Що таке архітектура комп’ютера?

Між презентаціями технологічних компаній, таких як AMD, Apple або Intel, і специфікаціями для певних пристроїв та інших продуктів, ви майже напевно принаймні почув слово архітектура. Apple хвалиться тим, що її чіпи M1 і M2 використовують ARM архітектури, і AMD підкреслює, що її архітектура Zen 4 краща за архітектуру Raptor Lake від Intel. Але в маркетингу ніколи не пояснюється, що таке «архітектура». Ось усе, що вам потрібно знати про архітектуру та її значення.

Архітектура: основа процесора

Архітектура — це розпливчасте слово в техніці, але я говорю тут про архітектури набору інструкцій (ISA) і мікроархітектури. І ISA, і мікроархітектури скорочено називаються архітектурами, оскільки незвично плутати ISA та мікроархітектури. Крім того, я буду здебільшого говорити про архітектури ЦП, але інші процесори, такі як графічні процесори, використовують як ISA, так і мікроархітектури.

ISA є хорошою відправною точкою, тому що це найосновніша частина процесора та містить його найважливішу частину такі аспекти, як інструкції (як-от додавання та множення) і функції (як-от здатність обробляти числа, які мають 32 десяткові місця). Процесори, які використовують певний ISA, можуть виконувати лише код, розроблений для цього ISA (хоча емуляція є обхідним шляхом). Ось чому було важливо, коли Apple почала продавати комп’ютери Mac із силіконом Apple, оскільки macOS було створено для процесорів Intel, які використовують

x86 ISA і мікросхеми Apple використовують ARM ISA.

Мікроархітектури можуть мати значний вплив на ігри, професійну роботу чи навіть випадкове використання комп’ютера.

Коротше кажучи, мікроархітектура — це те, що з’єднує різні частини процесора, а також те, як вони взаємодіють і взаємодіють для реалізації ISA. Отже, якщо ISA схожі на різні мови, то мікроархітектури є діалектами. Розробка абсолютно нового чіпа не вимагає відмови від ISA, а створення нового процесора без зміни ISA призводить до нової мікроархітектури. Мікроархітектури, побудовані на одній і тій же ISA, можуть сильно відрізнятися, але запускати однаковий код, навіть якщо одна мікросхема явно працює краще, ніж інша. Компанії, як правило, створюють нові мікроархітектури для підвищення продуктивності, додають нові інструкції (відомі як розширення, оскільки вони не входять до базової ISA) або націлюються на конкретну програму.

Сьогодні ми маємо кілька ISA, серед яких основні — x86 (спільним власником є ​​Intel і AMD), ARM (належить Arm, але ліцензований іншим компаніям, таким як Apple і Samsung), RISC-V (ISA з відкритим стандартом, якою кожен може користуватися безкоштовно) і PowerPC (належить IBM і в основному використовується для роботи в центрі обробки даних і раніше для багатьох консолей, таких як PS3 і Wii). Існують принаймні сотні, якщо не тисячі, мікроархітектур, серед яких деякі відомі, включаючи серію Zen від AMD, серію Lake від Intel і серію Cortex від Arm.

ISA визначили межі в тех

Той факт, що програмістам доводиться створювати код спеціально для певних ISA, щоб працювати нативно (тобто без необхідності використовувати обхідний шлях, наприклад емуляцію, яка часто працює погано) обов’язково створила багато стін, коли справа доходить до комп'ютери. Розробники, як правило, зосереджуються лише на одній ISA, і цей майже непорушний зв’язок між апаратним і програмним забезпеченням визначає, хто виготовляє процесори для певних типів пристроїв.

x86 майже виключно використовується в настільних комп’ютерах, ноутбуках та ігрових консолях, а ці пристрої, у свою чергу, майже виключно використовують x86. ARM, RISC-V і PowerPC пробували в цих областях, але x86 домінує над усіма. Навіть цього недостатньо Microsoft створила ARM-версію Windows тому що сторонні розробники програмного забезпечення повинні зробити ARM-версії своїх програм, і дуже мало з них. З іншого боку, володіння Apple macOS значно спростило (хоча й досі складно) перейти з чіпів x86 Intel на власні.

