, но с разной вместительностью. Соответственно, тут разница уже будет не так огромна, но тоже значительная.

Сравнивать можно только тактовые частоты ядер на одинаковой архитектуре. Например, MediaTek MT6750 и Qualcomm Sanapdragon 625 содержат по 8 ядер Cortex A53. Но у МТК их частота – до 1,5 ГГц, а у Куалкомм – 2 ГГц. Следовательно, второй процессор будет работать примерно на 33% быстрее. А вот Qualcomm Snapdragon 652 хоть и имеет частоту до 1,8 ГГц, но работает быстрее модели 625, так как в нем используются более мощные ядра Cortex A72.

Что дает высокая частота процессора в смартфоне

Как мы уже выяснили, чем выше тактовая частота – тем быстрее работает процессор. Следовательно, и производительность смартфона с более высокочастотным чипсетом будет выше. Если один процессор смартфона содержит 4 ядра Kryo на 2 ГГц, а второй – 4 такие же ядра Kryo на 3 ГГц, то второй будет примерно в 1,5 раза быстрее. Это ускорит запуск приложений, сократит время включения, позволит резвее обрабатывать тяжелые сайты в браузере и т.д.

Однако, выбирая смартфон с высокими частотами процессора, следует также помнить, что чем они выше – тем больше и потребление энергии. Поэтому если производитель накрутил побольше гигагерц, но не оптимизировал устройство должным образом – оно может перегреваться и входить в «троттлинг» (принудительный сброс частот). Таким недостатком в свое время страдал, например, Qualcomm Snapdragon 810.

Каждый пользователь компьютерной техники не редко задавался этим вопросом, особенно решив приобрести, новое оборудование. Но для того чтобы ответить на вопрос — тактовая частота процессора на что же она влияет, необходимо в первую очередь понять, что собой она представляет?

ВЛИЯНИЕ ТАКТОВОЙ частоты процессора на производительность?

Этот показатель говорит о количестве производимых процессором вычислений в одну секунду. Ну и естественно, что чем выше частота, тем больше операций в единицу времени может произвести процессор. У современных устройств этот показатель находится в пределах от 1 до 4 ГГц. Определяется он путем умножения базовой или внешней частоты на определенный коэффициент. Увеличить частоту процессора можно путем его «разгона». Мировые лидеры по производству этих устройств некоторые свои изделия ориентируют на возможный их разгон.

При выборе такого устройства важным показателем производительности является не только его частота. На это влияет также ядреность процессора.
В настоящее время практически не осталось таких устройств, которые имеют только одно ядро. Многоядерные процессоры полностью вытеснили с рынка своих одноядерных предшественников.

О ядерности и тактовой частоте

Начнем с того, что утверждение, что процессор имеет частоту равную общей суме этого показателя каждого из ядер не верное. Но почему многоядерный процессор лучше и эффективнее? Потому, что каждое из ядер производит свою часть общей работы, если это позволяет, обрабатывая процессором программа. Таким образом, ядреность значительно увеличивает производительность системы, в том случае если обрабатываемую информацию можно разделить на части. Но если это сделать невозможно, работает только одно ядро процессора. При этом общая его производительность равна тактовой частоте этого ядра.

В общем, если вам предстоит работа с графикой, статическим изображением, видео, музыкой многоядерный процессор как раз то, что необходимо. Но если вы игроман, то в этом случае лучше брать не сильно многоядерный процессор, потому что программисты могут и не предусматривать разделение программных процессов на части. Поэтому, для игр более мощный процессор подойдет лучше.

Об архитектуре процессора

Кроме этого, производительность системы зависит и от архитектуры процессора. Естественно, что чем короче путь сигнала от точки отправки до точки назначения, тем быстрее производится обработка информации. По этой причине процессоры от компании Intel работают лучше, чем от фирмы AMD, при одинаковой тактовой частоте.
Итоги

Таким образом, тактовая частота процессора — это его сила или мощь. Она влияет на производительность системы. Но при этом необходимо не забывать что этот параметр, кроме мощности, зависит от количества ядер и от архитектуры этого устройства. Выбирать процессор необходимо с учетом того, с чем ему в будущем нужно будет работать? Для игр лучше брать процессор помощнее, для всего остального подойдет многоядерный процессор с не очень большой тактовой частотой.

