Mis on arvuti arhitektuur?

Tehnoloogiaettevõtete (nt AMD, Apple või Intel) esitluste ja teatud seadmete ja muude toodete spetsifikatsioonilehtede vahel olete peaaegu kindlasti vähemalt kuulnud sõna arhitektuur. Apple uhkustab, et tema M1 ja M2 kiibid kasutavad ARM arhitektuur ja AMD rõhutab, et selle Zen 4 arhitektuur on parem kui Inteli Raptor Lake'i arhitektuur. Kuid kogu turunduses ei selgitata kunagi, mis "arhitektuur" tegelikult on. Siin on kõik, mida peate teadma arhitektuuride ja nende tähtsuse kohta.

Arhitektuur: protsessori alus

Arhitektuur on tehnikas ebamäärane sõna, kuid ma räägin siin käsukomplekti arhitektuuridest (ISA) ja mikroarhitektuuridest. Nii ISA-sid kui ka mikroarhitektuure nimetatakse arhitektuurideks, kuna ISA-de ja mikroarhitektuuride segi ajamine on ebatavaline. Lisaks räägin peamiselt CPU arhitektuuridest, kuid teised protsessorid, nagu GPU-d, kasutavad nii ISA-sid kui ka mikroarhitektuure.

ISA on hea lähtepunkt, kuna see on protsessori kõige elementaarsem osa ja sisaldab selle kõige põhilisemat osa aspektid, nagu juhised (nt liitmine ja korrutamine) ja funktsioonid (nt 32 kümnendkohaga arvude käsitlemine kohad). Teatud ISA-d kasutavad protsessorid saavad käitada ainult selle ISA jaoks loodud koodi (kuigi emuleerimine on lahendus). Sellepärast oli see suur asi, kui Apple hakkas müüma Apple'i räni sisaldavaid Mace, kuna macOS loodi Inteli protsessoritele, mis kasutavad x86 ISA ja Apple'i kiibid kasutavad ARM ISA.

Mikroarhitektuurid võivad märkimisväärselt mõjutada mängimist, professionaalset tööd või isegi juhuslikku arvutikasutust.

Lühidalt öeldes on mikroarhitektuur see, mis ühendab protsessori erinevaid osi ning kuidas need omavahel ühenduvad ja ISA rakendamiseks koos toimivad. Nii et kui ISA-d on nagu erinevad keeled, siis mikroarhitektuurid on dialektid. Uhiuue kiibi kujundamine ei nõua ISA väljaviskamist ja uue protsessori loomine ilma ISA-d muutmata annab tulemuseks uue mikroarhitektuuri. Samale ISA-le ehitatud mikroarhitektuurid võivad olla väga erinevad, kuid töötavad sama koodiga, isegi kui üks kiip toimib selgelt paremini kui teine. Ettevõtted kipuvad tegema uusi mikroarhitektuure, et suurendada jõudlust, lisada uusi juhiseid (tuntud kui laiendused, kuna need ei kuulu põhi-ISAsse) või sihtida konkreetset rakendust.

Tänapäeval on meil käputäis ISA-sid, millest peamised on x86 (kaasomanikud Intelile ja AMD-le), ARM (omanduses Armile, kuid litsentsitud teistele ettevõtetele, nagu Apple ja Samsung), RISC-V (avatud standardiga ISA, mida igaüks saab tasuta kasutada) ja PowerPC (omab IBM ja mida kasutatakse peamiselt andmekeskuse asjade jaoks ja varem paljudes konsoolides, nagu PS3 ja Wii). Seal on vähemalt sadu, kui mitte tuhandeid mikroarhitektuure, sealhulgas mõned kuulsad, sealhulgas Zen-seeria AMD-lt, Lake-seeria Intelilt ja Cortexi seeria Armilt.

ISA-d on määratlenud piirid tehnoloogias

Asjaolu, et programmeerijad peavad tegema koodi spetsiaalselt teatud ISA-de jaoks, et töötada natiivselt (st ilma vajaduseta kasutada lahendust nagu emulatsioon, mis sageli halvasti toimib) on loonud paratamatult palju seinu, kui tegemist on arvutid. Arendajad keskenduvad tavaliselt ainult ühele ISA-le ning see peaaegu katkematu seos riistvara ja tarkvara vahel on määratlenud, kes valmistab teatud tüüpi seadmete protsessoreid.

x86 kasutatakse peaaegu eranditult lauaarvutites, sülearvutites ja mängukonsoolides ning need seadmed kasutavad omakorda peaaegu eranditult x86. ARM, RISC-V ja PowerPC on kõik nendes valdkondades kaasa löönud, kuid x86 domineerib neis kõigis. Sellest isegi ei piisa Microsoft on teinud Windowsi ARM-versiooni sest kolmanda osapoole tarkvaraarendajad peavad tegema nende rakenduste ARM-versioonid, ja väga vähestel neist on. Teisest küljest muutis Apple'i omamine MacOS-i jaoks palju lihtsamaks (kuigi see oli endiselt keeruline) Inteli x86 kiipidelt enda omadele ülemineku.

