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.
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.
Cодержание:
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 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 .
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 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.
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.
Исторически сложилось, что тактовая частота процессора представляет собой главный показатель быстродействия компьютера, и в своё время даже необразованный человек, не знающий, чем оптический диск отличается от гибкого, мог с уверенностью заявить, что чем больше гигагерц в машине, тем лучше, и никто бы с ним не поспорил. Сегодня, в середине компьютерной эры, такого рода мода прошла, и разработчики стараются уйти в сторону создания более совершенной архитектуры, увеличения количества кэш-памяти и количества процессорных ядер, но тактовая частота является "королевой" характеристик. В общем смысле, это то количество элементарных операций (тактов), которое процессор может произвести за секунду времени.
Отсюда следует то, что чем выше тактовая частота процессора, тем больше элементарных операций способен выполнить компьютер, и, следовательно, тем быстрее он работает.
Тактовая частота передовых процессоров колеблется от двух до четырёх гигагерц. Она определяется умножением частоты шины процессора на определённый коэффициент. К примеру, Core i7 использует множитель х20 и имеет частоту шины, равную 133 МГц, в результате чего тактовая частота процессора составит 2660 МГц.
Современные и ядра
Несмотря на то, что ранее "многоядерность" была в новинку, на сегодняшний день на рынке практически не осталось одноядерных процессоров. И ничего удивительного в этом нет, ведь компьютерная индустрия не стоит на месте.
Поэтому следует ясно представлять, как рассчитывается тактовая частота для процессоров, имеющих два и более ядра.
Стоит сказать, что существует распространённое заблуждение насчёт вычисления частоты для таких процессоров. Например: "Имеется двухъядерный процессор с тактовой частотой в 1.8 ГГц, следовательно, его суммарная частота будет составлять 2 х 1.8ГГц=3.6ГГц, правильно?". Нет, неправильно. К сожалению, количество ядер никак не влияет на конечную тактовую частоту, если ваш процессор работал со скоростью в 3 ГГц, так он работать и будет, но при большем количестве ядер увеличатся его ресурсы, а это, в свою очередь, очень сильно повысит работоспособность.
Не стоит также забывать, что для современного процессора особо важен объем кэш-памяти. Это самая быстрая память ЭВМ, в которой дублируется рабочая информация, для которой необходим более быстрый доступ в данный момент времени.
Так как этот очень дорог и трудоёмок в производстве, его значения сравнительно малы, но этих показателей достаточно для того, чтобы увеличить производительность всей системы без изменения таких параметров, как тактовая частота.
Максимальная тактовая частота процессора и разгон
Насколько бы ваш компьютер ни был хорош, когда-нибудь он все же устареет. Но не спешите нести его на помойку и с распростёртым кошельком бежать в ближайший магазин электроники. Большинство современных процессоров и видеокарт предусматривает дополнительный (помимо заводского) разгон, и, имея хорошую систему охлаждения, вы сможете поднять уровень номинальной частоты на 200-300 ГГц. Для экстремалов и любителей больших цифр также существует "оверклокинг" призывающий выжать из техники максимум. Многие люди, занимающиеся таким опасным делом, могут без труда разогнать одноядерный процессор до 6-7 ГГц, а некоторые даже ставят рекордные показатели в 8.2 ГГц.