Принципиальная схема процессора

Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.

Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.

Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.

Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.

Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.

Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.

Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.

Блок шины - служит для ввода и вывода информации.

Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst. В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.

Характеристики процессора

Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота, разрядность и размеры кэша 1-го и 2-го уровня.

Частота - это количество колебаний в секунду. Тактовая частота - это количество тактов в секунду. В применении к процессору:

Тактовая частота - это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду.

Т.е. чем больше операций в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает. Например, процессор с тактовой частотой 40 МГц выполняет 40 миллионов операций в секунду, с частотой 300 Мг - 300 миллионов операций в секунду, с частотой 1 ГГц - 1 миллиард операций в секунду.

К 2003 году тактовая частота процессоров достигла 3 ГГц.

Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.

Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).

С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).

В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.

Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров.

Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд - это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16-разрядный и т.д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор.

Процессор Pentium 4 является 32-разрядным.

Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня также влияет на производительность процессора.

В процессоре Pentium III кэш-память 1-го уровня составляет 16 Кб, кэш-память 2-го уровня 256 Кб.

В процессорах Pentium 4 кэш-память 1-го уровня для данных имеет объем 8 Кб, кэш-память 1-го уровня для команд рассчитан на 12000 инструкций в порядке их исполнения, а объем кэш-памяти 2-го уровня составляет 512 Кб.

Утверждение:

Чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность.

Скорость работы процессоров всегда сравнивали на основе их ведущей и самой доступной для понимания характеристики - тактовой частоты. Моду на это в 1984 году ввели маркетологи IBM PC, которые утверждали, что процессор Intel 8088 в их компьютере почти в пять раз превосходит по тактовой частоте MOS Technology 6502
из Apple II - а значит, он почти в пять раз быстрее. Той же логике в 90-х следовали Intel и Microsoft, утверждая, что Pentium производительнее PowerPC из компьютеров Apple только потому, что у него выше тактовая частота. После того как в конце 90-х к гонке подключилась AMD, компании пришлось ввести специальную маркировку, которая сопоставляла их процессоры с процессорами Intel. Большинство потребителей были уверены, что тактовая частота - главная характеристика, и Intel, делавшая ставку на её рост, только поддерживала их в этом убеждении.

ДЖОН СПУНЕР

журналист

«После выхода процессоров Pentium III, работающих на частоте до 667 МГц, компания AMD может утратить лидерство. Представленные
в этом месяце процессоры Athlon работают
с максимальной частотой 650 МГц. Но долго лидерство Intel не продлится. Как заявили представители AMD, к концу года они выпустят процессор с частотой 700 МГц».

Почему это не так:

Время, которое занимает выполнение операций, важнее тактовой частоты.

Тактовую частоту корректно сравнивать только
у процессоров одного модельного ряда с одинаковой архитектурой. Хотя частота Intel 8088 и была почти в пять раз выше, чем у MOS Technology 6502, на деле одна и та же операция могла занимать у Intel 8088 больше тактов, из-за чего преимущество в частоте нивелировалось. Так было и
в дальнейшем: сначала Apple, а потом и AMD пытались разоблачить «миф о мегагерцах». В 2006 году к ним наконец присоединилась и Intel, которая достигла предела тактовой частоты на архитектуре, которую тогда использовала в настольных процессорах, и сменила парадигму.

Сегодня число операций, которое выполняет процессор
за один такт, как никогда важнее тактовой частоты. Дело
в том, что чем выше частота, тем выше тепловыделение,
а потому создатели мобильных процессоров делают упор
на оптимизацию, а не сухие цифры. Миф, впрочем, никуда
не исчез, и даже эволюционировал: так, многие начали считать, что скорость работы процессора пропорциональна числу ядер в нём. Да и если назвать обывателю два процессора с разной тактовой частотой, то он всё равно
по инерции выберет тот, у которого больше мегагерц.