Wat is een computerarchitectuur?

Tussen presentaties van technologiebedrijven zoals AMD, Apple of Intel en specificatiebladen voor bepaalde apparaten en andere producten, heb je vrijwel zeker op zijn minst gehoord het woord architectuur. Apple schept op dat zijn M1- en M2-chips de ARM architectuur, en AMD benadrukt dat de Zen 4-architectuur beter is dan de Raptor Lake-architectuur van Intel. Maar in alle marketing wordt nooit echt uitgelegd wat 'architectuur' eigenlijk is. Hier is alles wat u moet weten over architecturen en waarom ze ertoe doen.

Architectuur: de basis van een processor

Architectuur is een vaag woord in technologie, maar ik heb het hier over instructiesetarchitecturen (ISA) en microarchitecturen. Zowel ISA's als microarchitecturen worden afgekort tot architecturen omdat het ongebruikelijk is om ISA's en microarchitecturen door elkaar te halen. Bovendien zal ik het vooral hebben over CPU-architecturen, maar andere processors zoals GPU's gebruiken zowel ISA's als microarchitecturen.

De ISA is een goed startpunt omdat het het meest elementaire onderdeel van een processor is en het meest fundamentele bevat aspecten, zoals instructies (zoals optellen en vermenigvuldigen) en functies (zoals het kunnen omgaan met getallen met 32 ​​decimalen plaatsen). Processors die een bepaalde ISA gebruiken, kunnen alleen code uitvoeren die voor die ISA is ontworpen (hoewel emulatie een tijdelijke oplossing is). Daarom was het een groot probleem toen Apple begon met de verkoop van Macs met Apple-silicium, omdat macOS is gebouwd voor Intel-CPU's die de x86 ISA en de chips van Apple gebruiken de ARM ISA.

Microarchitecturen kunnen een aanzienlijke invloed hebben op gamen, professioneel werk of zelfs gewoon computergebruik.

Kortom, de microarchitectuur is wat verschillende delen van de processor met elkaar verbindt en hoe ze onderling verbonden zijn en samenwerken om de ISA te implementeren. Dus als ISA's als verschillende talen zijn, dan zijn microarchitecturen dialecten. Voor het ontwerpen van een geheel nieuwe chip hoeft de ISA niet te worden weggegooid, en het creëren van een nieuwe processor zonder de ISA te wijzigen resulteert in een nieuwe microarchitectuur. Microarchitecturen die op dezelfde ISA zijn gebouwd, kunnen enorm verschillen, maar dezelfde code uitvoeren, zelfs als de ene chip duidelijk beter presteert dan de andere. Bedrijven hebben de neiging om nieuwe microarchitecturen te maken om de prestaties te verbeteren, nieuwe instructies toe te voegen (ook wel extensies genoemd omdat ze niet binnen de basis-ISA vallen) of zich op een specifieke toepassing te richten.

Tegenwoordig hebben we een handvol ISA's, met als belangrijkste x86 (mede-eigendom van Intel en AMD), ARM (eigendom van Arm maar in licentie gegeven aan andere bedrijven zoals Apple en Samsung), RISC-V (een open-standaard ISA die iedereen gratis kan gebruiken) en PowerPC (eigendom van IBM en meestal gebruikt voor datacenter-dingen en voorheen veel consoles zoals de PS3 en Wii). Er zijn minstens honderden, zo niet duizenden microarchitecturen, met enkele beroemde, waaronder de Zen-serie van AMD, de Lake-serie van Intel en de Cortex-serie van Arm.

ISA's hebben de grenzen binnen technologie gedefinieerd

Het feit dat programmeurs speciaal voor bepaalde ISA's code moeten maken om native te kunnen werken (dat wil zeggen, zonder om een ​​tijdelijke oplossing zoals emulatie te gebruiken, die vaak slecht presteert) heeft noodzakelijkerwijs veel muren gecreëerd als het gaat om computers. Ontwikkelaars hebben de neiging zich te concentreren op slechts één ISA, en die bijna onbreekbare koppeling tussen hardware en software heeft bepaald wie de processors voor bepaalde soorten apparaten maakt.

x86 wordt bijna uitsluitend gebruikt in desktops, laptops en gameconsoles, en die apparaten gebruiken op hun beurt bijna uitsluitend x86. ARM, RISC-V en PowerPC hebben allemaal op deze gebieden geploeterd, maar x86 domineert ze allemaal. Dat is niet eens genoeg Microsoft heeft een ARM-versie van Windows gemaakt omdat softwareontwikkelaars van derden moeten maken ARM-versies van hun apps, en zeer weinigen hebben dat. Aan de andere kant maakte Apple's eigendom van macOS het veel gemakkelijker (zij het nog steeds een uitdaging) om over te stappen van x86 Intel-chips naar zijn eigen chips.

