Kaj je računalniška arhitektura?

Med predstavitvami tehnoloških podjetij, kot so AMD, Apple ali Intel, in tehničnimi listi za nekatere naprave in druge izdelke, ste skoraj zagotovo vsaj slišal beseda arhitektura. Apple se hvali, da njegova čipa M1 in M2 uporabljata ROKA arhitekturo in AMD poudarja, da je njegova arhitektura Zen 4 boljša od Intelove arhitekture Raptor Lake. Toda v vsem trženju ni nikoli zares razloženo, kaj je pravzaprav "arhitektura". Tukaj je vse, kar morate vedeti o arhitekturah in zakaj so pomembne.

Arhitektura: osnova procesorja

Arhitektura je nejasna beseda v tehnologiji, vendar tukaj govorim o arhitekturah z nizom navodil (ISA) in mikroarhitekturah. Tako ISA kot mikroarhitekture so skrajšane za arhitekture, ker je nenavadno zamenjati ISA in mikroarhitekture. Poleg tega bom večinoma govoril o arhitekturah CPE, vendar drugi procesorji, kot so GPE, uporabljajo tako ISA kot mikroarhitekture.

ISA je dobro izhodišče, ker je najosnovnejši del procesorja in vsebuje njegovo najbolj temeljno vidike, kot so navodila (kot sta seštevanje in množenje) in funkcije (kot je zmožnost obravnavanja števil, ki imajo 32 decimalk mesta). Procesorji, ki uporabljajo določen ISA, lahko izvajajo samo kodo, zasnovano za ta ISA (čeprav je emulacija rešitev). Zato je bilo zelo pomembno, ko je Apple začel prodajati računalnike Mac z Apple silicijem, saj je bil macOS zgrajen za procesorje Intel, ki uporabljajo

x86 ISA in Applovi čipi uporabljajo ARM ISA.

Mikroarhitekture lahko pomembno vplivajo na igranje iger, poklicno delo ali celo občasno uporabo računalnika.

Skratka, mikroarhitektura je tisto, kar povezuje različne dele procesorja in kako se med seboj povezujejo in delujejo za implementacijo ISA. Torej, če so ISA kot različni jeziki, potem so mikroarhitekture narečja. Oblikovanje popolnoma novega čipa ne zahteva opustitve ISA in ustvarjanje novega procesorja brez spreminjanja ISA povzroči novo mikroarhitekturo. Mikroarhitekture, zgrajene na istem ISA, so lahko zelo različne, vendar izvajajo isto kodo, tudi če en čip očitno deluje bolje kot drugi. Podjetja se nagibajo k izdelavi novih mikroarhitektur, da bi povečali zmogljivost, dodali nova navodila (znana kot razširitve, ker niso znotraj osnovnega ISA) ali ciljajo na določeno aplikacijo.

Danes imamo nekaj ISA-jev, med katerimi so glavni x86 (v solasti Intela in AMD), ARM (v lasti Arma, vendar ima licenco druga podjetja, kot sta Apple in Samsung), RISC-V (ISA z odprtim standardom, ki ga lahko vsak uporablja brezplačno) in PowerPC (v lasti IBM-a in večinoma uporabljen za stvari v podatkovnih centrih in prej veliko konzol, kot sta PS3 in Wii). Obstaja vsaj na stotine, če ne na tisoče mikroarhitektur, med katerimi so nekatere znane, vključno z AMD-jevo serijo Zen, Intelovo Lake in Armovo serijo Cortex.

ISA so določili meje znotraj tehnologije

Dejstvo, da morajo programerji izdelati kodo posebej za določene ISA, da lahko delujejo izvorno (tj. brez potrebe po uporaba rešitve, kot je emulacija, ki se pogosto slabo obnese), je nujno ustvarila veliko zidov, ko gre za računalniki. Razvijalci se ponavadi osredotočajo na samo en ISA in ta skoraj nezlomljiva povezava med strojno in programsko opremo je določila, kdo izdeluje procesorje za določene vrste naprav.

x86 se skoraj izključno uporablja v namiznih, prenosnih računalnikih in igralnih konzolah, te naprave pa skoraj izključno uporabljajo x86. ARM, RISC-V in PowerPC so se vsi ubadali s temi področji, vendar x86 prevladuje nad vsemi. Niti to ni dovolj Microsoft je naredil različico operacijskega sistema Windows ARM ker morajo razvijalci programske opreme tretjih oseb narediti različice ARM njihovih aplikacij, in zelo malo jih je. Po drugi strani pa je Applovo lastništvo macOS-a precej olajšalo (čeprav še vedno izziv) prehod z Intelovih čipov x86 na lastne.

