Многие наверное, помнят, какими темпами увеличивалась тактовая частота микропроцессора в 90-х и начале 2000-х годов. Десятки мегагерц стремительно переросли в сотни, сотни мегагерц почти мгновенно сменились цельным гигагерцем, затем гигагерцем с долями, двумя гигагерцами и т.д. Но последние несколько лет частота уже не растет так быстро. От десятка гигагерц мы сейчас почти так же далеки, как и 5 лет назад. Так куда же исчез прежний темп? Возможно, это связано с ограничениями в увеличении тепловыделения и энергопотребления, а также с тем, что производители сейчас больше фокусируются на оптимизации архитектуры и улучшении эффективности работы процессоров, чем просто увеличении их тактовой частоты.
Сильное тепловыделение
Хотя многие считают, что увеличение тактовой частоты процессора приводит к повышению тепловыделения и, как следствие, к риску перегрева и выходу из строя, это далеко не единственный аспект, который нужно учитывать. Да, оверклокеры добиваются значительного увеличения производительности путем разгона процессоров, но для этого им необходимо не только мощное охлаждение, но и глубокие знания о работе компонентов и умение настраивать систему для оптимальной работы.
Повышение тактовой частоты действительно может увеличить производительность процессора, но это лишь один из аспектов оптимизации работы компьютера. Для достижения максимальной производительности необходимо учитывать множество других факторов, таких как кэш-память, архитектура процессора, эффективность работы оперативной памяти и т.д.
Оптимизации конвейера
Как видно, увеличение частоты процессора напрямую не приведет к улучшению производительности. Вместо этого, можно обратить внимание на оптимизацию конвейера. Конвейерное исполнение позволяет разбить выполнение каждой инструкции на несколько этапов, которые выполняются параллельно на различных вычислительных блоках процессора. Это позволяет освободить вычислительные ресурсы и повысить эффективность работы процессора. В итоге, оптимизация конвейера может значительно улучшить производительность системы.Конвейер выглядит так
То есть, как видно, к четвертому такту на конвейере будет выполняться одновременно уже 4 инструкции. Однако это — идеальный случай. Проблема заключается в том, что каждая стадия выполняется за свое время, и так как размер такта всегда постоянен и привязывается к времени выполнения самой долгой стадии, то в какие-то моменты времени конвейер будет просто простаивать (красное — время простоя).
Тогда в голову приходит простая мысль — почему бы не привязать время такта к времени выполнения самой короткой стадии, и тогда более длинные будут просто дробиться на несколько тактов, и большая часть простоев уйдет. Увы — идея хорошая, но на деле это ничего не даст. Разберем случай как на картинке выше: стадии 1, 3 и 4 одинаковые по длине и вдвое короче стадии 2. То есть время такта сократим вдвое — это приведет к росту частоты процессора вдвое: к примеру, время выполнения 1 такта на процессоре с частотой 4 ГГц занимает 1/4 ГГц = 250 пс. Если мы уменьшим такт вдвое, до 125 пс, то мы получим частоту 1/125 пс = 8 ГГц. Однако производительность процессора не возрастет — простои все так же будут, и в том же количестве.
В результате наш гипотетический процессор с длиной такта 125 пс не сможет опережать процессор с длиной такта 250 пс. Разделение самой длинной стадии на более мелкие части может увеличить частоту работы процессора, но это не всегда возможно из-за зависимостей между операциями. Например, если у нас есть операции A + B = X, C + D = Y и X*Y = Z, чтобы получить Z, нам нужно дождаться завершения предыдущих операций. Иногда длинные стадии могут замедлить процесс вычислений из-за таких зависимостей, и это может быть неразрешимой проблемой.