Co to jest architektura komputera?

Pomiędzy prezentacjami firm technologicznych, takich jak AMD, Apple czy Intel, a arkuszami specyfikacji niektórych urządzeń i innych produktów, prawie na pewno przynajmniej usłyszał słowo architektura. Apple przechwala się, że jego chipy M1 i M2 wykorzystują technologię RAMIĘ architekturę, a AMD podkreśla, że ​​jej architektura Zen 4 jest lepsza niż architektura Raptor Lake firmy Intel. Ale w całym marketingu nigdy tak naprawdę nie jest wyjaśnione, czym właściwie jest „architektura”. Oto wszystko, co musisz wiedzieć o architekturach i ich znaczeniu.

Architektura: podstawa procesora

Architektura to niejasne słowo w technologii, ale mówię tutaj o architekturach zestawu instrukcji (ISA) i mikroarchitekturach. Zarówno ISA, jak i mikroarchitektury są skracane do architektur, ponieważ rzadko zdarza się mylić ISA i mikroarchitektury. Dodatkowo będę głównie mówił o architekturach procesorów, ale inne procesory, takie jak procesory graficzne, korzystają zarówno z ISA, jak i mikroarchitektur.

ISA jest dobrym punktem wyjścia, ponieważ jest najbardziej podstawową częścią procesora i zawiera jego najważniejsze elementy aspekty, takie jak instrukcje (takie jak dodawanie i mnożenie) oraz funkcje (takie jak możliwość obsługi liczb o rozmiarze 32 miejsc dziesiętnych) miejsca). Procesory korzystające z określonego ISA mogą uruchamiać tylko kod przeznaczony dla tego ISA (chociaż emulacja jest obejściem). Dlatego też wielką sprawą było, gdy Apple zaczął sprzedawać komputery Mac z krzemem Apple, ponieważ system macOS został stworzony dla procesorów Intela korzystających z ISA x86 i chipy Apple korzystają z ARM ISA.

Mikroarchitektury mogą mieć znaczący wpływ na gry, pracę zawodową, a nawet codzienne korzystanie z komputera.

Krótko mówiąc, mikroarchitektura łączy różne części procesora oraz sposób, w jaki łączą się one ze sobą i współdziałają w celu wdrożenia ISA. Jeśli więc ISA są jak różne języki, to mikroarchitektury są dialektami. Zaprojektowanie zupełnie nowego chipa nie wymaga wyrzucenia ISA, a stworzenie nowego procesora bez zmiany ISA skutkuje nową mikroarchitekturą. Mikroarchitektury zbudowane na tym samym ISA mogą być bardzo różne, ale uruchamiać ten sam kod, nawet jeśli jeden układ wyraźnie działa lepiej od drugiego. Firmy mają tendencję do tworzenia nowych mikroarchitektur w celu zwiększenia wydajności, dodania nowych instrukcji (zwanych rozszerzeniami, ponieważ nie znajdują się one w podstawowym ISA) lub ukierunkowania na konkretną aplikację.

Obecnie mamy kilka ISA, z których najważniejsze to x86 (współwłasność Intela i AMD), ARM (własność Arma, ale licencjonowana dla innych firm, takich jak Apple i Samsung), RISC-V (otwarty standard ISA, z którego każdy może korzystać za darmo) oraz PowerPC (należący do IBM i używany głównie w centrach danych, a wcześniej w wielu konsolach, takich jak PS3 i Wii). Istnieją co najmniej setki, jeśli nie tysiące mikroarchitektur, z których niektóre są znane, w tym seria Zen firmy AMD, seria Lake firmy Intel i seria Cortex firmy Arm.

ISA zdefiniowały granice w obrębie technologii

Fakt, że programiści muszą tworzyć kod specjalnie dla określonych ISA, aby działać natywnie (to znaczy bez konieczności użycie obejścia takiego jak emulacja, która często działa słabo) z konieczności stworzyło wiele murów, jeśli chodzi o komputery. Programiści zwykle skupiają się na tylko jednym ISA i to prawie nierozerwalne połączenie między sprzętem i oprogramowaniem definiuje, kto produkuje procesory dla określonych rodzajów urządzeń.

x86 jest prawie wyłącznie używany w komputerach stacjonarnych, laptopach i konsolach do gier, a te urządzenia z kolei prawie wyłącznie korzystają z x86. ARM, RISC-V i PowerPC zajmowały się tymi obszarami, ale x86 dominuje we wszystkich. Nawet to nie wystarczy Microsoft stworzył wersję ARM systemu Windows ponieważ zewnętrzni twórcy oprogramowania muszą to zrobić Wersje ARM swoich aplikacji, a bardzo niewielu z nich to robi. Z drugiej strony posiadanie systemu macOS przez Apple znacznie ułatwiło (choć nadal stanowiło wyzwanie) przejście z układów Intel x86 na własne.