Samuti on ARM-il telefonide ja tahvelarvutite kägistus ning see on kehtinud umbes kaks aastakümmet. Selleks ajaks Intel hakkas telefonidele x86 kiipe tootma 2000. aastate lõpus kasutas praktiliselt kogu turg ARM-i aastaid ja Intelil oli raske veenda ettevõtteid vahetama.

Tänaseks tundub, et piirid, mille ISA-d lõid, on enamasti kinnistunud. On äärmiselt ebatõenäoline, et ARM-kiibid jõuaksid kunagi laua- ja sülearvutites x86-st mööda (kuigi Apple teeb siin märkimisväärset edu) ja on täiesti kindel, et nutitelefonid kasutavad seda alati ARM. Arenevatel turgudel, nagu andmekeskused ja asjade interneti (IoT) seadmed, on aga märkimisväärne konkurents. RISC-V esitab ka veenva argumendi, et paljud ettevõtted valmistaksid pigem oma RISC-V kiibid rakenduste jaoks, kus laia ökosüsteemi ühilduvuse vajadus ei ole tegelikult probleem. Võib-olla kaovad mõned neist ISA-dest kauges tulevikus kasutusest, kuid tundub tõenäoline, et ainult mõned olulised ISAd on ühel hetkel asjakohased.

Mikroarhitektuurid võivad teie kasutuskogemust seadmes muuta või rikkuda

Kuigi ettevõtete turundust ei saa võtta ilma soolaterata, on tõsi, et mikroarhitektuurid võivad oluliselt mõjutada mängimist, professionaalset tööd või isegi juhuslikku arvutikasutust. Kui soovite teada, kas vajate oma seadmes uusimat mikroarhitektuuri või mitte, on siin mõned asjad, mida kaaluda.

Mängud ei saa sageli kasu kõigest, mida uus protsessori mikroarhitektuur pakub, näiteks juhiste arvu suurendamisest kella kohta (IPC), kuna mängud ei kasuta tegelikult nii palju toorressursse. Mikroarhitektuurid võivad aga kaasa tuua kella kiiruse suurendamise, täiendava vahemälu ja muude omadustega, mis võivad mängude jaoks olla paremad. Kui mängite videomänge suure kaadrisagedusega, võib uusima protsessori kasutamine teie kasutuskogemust oluliselt täiustada. Kui teie protsessor on üle viie aasta vana, võib olla aeg kaaluda uuendamist.

Samuti võib hea mõte olla üleminek uuele GPU-le uue mikroarhitektuuriga. Uued graafikakaardid pakuvad mõnikord uusi funktsioone, nagu Nvidia DLSS (mis on saadaval ainult RTX kaubamärgiga kaartidel ja DLSS 3 ainult RTX 40 seeria) ja AV1 kodeering on olemas ainult uusimatel RTX 40, RX 7000 ja Arc Alchemist GPU-del. Lisaks mängude jõudlus sõltub graafikakaardi hingedest ja uued mikroarhitektuurid on sageli seotud kaartidega, millel on palju rohkem töötlemata hobujõude ja VRAM-i kui vanematel ühed.

Kas peaksite minema üle uue arhitektuuriga protsessoritele?

Kui tegemist on professionaalse ja loomingulise tööga, nagu renderdamine, videotöötlus ja muud ülesanded, tasub uue CPU või GPU hankimine sageli nii uute funktsioonide kui ka üldiselt suurema jõudluse tõttu. Mõnikord on kasulikud näiteks täiendavad protsessori juhised, nagu AVX. Võimalik jõudluse suurenemine võib olenevalt rakendusest siiski väga erineda ja peaksite oma tarkvara uurima, et näha, kas see saab uuemast riistvarast kasu.

Tavakasutajate jaoks pole uuema riistvara eelised nii ilmne, kuna põhirakendused võivad töötada peaaegu kõigega, mis on tehtud viimase kümnendi jooksul. Eelkõige sülearvutikasutajatele suurendab mikroarhitektuur aga sageli efektiivsust ja parem efektiivsus tähendab tavaliselt väiksemat energiatarbimist, mis omakorda tähendab aku paremat kasutusaega.