Что такое архитектура компьютера?

Между презентациями технологических компаний, таких как AMD, Apple или Intel, и спецификациями определенных устройств и других продуктов вы почти наверняка слышал слово архитектура. Apple хвастается тем, что ее чипы M1 и M2 используют РУКА архитектура, и AMD подчеркивает, что ее архитектура Zen 4 лучше, чем архитектура Intel Raptor Lake. Но во всем маркетинге никогда не объяснялось, что такое «архитектура» на самом деле. Вот все, что вам нужно знать об архитектурах и их важности.

Архитектура: основа процессора

Архитектура — расплывчатое слово в технике, но здесь я говорю об архитектурах с набором инструкций (ISA) и микроархитектурах. И ISA, и микроархитектуры сокращенно называются архитектурами, потому что путать ISA и микроархитектуры необычно. Кроме того, я в основном буду говорить об архитектуре ЦП, но другие процессоры, такие как графические процессоры, используют как ISA, так и микроархитектуры.

ISA — хорошая отправная точка, потому что это самая основная часть процессора и именно в ней содержится его основная часть. аспекты, такие как инструкции (например, сложение и умножение) и функции (например, возможность обработки чисел, которые имеют 32 десятичных знака). места). Процессоры, использующие определенную ISA, могут запускать только код, предназначенный для этой ISA (хотя эмуляция является обходным путем). Вот почему это было большим событием, когда Apple начала продавать компьютеры Mac с Apple Silicon, потому что macOS была создана для процессоров Intel, использующих x86 ISA и чипы Apple используют АРМ ИСА.

Микроархитектуры могут оказать существенное влияние на игры, профессиональную работу или даже повседневное использование компьютера.

Короче говоря, микроархитектура — это то, что соединяет различные части процессора и как они взаимодействуют и взаимодействуют для реализации ISA. Итак, если ISA похожи на разные языки, то микроархитектуры — это диалекты. Разработка совершенно нового чипа не требует отказа от ISA, а создание нового процессора без изменения ISA приводит к созданию новой микроархитектуры. Микроархитектуры, построенные на одной и той же ISA, могут сильно различаться, но выполнять один и тот же код, даже если один чип явно работает лучше, чем другой. Компании склонны создавать новые микроархитектуры для повышения производительности, добавлять новые инструкции (известные как расширения, поскольку они не входят в базовую ISA) или ориентироваться на конкретное приложение.

Сегодня у нас есть несколько ISA, основными из которых являются x86 (в совместном владении Intel и AMD), ARM (принадлежащий Arm, но лицензированный для других компаний, таких как Apple и Samsung), РИСК-V (ISA с открытым стандартом, который каждый может использовать бесплатно) и PowerPC (принадлежит IBM и в основном используется для центров обработки данных, а ранее использовалось для множества консолей, таких как PS3 и Wii). Существуют как минимум сотни, если не тысячи, микроархитектур, некоторые из которых известны, включая серию Zen от AMD, серию Lake от Intel и серию Cortex от Arm.

ISA определили границы в рамках технологии

Тот факт, что программисты должны создавать код специально для определенных ISA, чтобы работать изначально (то есть без необходимости использовать обходной путь, такой как эмуляция, которая часто работает плохо) неизбежно создает много стен, когда дело доходит до компьютеры. Разработчики, как правило, сосредотачиваются только на одной ISA, и эта почти неразрывная связь между аппаратным и программным обеспечением определяет, кто производит процессоры для определенных типов устройств.

x86 почти исключительно используется в настольных компьютерах, ноутбуках и игровых консолях, а эти устройства, в свою очередь, почти исключительно используют x86. ARM, RISC-V и PowerPC пробовали себя в этих областях, но x86 доминирует над ними. Недостаточно даже этого Microsoft выпустила ARM-версию Windows потому что сторонние разработчики программного обеспечения должны сделать ARM-версии своих приложений, и очень немногие из них имеют. С другой стороны, собственность Apple на macOS значительно упростила (хотя и по-прежнему сложно) переход с чипов Intel x86 на собственные.

Точно так же ARM мертвой хваткой владеет телефонами и планшетами, и так было уже около двух десятилетий. К тому времени Intel начала производить чипы x86 для телефонов в конце 2000-х годов практически весь рынок использовал ARM в течение многих лет, и Intel было трудно убедить компании перейти на него.

Сегодня кажется, что границы, созданные ISA, в основном укрепились. Крайне маловероятно, что чипы ARM когда-либо превзойдут x86 в настольных и портативных компьютерах (хотя Apple добилась значительных успехов в этом), и почти наверняка смартфоны всегда будут использовать РУКА. Однако на развивающихся рынках, таких как центры обработки данных и устройства Интернета вещей (IoT), существует значительная конкуренция. RISC-V также является убедительным аргументом в пользу того, что многие компании предпочитают создавать свои собственные чипы RISC-V для приложений, где необходимость совместимости в широкой экосистеме на самом деле не является проблемой. Возможно, в отдаленном будущем некоторые из этих ISA выйдут из употребления, но вполне вероятно, что только несколько основных ISA будут когда-либо актуальными в любой момент.

Микроархитектуры могут улучшить или испортить ваш опыт работы с устройством

Хотя маркетинг компаний нельзя воспринимать без скептицизма, микроархитектуры действительно могут оказать существенное влияние на игры, профессиональную работу или даже повседневное использование компьютера. Если вам интересно, нужна ли вам новейшая микроархитектура в вашем устройстве или нет, вот несколько вещей, которые следует учитывать.

Игры часто не получают выгоды от всего, что может предложить новая микроархитектура ЦП, например, увеличения количества инструкций за такт (IPC), поскольку игры на самом деле не используют столько необработанных ресурсов. Однако микроархитектуры могут иметь повышение тактовой частоты, дополнительный кэш и другие характеристики, которые могут быть лучше для игр. Если вы играете в видеоигры с высокой частотой кадров, ваш опыт может быть значительно улучшен благодаря использованию новейшего процессора. Возможно, пришло время подумать об обновлении, если вашему процессору более пяти лет.

Обновление до нового графического процессора с новой микроархитектурой также может быть хорошей идеей. В новых видеокартах иногда появляются новые функции, такие как DLSS от Nvidia (которая доступна только на картах марки RTX, а DLSS 3 — только на серии RTX 40) и кодирование AV1 присутствует только на новейших графических процессорах RTX 40, RX 7000 и Arc Alchemist. Кроме того, игровая производительность зависит от видеокарты, и новые микроархитектуры часто сочетаются с картами, которые имеют гораздо больше сырой мощности и видеопамяти, чем старые. те.

Стоит ли переходить на процессоры с новой архитектурой?

Когда дело доходит до профессиональной и творческой работы, такой как рендеринг, редактирование видео и другие задачи, приобретение нового процессора или графического процессора часто стоит как новых функций, так и более высокой производительности в целом. Например, иногда полезны дополнительные инструкции ЦП, такие как AVX. Однако потенциальный прирост производительности может сильно различаться в зависимости от приложения, и вам следует изучить свое программное обеспечение, чтобы увидеть, сможет ли оно извлечь выгоду из более нового оборудования.

Для обычных пользователей преимущества нового оборудования не столь очевидны, поскольку базовые приложения могут работать практически на всем, что было создано за последнее десятилетие. Тем не менее, для пользователей ноутбуков, в частности, микроархитектура часто обеспечивает повышенную эффективность, а более высокая эффективность обычно означает более низкое энергопотребление, что, в свою очередь, означает увеличение времени автономной работы.