Какво е компютърна архитектура?

Между презентации от технологични компании като AMD, Apple или Intel и листове със спецификации за определени устройства и други продукти, почти сигурно сте поне чух думата архитектура. Apple се хвали, че нейните чипове M1 и M2 използват ARM архитектура и AMD подчертава, че нейната Zen 4 архитектура е по-добра от архитектурата Raptor Lake на Intel. Но в целия маркетинг никога не е обяснено какво всъщност е "архитектура". Ето всичко, което трябва да знаете за архитектурите и защо те имат значение.

Архитектура: основата на процесора

Архитектурата е неясна дума в технологиите, но тук говоря за архитектури с набор от инструкции (ISA) и микроархитектури. Както ISA, така и микроархитектурите са съкратени от архитектури, защото е необичайно да се бъркат ISA и микроархитектури. Освен това ще говоря най-вече за CPU архитектури, но други процесори като GPU използват както ISA, така и микроархитектури.

ISA е добра отправна точка, защото това е най-основната част от процесора и това, което съдържа най-фундаменталната му част аспекти, като инструкции (като събиране и умножение) и функции (като възможност за работа с числа, които имат 32 десетични знака места). Процесорите, които използват определен ISA, могат да изпълняват само код, предназначен за този ISA (въпреки че емулацията е заобиколно решение). Ето защо беше голяма работа, когато Apple започна да продава Mac с Apple силикон, защото macOS беше създадена за процесори на Intel, които използват x86 ISA и чиповете на Apple използват ARM ISA.

Микроархитектурите могат да окажат значително влияние върху игрите, професионалната работа или дори случайната употреба на компютър.

Накратко, микроархитектурата е това, което свързва различни части на процесора и как те се свързват и взаимодействат, за да реализират ISA. Така че, ако ISA са като различни езици, тогава микроархитектурите са диалекти. Проектирането на чисто нов чип не изисква изхвърляне на ISA и създаването на нов процесор без промяна на ISA води до нова микроархитектура. Микроархитектурите, изградени на една и съща ISA, могат да бъдат значително различни, но да изпълняват един и същ код, дори ако единият чип очевидно работи по-добре от другия. Компаниите са склонни да създават нови микроархитектури, за да увеличат производителността, да добавят нови инструкции (известни като разширения, тъй като не са в базовата ISA) или да се насочат към конкретно приложение.

Днес имаме няколко ISA, като основните са x86 (съпритежаван от Intel и AMD), ARM (притежаван от Arm, но лицензиран от други компании като Apple и Samsung), RISC-V (ISA с отворен стандарт, който всеки може да използва безплатно) и PowerPC (притежаван от IBM и използван най-вече за неща в центъра за данни и преди много конзоли като PS3 и Wii). Има поне стотици, ако не и хиляди, микроархитектури, като някои от тях са известни, включително серията Zen от AMD, серията Lake от Intel и серията Cortex от Arm.

ISA са определили границите в рамките на технологиите

Фактът, че програмистите трябва да създават код специално за определени ISA, за да работят естествено (т.е. без да е необходимо за използване на заобиколно решение като емулация, което често се представя зле) непременно е създало много стени, когато става въпрос за компютри. Разработчиците са склонни да се фокусират само върху една ISA и тази почти неразривна връзка между хардуер и софтуер е определила кой прави процесорите за определени видове устройства.

x86 се използва почти изключително в настолни компютри, лаптопи и конзоли за игри, а тези устройства от своя страна използват почти изключително x86. ARM, RISC-V и PowerPC са се занимавали с тези области, но x86 доминира всички. Дори това не е достатъчно Microsoft направи ARM версия на Windows защото разработчиците на софтуер от трети страни трябва да направят ARM версии на техните приложения, а много малко от тях имат. От друга страна, собствеността на Apple върху macOS направи много по-лесно (макар и все още предизвикателно) преминаването от x86 Intel чипове към негови собствени.

По същия начин, ARM има задушена хватка върху телефоните и таблетите и това е вярно от около две десетилетия. По времето Intel започна да прави x86 чипове за телефони в края на 2000-те почти целият пазар използваше ARM от години и Intel имаше трудности да убеди компаниите да преминат.

Днес изглежда, че границите, създадени от ISA, са се затвърдили. Изключително малко вероятно е ARM чиповете някога да изпреварят x86 в настолните компютри и лаптопите (въпреки че Apple прави значителен напредък тук) и е почти сигурно, че смартфоните винаги ще използват ARM. Съществува обаче значителна конкуренция на нововъзникващите пазари като центрове за данни и устройства за интернет на нещата (IoT). RISC-V също прави убедителен аргумент, че много компании биха предпочели да направят свои собствени RISC-V чипове за приложения, където нуждата от съвместимост в широка екосистема всъщност не е проблем. Може би в далечното бъдеще някои от тези ISAs ще излязат от употреба, но изглежда вероятно само няколко големи ISAs да бъдат уместни във всеки един момент.

Микроархитектурите могат да направят или да нарушат вашето изживяване на устройство

Въпреки че не можете да приемате маркетинга на компаниите без зърно сол, вярно е, че микроархитектурите могат да окажат значително влияние върху игрите, професионалната работа или дори случайната употреба на компютър. Ако се чудите дали имате нужда от най-новата микроархитектура във вашето устройство или не, ето няколко неща, които трябва да имате предвид.

Игрите често не се възползват от всичко, което новата микроархитектура на процесора може да предложи, като например увеличаване на инструкциите за такт (IPC), тъй като игрите всъщност не използват толкова много сурови ресурси. Микроархитектурите обаче могат да дойдат с повишена тактова честота, допълнителен кеш и други характеристики, които може да са по-добри за игри. Ако играете видеоигри с висока честота на кадрите, изживяването ви може значително да се подобри с помощта на най-новия процесор. Може би е време да обмислите надграждане, ако вашият процесор е на повече от пет години.

Надграждането до нов GPU с нова микроархитектура също може да бъде добра идея. Новите графични карти понякога въвеждат нови функции като DLSS на Nvidia (който е наличен само на карти с марка RTX и DLSS 3 само на серията RTX 40) и кодирането AV1 присъства само на най-новите графични процесори RTX 40, RX 7000 и Arc Alchemist. В допълнение, производителност при игри панти на графичната карта и новите микроархитектури често се съчетават с карти, които имат много повече сурови конски сили и VRAM от по-старите нечий.

Трябва ли да надстроите до процесори с нови архитектури?

Когато става въпрос за професионална и творческа работа като изобразяване, редактиране на видео и други задачи, получаването на нов CPU или GPU често си заслужава както за новите функции, така и за по-високата производителност като цяло. Допълнителни инструкции на процесора като AVX понякога са полезни, например. Потенциалните печалби в производителността обаче могат да варират значително в зависимост от приложението и трябва да проучите софтуера си, за да видите дали може да се възползва от по-нов хардуер.

За обикновените потребители предимствата на по-новия хардуер не са толкова очевидни, тъй като основните приложения могат да работят на почти всичко, създадено през последното десетилетие. По-специално за потребителите на лаптопи обаче микроархитектурата често носи повишена ефективност, а по-добрата ефективност обикновено означава по-ниска консумация на енергия, което от своя страна означава по-добър живот на батерията.