Čo je to počítačová architektúra?

Medzi prezentáciami od technologických spoločností ako AMD, Apple alebo Intel a technickými listami pre určité zariadenia a iné produkty ste takmer určite aspoň počul slovo architektúra. Apple sa chváli, že jeho čipy M1 a M2 používajú ARM architektúra a AMD zdôrazňuje, že jej architektúra Zen 4 je lepšia ako architektúra Raptor Lake od Intelu. Ale v celom marketingu nie je nikdy presne vysvetlené, čo to vlastne „architektúra“ je. Tu je všetko, čo potrebujete vedieť o architektúrach a prečo na nich záleží.

Architektúra: základ procesora

Architektúra je v technike vágne slovo, ale ja tu hovorím o architektúrach inštrukčných súborov (ISA) a mikroarchitektúrach. ISA aj mikroarchitektúry sú skrátené na architektúry, pretože je nezvyčajné zamieňať si ISA a mikroarchitektúry. Okrem toho budem väčšinou hovoriť o architektúrach CPU, ale iné procesory, ako sú GPU, používajú ISA aj mikroarchitektúry.

ISA je dobrým východiskovým bodom, pretože je to najzákladnejšia časť procesora a obsahuje to najzákladnejšie aspekty, ako sú pokyny (ako sčítanie a násobenie) a funkcie (ako schopnosť spracovať čísla s 32 desatinnými miestami Miesta). Procesory, ktoré používajú určitý ISA, môžu spúšťať iba kód určený pre tento ISA (hoci emulácia je riešenie). Preto to bola veľká vec, keď Apple začal predávať počítače Mac s kremíkom Apple, pretože macOS bol vytvorený pre procesory Intel, ktoré používajú x86 ISA a čipy Apple využívajú ARM ISA.

Mikroarchitektúry môžu mať významný vplyv na hranie hier, profesionálnu prácu alebo dokonca bežné používanie počítača.

Stručne povedané, mikroarchitektúra je to, čo spája rôzne časti procesora a ako sa prepájajú a spolupracujú pri implementácii ISA. Takže ak sú ISA ako rôzne jazyky, potom sú mikroarchitektúry dialekty. Návrh úplne nového čipu nevyžaduje vyradenie ISA a vytvorenie nového procesora bez zmeny ISA vedie k novej mikroarchitektúre. Mikroarchitektúry postavené na rovnakom ISA sa môžu výrazne líšiť, ale spúšťajú rovnaký kód, aj keď jeden čip funguje jednoznačne lepšie ako druhý. Spoločnosti majú tendenciu vytvárať nové mikroarchitektúry s cieľom zvýšiť výkon, pridávať nové inštrukcie (známe ako rozšírenia, pretože nie sú v rámci základného ISA) alebo sa zameriavať na konkrétnu aplikáciu.

Dnes máme niekoľko ISA, pričom hlavné sú x86 (spoluvlastnené spoločnosťami Intel a AMD), ARM (vlastnené spoločnosťou Arm, ale licencované iným spoločnostiam ako Apple a Samsung), RISC-V (otvorený štandard ISA, ktorý môže ktokoľvek používať zadarmo) a PowerPC (vlastnený spoločnosťou IBM a väčšinou používaný pre veci v dátových centrách a predtým veľa konzol ako PS3 a Wii). Existujú najmenej stovky, ak nie tisíce mikroarchitektúr, s niektorými slávnymi vrátane série Zen od AMD, série Lake od Intelu a série Cortex od Arm.

ISA definovali hranice v rámci tech

Skutočnosť, že programátori musia vytvoriť kód špecificky pre určité ISA, aby mohli bežať natívne (teda bez potreby použiť riešenie, ako je emulácia, ktorá často funguje zle) nevyhnutne vytvorilo veľa múrov, pokiaľ ide o počítačov. Vývojári majú tendenciu sústrediť sa len na jeden ISA a toto takmer neprerušiteľné prepojenie medzi hardvérom a softvérom definovalo, kto vyrába procesory pre určité druhy zariadení.

x86 sa takmer výlučne používa v stolných počítačoch, notebookoch a herných konzolách a tieto zariadenia zase takmer výlučne používajú x86. ARM, RISC-V a PowerPC všetky fušovali do týchto oblastí, ale dominuje im x86. Ani to nestačí Microsoft vytvoril ARM verziu Windowsu pretože vývojári softvéru tretích strán musia vytvoriť ARM verzie ich aplikáciía veľmi málo z nich má. Na druhej strane, vlastníctvo macOS spoločnosti Apple výrazne uľahčilo (aj keď stále náročné) prechod z čipov x86 Intel na jeho vlastné.

