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.
Как известно, тактовая частота процессора что это количество выполняемых операций таковым за единицу времени, в данном случае, за секунду.
Но этого определения недостаточно для того, чтобы полностью понять, что же на самом деле означает данное понятие и какое значение оно имеет для нас, рядовых пользователей.
В интернете можно найти множество статей по этому поводу, но во всех из них чего-то не хватает.
Чаще всего это «что-то» является тем самым ключиком, который может открыть дверь к пониманию. Поэтому мы постарались собрать все основные сведения, будто это пазлы, и составить из них единую целостную картину.
Детальное определение
Итак, тактовая частота – это количество операций, которые процессор может выполнять за секунду. Измеряется эта величина в Герцах.
Эта единица измерения названа в честь известного ученого, который проводил эксперименты, направленные на изучение периодических, то есть повторяющихся процессов.
А причем Герц к операциям за секунду?
Такой вопрос возникает при чтении большинства статей в интернете у людей, которые не очень хорошо изучали физику в школе (может быть, не по своей вине). Дело в том, что эта единица как раз и обозначает частоту, то есть количество повторений, этих самых периодических процессов за секунду.
Она позволяет измерять не только число операций, а и другие всевозможные показатели. К примеру, если вы делаете 3 входа в секунду, значит, частота дыхания составляет 3 Герца.
Что же касается процессоров, то здесь могут выполняться самые разные операции, которые сводятся к вычислению тех или иных параметров. Собственно, количество вычислений этих самых параметров за секунду и называется тактовой частотой.
Как все просто!
На практике понятие «Герц» используется крайне редко, чаще мы слышим о мегаГерцах, килоГерцах и так далее. В таблице 1 приведены «расшифровки» этих величин.
Таблица 1. Обозначения
Первое и последнее в настоящее время используется крайне редко.
То есть, если вы слышите, что в нем 4 ГГц, значит, он может выполнять 4 миллиарда операций каждую секунду.
Отнюдь! На сегодняшний день это средний показатель. Наверняка, очень скоро мы услышим о моделях с частотой в тераГерц или даже больше.
Как образовывается
Итак, в нем есть следующие устройства:
- тактовый резонатор – представляет собой обычный кристалл кварца, заключен в специальный защитный контейнер;
- тактовый генератор – устройство, которое преобразовывает один вид колебаний в другие;
- металлическая крышка;
- шина данных;
- текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные устройства.
Так вот, кристалл кварца, то есть тактовый резонатор образуют колебания вследствие подачи напряжения. В результате образовываются колебания электрического тока.
К подложке крепится тактовый генератор, который преобразовывает электрические колебания в импульсы. Они передаются на шины данных, и таким образом результат вычислений попадает к пользователю.
Вот именно таким путем и получается тактовая частота. Интересно, что в отношении данного понятия существует огромное количество заблуждений, в частности, относительно связи ядер и частоты. Поэтому об этом тоже стоит поговорить.
Как частота связана с ядрами
Ядро – это, фактически, и есть процессор. Под ядром подразумевается тот самый кристалл, который и заставляет все устройство выполнять определенные операции. То есть если в той или иной модели два ядра, это значит, что в нем два кристалла, которые соединяются между собой при помощи специальной шины.
Согласно распространенному заблуждению, чем больше ядер, тем больше частота. Не зря ведь сейчас разработчики стараются вместить все больше ядер в них. Но это не так. Если она равна 1 ГГц, даже если в нем 10 ядер, она так и останется 1 ГГц, и не станет 10 ГГц.
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.
Когда приобретаешь или собираешь настольный компьютер, то можно выяснить, что одной из самый дорогих деталей будет процессор. Процессор — это электронный блок или схема, которая исполняет машинные инструкции, а также одна из главных частей аппаратного обеспечения компьютера.
Процессор имеет множество различных параметров, один из которых называется тактовой частотой. Что это такое?
Тактовая частота процессора — это частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы, которые поступают из вне на вход схемы за одну секунду. Иными словами, это то количество операций, которое выполняется процессором за одну секунду. При этом этом важно не забывать, что процессоры с одной тактовой частотой могут иметь различную производительность, поэтому для выполнения одной операции различным системам требуется разное количество тактов.
Тактовая частота измеряется в единицах частоты — мегагерцах и гигагерцах.
Считается, что чем выше величина , тем производительнее сам процессор. Отчасти это верно, но лишь для моделей в одной линейке производителя. Ведь на производительность процессора оказывают влияние и другие характеристики, например, частота шины или размер кэша. Некоторые производители позволяют «разгонять» тактовую частоту процессора.
Кстати, интересный момент. Как вы знаете, одноядерные процессоры сегодня встречаются не так уж часто, их место заменили многоядерные процессоры. Впрочем, это не удивительно, но не об этом речь. Многие спрашивают, как рассчитывается тактовая частота многоядерных процессоров? Некоторые пользователи считают, что достаточно умножить тактовую частоту на количество ядер процессора. То есть если 8-ядерный процессор имеет частоту в 3Ггц, то нужно умножить 8 на 3 и получим частоту аж в 24 ГГц. На деле этот подсчет не имеет ничего общего с действительностью.
Что бы понять сам принцип высчитывания тактовой частоты, нужно рассмотреть простой пример. Допустим, у нас есть автомобиль, который развивает 200 км в час (то бишь одноядерный процессор). Если мы возьмем 4 таких автомобиля (4-ядерный процессор), то как бы мы не тужились, разогнать эти автомобили до скорости в 800 км в час мы не сможем ни при каком желании. Так же и с тактовой частотой — если она составляет 3 ГГц, то 4-ядерный процессор имеет частоту в те же 3 ГГц.
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.