Podobno ima ARM močan nadzor nad telefoni in tablicami, kar velja že približno dve desetletji. Do takrat Intel je začel izdelovati čipe x86 za telefone v poznih 2000-ih je tako rekoč ves trg že leta uporabljal ARM in Intel je težko prepričal podjetja, da so zamenjala.

Danes se zdi, da so se meje, ki so jih ustvarili ISA, večinoma utrdile. Zelo malo verjetno je, da bodo čipi ARM kdaj prehiteli x86 v namiznih in prenosnih računalnikih (čeprav Apple tu močno napreduje) in gotovo je, da bodo pametni telefoni vedno uporabljali ROKA. Vendar pa obstaja velika konkurenca na nastajajočih trgih, kot so podatkovni centri in naprave interneta stvari (IoT). RISC-V daje tudi prepričljiv argument, da bi mnoga podjetja raje izdelala lastne čipe RISC-V za aplikacije, kjer potreba po združljivosti v širokem ekosistemu pravzaprav ni zaskrbljujoča. Morda bodo v daljni prihodnosti nekateri od teh standardov ISA izpadli iz uporabe, vendar se zdi verjetno, da bo le nekaj večjih standardov ISA vedno relevantnih.

Mikroarhitekture lahko izboljšajo ali uničijo vašo izkušnjo v napravi

Čeprav trženja podjetij ne morete jemati brez rezerve, je res, da lahko mikroarhitekture pomembno vplivajo na igranje iger, poklicno delo ali celo priložnostno uporabo računalnika. Če se sprašujete, ali potrebujete najnovejšo mikroarhitekturo v svoji napravi ali ne, je tukaj nekaj stvari, ki jih morate upoštevati.

Igre pogosto nimajo koristi od vsega, kar ponuja nova mikroarhitektura procesorja, kot je povečanje ukazov na takt (IPC), saj igre dejansko ne uporabljajo toliko surovih virov. Vendar pa lahko mikroarhitekture prinesejo povečano taktno hitrost, dodaten predpomnilnik in druge značilnosti, ki bi lahko bile boljše za igranje. Če igrate videoigre pri visoki hitrosti sličic, bo vaša izkušnja morda znatno izboljšana z uporabo najnovejšega procesorja. Morda je čas, da razmislite o nadgradnji, če je vaš CPE star več kot pet let.

Nadgradnja na nov GPE z novo mikroarhitekturo je prav tako lahko dobra ideja. Nove grafične kartice včasih uvedejo nove funkcije, kot je Nvidijin DLSS (ki je na voljo samo na karticah znamke RTX, DLSS 3 pa samo na serija RTX 40) in kodiranje AV1 je prisotno samo na najnovejših grafičnih procesorjih RTX 40, RX 7000 in Arc Alchemist. Poleg tega igralna zmogljivost tečaji na grafični kartici, nove mikroarhitekture pa so pogosto povezane s karticami, ki imajo veliko več surovih konjskih moči in VRAM-a kot starejše tiste.

Bi morali nadgraditi na procesorje z novimi arhitekturami?

Ko gre za profesionalno in ustvarjalno delo, kot je upodabljanje, urejanje videoposnetkov in druga opravila, je pridobitev novega CPE ali GPE pogosto vredna tako zaradi novih funkcij kot zaradi splošne višje zmogljivosti. Dodatna navodila procesorja, kot je AVX, so včasih koristna, na primer. Potencialne izboljšave zmogljivosti se lahko zelo razlikujejo glede na aplikacijo, zato morate raziskati svojo programsko opremo, da ugotovite, ali ji lahko novejša strojna oprema koristi.

Za občasne uporabnike prednosti novejše strojne opreme niso tako očitne, saj lahko osnovne aplikacije delujejo na skoraj vseh napravah, ustvarjenih v zadnjem desetletju. Zlasti uporabnikom prenosnih računalnikov pa mikroarhitektura pogosto prinese večjo učinkovitost, boljša učinkovitost pa običajno pomeni nižjo porabo energije, kar posledično pomeni daljšo življenjsko dobo baterije.