Evenzo heeft ARM een wurggreep op telefoons en tablets, en dat is al zo'n twee decennia zo. Tegen de tijd Intel begon met het maken van x86-chips voor telefoons eind jaren 2000 gebruikte vrijwel de hele markt al jaren ARM, en Intel had moeite om bedrijven te overtuigen om over te stappen.

Tegenwoordig lijkt het erop dat de grenzen die ISA's hebben gecreëerd grotendeels zijn verstevigd. Het is uiterst onwaarschijnlijk dat ARM-chips ooit x86 zullen inhalen in desktops en laptops (hoewel Apple boekt hier aanzienlijke vooruitgang) en het is vrijwel zeker dat smartphones altijd zullen gebruiken ARM. Er is echter aanzienlijke concurrentie in opkomende markten zoals datacenters en Internet of Things (IoT)-apparaten. RISC-V levert ook een overtuigend argument dat veel bedrijven liever hun eigen RISC-V-chips maken voor toepassingen waarbij compatibiliteit met een breed ecosysteem niet echt een probleem is. Misschien zullen in de verre toekomst sommige van deze ISA's buiten gebruik raken, maar het lijkt waarschijnlijk dat slechts een paar grote ISA's op enig moment relevant zullen zijn.

Microarchitecturen kunnen uw ervaring op een apparaat maken of breken

Hoewel je de marketing van bedrijven niet zonder een korreltje zout kunt nemen, is het waar dat microarchitecturen een aanzienlijke invloed kunnen hebben op gamen, professioneel werk of zelfs gewoon computergebruik. Als je je afvraagt ​​of je de nieuwste microarchitectuur in je apparaat nodig hebt, zijn hier een paar dingen om over na te denken.

Games profiteren vaak niet van alles wat een nieuwe CPU-microarchitectuur te bieden heeft, zoals een boost in instructies per klok (IPC), aangezien games eigenlijk niet zoveel onbewerkte bronnen gebruiken. Microarchitecturen kunnen echter worden geleverd met verhogingen van de kloksnelheid, extra cache en andere kenmerken die misschien beter zijn voor gamen. Als u videogames speelt met hoge framerates, kan uw ervaring aanzienlijk worden verbeterd door de nieuwste processor te gebruiken. Het is misschien tijd om een ​​upgrade te overwegen als uw CPU meer dan vijf jaar oud is.

Upgraden naar een nieuwe GPU met een nieuwe microarchitectuur kan ook een goed idee zijn. Nieuwe grafische kaarten introduceren soms nieuwe functies, zoals Nvidia's DLSS (dat alleen beschikbaar is op RTX-kaarten en DLSS 3 alleen op de RTX 40-serie) en AV1-codering alleen aanwezig op de nieuwste RTX 40-, RX 7000- en Arc Alchemist-GPU's. Bovendien, spelprestaties hangt af van de grafische kaart, en nieuwe microarchitecturen worden vaak gecombineerd met kaarten die veel meer brute pk's en VRAM hebben dan oudere degenen.

Moet u upgraden naar CPU's met nieuwe architecturen?

Als het gaat om professioneel en creatief werk, zoals renderen, videobewerking en andere taken, is het aanschaffen van een nieuwe CPU of GPU vaak de moeite waard voor zowel nieuwe functies als over het algemeen hogere prestaties. Aanvullende CPU-instructies zoals AVX zijn bijvoorbeeld soms handig. Potentiële prestatieverbeteringen kunnen echter sterk variëren, afhankelijk van de toepassing, en u moet uw software onderzoeken om te zien of deze kan profiteren van nieuwere hardware.

Voor incidentele gebruikers zijn de voordelen van nieuwere hardware niet zo duidelijk, aangezien basisapplicaties op vrijwel alles kunnen draaien dat in het afgelopen decennium is gemaakt. Vooral voor laptopgebruikers zorgt een microarchitectuur vaak voor meer efficiëntie, en een betere efficiëntie betekent meestal een lager stroomverbruik, wat op zijn beurt weer een langere batterijduur betekent.