Rovnako tak má ARM na telefónoch a tabletoch priškrtenie, a to už asi dve desaťročia. Kým Intel začal vyrábať čipy x86 pre telefóny koncom roku 2000 prakticky celý trh používal ARM roky a Intel mal problém presvedčiť spoločnosti, aby prešli.

Dnes sa zdá, že hranice, ktoré ISA vytvorili, sa väčšinou upevnili. Je extrémne nepravdepodobné, že by čipy ARM niekedy predbehli x86 v stolných počítačoch a notebookoch (aj keď Apple tu robí významný pokrok) a je takmer isté, že smartfóny budú vždy používať ARM. Na rozvíjajúcich sa trhoch, ako sú dátové centrá a zariadenia internetu vecí (IoT), však existuje značná konkurencia. RISC-V tiež uvádza presvedčivý argument, že mnohé spoločnosti by radšej vyrábali svoje vlastné čipy RISC-V pre aplikácie, kde potreba kompatibility v rámci širokého ekosystému nie je v skutočnosti problémom. Možno v ďalekej budúcnosti niektoré z týchto ISA vypadnú z používania, ale zdá sa pravdepodobné, že v jednom momente bude relevantných len niekoľko veľkých ISA.

Mikroarchitektúry môžu vytvoriť alebo narušiť vašu skúsenosť na zariadení

Aj keď marketing firiem nemôžete brať bez zrnka soli, je pravda, že mikroarchitektúry môžu mať výrazný vplyv na hranie, profesionálnu prácu alebo aj bežné používanie počítača. Ak sa pýtate, či potrebujete najnovšiu mikroarchitektúru vo svojom zariadení alebo nie, tu je niekoľko vecí, ktoré je potrebné zvážiť.

Hry často neťažia zo všetkého, čo nová mikroarchitektúra CPU ponúka, ako napríklad zvýšenie počtu inštrukcií na takt (IPC), pretože hry v skutočnosti nevyužívajú toľko zdrojov. Mikroarchitektúry však môžu priniesť zvýšenie rýchlosti hodín, dodatočnú vyrovnávaciu pamäť a ďalšie vlastnosti, ktoré môžu byť lepšie pre hranie hier. Ak hráte videohry s vysokou snímkovou frekvenciou, váš zážitok môže byť výrazne vylepšený použitím najnovšieho procesora. Možno je čas zvážiť inováciu, ak je váš procesor starší ako päť rokov.

Upgrade na nový GPU s novou mikroarchitektúrou môže byť tiež dobrý nápad. Nové grafické karty niekedy prinášajú nové funkcie, ako napríklad DLSS od Nvidie (ktorá je dostupná iba na kartách značky RTX a DLSS 3 iba na séria RTX 40) a kódovanie AV1 je prítomné iba na najnovších GPU RTX 40, RX 7000 a Arc Alchemist. Navyše herný výkon pánty na grafickej karte a nové mikroarchitektúry sú často spárované s kartami, ktoré majú oveľa viac surových konských síl a VRAM ako staršie tie.

Mali by ste upgradovať na CPU s novými architektúrami?

Pokiaľ ide o profesionálnu a kreatívnu prácu, ako je vykresľovanie, úprava videa a ďalšie úlohy, získanie nového CPU alebo GPU sa často oplatí pre nové funkcie a všeobecne vyšší výkon. Dodatočné pokyny CPU ako AVX sú niekedy užitočné, napríklad. Potenciálne zvýšenie výkonu sa však môže značne líšiť v závislosti od aplikácie a mali by ste preskúmať svoj softvér, aby ste zistili, či môže ťažiť z novšieho hardvéru.

Pre príležitostných používateľov nie sú výhody novšieho hardvéru také zrejmé, pretože základné aplikácie môžu bežať takmer na čomkoľvek vyrobenom za posledné desaťročie. Najmä pre používateľov notebookov však mikroarchitektúra často prináša zvýšenú efektivitu a lepšia účinnosť zvyčajne znamená nižšiu spotrebu energie, čo zase znamená lepšiu výdrž batérie.