Подібним чином ARM міцно тримає телефони та планшети, і це вже близько двох десятиліть. До часу Intel почала випускати чіпи x86 для телефонів наприкінці 2000-х років практично весь ринок використовував ARM, і Intel було важко переконати компанії перейти.

Сьогодні здається, що межі, створені ISA, здебільшого зміцнилися. Надзвичайно малоймовірно, що чіпи ARM коли-небудь обійдуть x86 у настільних і ноутбуках (хоча Apple робить значний прогрес тут), і майже безперечно, що смартфони завжди використовуватимуть ARM. Однак існує значна конкуренція на ринках, що розвиваються, таких як центри обробки даних і пристрої Інтернету речей (IoT). RISC-V також наводить переконливий аргумент, що багато компаній віддадуть перевагу виготовленню власних чіпів RISC-V для додатків, де потреба в сумісності в широкій екосистемі насправді не викликає занепокоєння. Можливо, у віддаленому майбутньому деякі з цих ISAs вийде з ужитку, але здається ймовірним, що лише кілька основних ISAs будуть актуальними в будь-який момент.

Мікроархітектури можуть покращити або порушити ваш досвід роботи на пристрої

Незважаючи на те, що ви не можете сприймати маркетинг компаній без зерна солі, правда, що мікроархітектури можуть мати значний вплив на ігри, професійну роботу або навіть випадкове використання комп’ютера. Якщо вам цікаво, чи потрібна вам остання мікроархітектура у вашому пристрої чи ні, ось кілька речей, які слід розглянути.

Ігри часто не отримують переваги від усього, що може запропонувати нова мікроархітектура ЦП, наприклад збільшення кількості інструкцій за такт (IPC), оскільки ігри насправді не використовують так багато сировинних ресурсів. Однак мікроархітектури можуть мати підвищення тактової частоти, додатковий кеш та інші характеристики, які можуть бути кращими для ігор. Якщо ви граєте у відеоігри з високою частотою кадрів, використання новітнього процесора може значно покращити ваш досвід. Можливо, настав час подумати про оновлення, якщо вашому ЦП більше п’яти років.

Оновлення до нового графічного процесора з новою мікроархітектурою також може бути гарною ідеєю. Нові відеокарти іноді вводять нові функції, такі як DLSS від Nvidia (який доступний лише на картках RTX, а DLSS 3 лише на серія RTX 40) і кодування AV1 присутні лише на останніх графічних процесорах RTX 40, RX 7000 і Arc Alchemist. Крім того, ігрова продуктивність петлі на графічній карті, і нові мікроархітектури часто поєднуються з картами, які мають набагато більше сирих сил і відеопам’яті, ніж старі одні.

Чи варто переходити на процесори з новою архітектурою?

Коли мова заходить про професійну та творчу роботу, як-от рендеринг, редагування відео та інші завдання, придбання нового процесора або графічного процесора часто варто того, щоб отримати нові функції та загалом вищу продуктивність. Додаткові інструкції ЦП, такі як AVX, іноді корисні, наприклад. Проте потенційні переваги продуктивності можуть значно відрізнятися залежно від програми, і вам слід дослідити своє програмне забезпечення, щоб побачити, чи може воно отримати користь від новішого обладнання.

Для звичайних користувачів переваги новішого апаратного забезпечення не такі очевидні, оскільки базові програми можуть працювати практично на будь-якому пристрої, створеному за останнє десятиліття. Зокрема, для користувачів ноутбуків мікроархітектура часто підвищує ефективність, а краща ефективність зазвичай означає менше енергоспоживання, що, у свою чергу, означає кращий термін служби акумулятора.