Podobnie ARM kontroluje telefony i tablety i dzieje się tak od około dwóch dekad. Do czasu Intel rozpoczął produkcję układów x86 do telefonów pod koniec XXI wieku praktycznie cały rynek korzystał z procesorów ARM od lat i Intelowi trudno było przekonać firmy do zmiany.

Dziś wydaje się, że granice utworzone przez ISA w większości się utrwaliły. Jest bardzo mało prawdopodobne, że chipy ARM kiedykolwiek wyprzedzą x86 w komputerach stacjonarnych i laptopach (mimo że Apple robi tutaj znaczne postępy) i jest prawie pewne, że smartfony zawsze będą z nich korzystać RAMIĘ. Istnieje jednak znaczna konkurencja na rynkach wschodzących, takich jak centra danych i urządzenia Internetu rzeczy (IoT). RISC-V przedstawia również przekonujący argument, że wiele firm wolałoby tworzyć własne chipy RISC-V do zastosowań, w których potrzeba kompatybilności w szerokim ekosystemie nie stanowi tak naprawdę problemu. Być może w odległej przyszłości niektóre z tych ISA przestaną być stosowane, ale wydaje się prawdopodobne, że tylko kilka głównych ISA będzie kiedykolwiek istotnych w danym momencie.

Mikroarchitektury mogą wpłynąć na Twoje wrażenia z korzystania z urządzenia lub je zepsuć

Chociaż do marketingu firm nie można podchodzić bez przymrużenia oka, prawdą jest, że mikroarchitektury mogą mieć znaczący wpływ na granie, pracę zawodową, a nawet codzienne korzystanie z komputera. Jeśli zastanawiasz się, czy potrzebujesz najnowszej mikroarchitektury w swoim urządzeniu, czy nie, oto kilka rzeczy do rozważenia.

Gry często nie korzystają ze wszystkiego, co ma do zaoferowania nowa mikroarchitektura procesora, na przykład zwiększenia liczby instrukcji na zegar (IPC), ponieważ gry w rzeczywistości nie zużywają tak wielu zasobów surowych. Jednakże mikroarchitektury mogą zapewniać zwiększenie szybkości zegara, dodatkową pamięć podręczną i inne cechy, które mogą być lepsze w grach. Jeśli grasz w gry wideo z dużą liczbą klatek na sekundę, Twoje wrażenia mogą zostać znacznie poprawione dzięki zastosowaniu najnowszego procesora. Jeśli Twój procesor ma więcej niż pięć lat, być może nadszedł czas, aby rozważyć modernizację.

Dobrym pomysłem może być również aktualizacja do nowego procesora graficznego z nową mikroarchitekturą. Nowe karty graficzne czasami wprowadzają nowe funkcje, takie jak DLSS firmy Nvidia (dostępny tylko w kartach marki RTX i DLSS 3 tylko w seria RTX 40) i kodowanie AV1 obecne tylko w najnowszych procesorach graficznych RTX 40, RX 7000 i Arc Alchemist. Dodatkowo wydajność w grach zależy od karty graficznej, a nowe mikroarchitektury są często łączone z kartami, które mają znacznie większą moc obliczeniową i pamięć VRAM niż starsze te.

Czy warto przejść na procesory o nowej architekturze?

Jeśli chodzi o profesjonalną i kreatywną pracę, taką jak renderowanie, edycja wideo i inne zadania, zakup nowego procesora lub karty graficznej często się opłaca zarówno ze względu na nowe funkcje, jak i ogólnie wyższą wydajność. Czasami przydatne są na przykład dodatkowe instrukcje procesora, takie jak AVX. Potencjalny wzrost wydajności może się jednak znacznie różnić w zależności od aplikacji, dlatego należy sprawdzić swoje oprogramowanie, aby sprawdzić, czy będzie mogło skorzystać na nowszym sprzęcie.

Dla zwykłych użytkowników korzyści płynące z nowszego sprzętu nie są tak oczywiste, ponieważ podstawowe aplikacje mogą działać na praktycznie wszystkim, co powstało w ciągu ostatniej dekady. Jednak szczególnie dla użytkowników laptopów mikroarchitektura często zapewnia większą wydajność, a lepsza wydajność zwykle oznacza mniejsze zużycie energii, co z kolei oznacza dłuższą żywotność baterii.