Dvě jádra AMD

MMX, SSE, NetBurst, Hyperthreading, Dualcore – technologie, které výrobce
procesorů dokáže proměnit v marketingový nástroj. Posledním trendovým slůvkem

je právě Dualcore: označení dvoujádrových procesorů, které spojuje technologii

a marketing.



Podíváme-li se na celou problematiku s větším odstupem, je jasné, že současné

dvoujádrové procesory jsou stejnou měrou technologickou evolucí i cestou z

nouze. Či z krize, které výrobci procesorů (především Intel) čelí, neboť se

jejich současné architektury přiblížily takzvanému frekvenčnímu stropu, tedy

maximální pracovní frekvenci, které lze dosáhnout se současnými technologiemi.

Došlo k tomu dříve, než se původně předpokládalo. Budoucí architektury sice

umožní dosahovat opět vyšších frekvencí, jejich zvyšování bude ale stále

technicky náročnější a výrobci procesorů proto hledají jiné cesty, jak výkon

zvýšit. Sloučení dvou (a v budoucnu jistě i více) procesorových jader (tedy de

facto dvou procesorů – jádro je vlastní křemíková destička, obsahující veškeré

logické obvody procesoru, zatímco jako procesor se obvykle označuje kompletní

„balení“ v keramickém či plastovém pouzdře) je bezpochyby legitimní cestou.

Nové postupy s sebou ale často přinášejí nemalé komplikace.

Dvou či vícejádrové procesory jsou na první pohled jednoduchou cestou k

dosažení vyššího výkonu. Až doposud design nového – výkonnějšího – CPU spočíval

ve vylepšení či přidání výpočetních (exekučních) jednotek, vylepšení jednotky

pro odhad větvení, zvětšení vyrovnávací paměti a současného zvýšení pracovní

frekvence. Poté byly v průběhu několika (zhruba pěti) následujících let

vylepšovány výrobní procesy, zmenšována struktura a prováděny drobné

modifikace, což umožnilo zvyšování pracovní frekvence a tím i výkonu.

Dvoujádrový procesor umožňuje poměrně výrazné zvýšení výpočetního výkonu

prostým spojením dvou procesorů do jednoho „balení“ – to sice vyžaduje jisté

zásahy do designu jádra procesoru, jedná se ale o relativně „drobné“ úpravy s

relativně nízkými náklady na vývoj a výzkum.

Uvedení dvoujádrových procesorů ale není, jak jsme již naznačili, jen trikem

Intelu či AMD, který by měl jednoduše vyřešit otázku zvyšování výkonu. Pentium

D a Athlon 64 X2 jsou ve skutečnosti prvním krokem směrem k budoucím generacím

procesorů, které nebudou obsahovat dvě či tři, ale časem patrně i desítky

jader. Na rozdíl od současných vícejádrových procesorů, které jsou složeny ze

dvou identických CPU, se ale bude jednat o kombinaci různých specializovaných

jader (dalo by se říci specializovaných procesorů a koprocesorů), které budou

vzájemně spolupracovat – či přesněji jimž budou aplikace a operační systém

zadávat specifické úlohy. Prvním čipem tohoto typu je Cell, který společnosti

IBM, Sony a Toshiba vyvinuly pro PlayStation3 (a budoucí spotřební

elektroniku). Ten obsahuje vedle jádra PowerPC také specializovaná vektorová

jádra. Tato změna půjde ruku v ruce s vývojem aplikací a operačních systémů.

Hardwarová a softwarová architektura PC byla totiž původně navržena pro sériové

(postupné) zpracování úloh. V průběhu devadesátých let se sice objevily

víceprocesorové systémy s PC architekturou, schopné zpracovat úlohy paralelně,

prakticky výhradně se ale jednalo o řešení určená pro servery či pracovní

stanice. S příchodem Windows 2000 se možnost využít tzv. „multithreading“

otevřela i běžným uživatelům, ale do nástupu hyperthreadingu, který lze označit

za virtuální formu multithreadingu, zůstalo obvykle pouze u potenciálu

operačního systému, neboť aplikace se až na výjimky možnosti rozdělit

zpracovávané úlohy na více „vláken“ nepřizpůsobily.

S příchodem dvoujádrových procesorů tak jsou stolní (a v příštím roce přibudou

i mobilní) počítače schopny skutečného multithreadingu – tedy paralelního

zpracování dvou úloh (či více – záleží na počtu vláken, threadů, které může

procesor současně provádět) současně bez viditelného zpomalení, spíše než

zásadního urychlení PC. V mnoha případech byste totiž přechod z jedno na

dvoujádrový procesor patrně nezaznamenali. Jednoduše proto, že většina

současných programů a aplikací nedokáže multithreading využít – mezi výjimky

patří zejména profesionální programy pro práci s grafikou (Photoshop) a

vizualizaci (3D Studio, Maya, Lightwave). Procesory se dvěma jádry nabídnou

vyšší (respektive nesnížený) výkon především v případě, že pracujete s několika

aplikacemi současně. Dvoujádrové procesory tedy nejsou (nebo přinejmenším

zpočátku nebudou) ideální investicí pro každého. Je velmi pravděpodobné, že

stále větší počet programů bude časem multithreading podporovat a není pochyb o

tom, že budoucí operační systémy – jmenovitě Windows Longhorn, plánované na

konec příštího roku – budou pro využití dvou či vícejádrových procesorů

navrženy a pro jejich optimální běh budou patrně doporučeny dvoujádrové

procesory. Můžeme pochopitelně diskutovat o tom, zda v tomto případě Intel a

AMD nahrávají do rukou Microsoftu či naopak, jen stěží na tom ale něco změníme

(ostatně tato vzájemná „výpomoc“ při prodeji nových procesorů a operačních

systémů má dlouholetou tradici).

Nepatříte-li do některé specifické skupiny uživatelů, která intenzivně pracuje

s aplikacemi využívajícími multithreading, případně nepracujete-li často s

velký počtem aplikací současně, není důvod s koupí dvoujádrového procesoru před

uvedením Windows Longhorn spěchat. To platí zejména pro PC hráče, jimž nemají

dvoujádrové procesory opravdu co nabídnout, což ostatně přiznává kupříkladu i

AMD (podle tohoto výrobce budou dvoujádrové procesory pro hráče atraktivní až

koncem roku 2006).



Když dva dělají totéž.

Pojďme se nyní podívat blíže na rozdíly v architektuře dvoujádrových procesorů

AMD a Intel. Intel zvolil nejjednodušší způsob spolupráce dvou jader: vložil do

pouzdra dva procesory, které vzájemně komunikují pomocí sběrnice FSB. Takové

řešení klade minimální nároky na výzkum a vývoj, nutnost vést komunikaci přes

základní desku ale způsobila, že pro nová Pentia D jsou třeba i nové základní

desky. Ani samotná volba FSB není ideální – jedná se o typický příklad úzkého

hrdla, které částečně omezuje efektivitu spolupráce obou jader. Konečně

existence na jedné FSB znamená, že obě jádra musí pracovat na stejných

frekvencích, což omezuje možnosti úspor energie.

Postup, který zvolilo AMD pro Athlon 64 X2, je odlišný a vychází zejména z

výhod architektury běžného Athlonu 64. Jádra jsou propojena přímo uvnitř

procesoru pomocí tzv. rozhraní systémových požadavků (systém request interface)

a křížového přepínače, který komunikuje s paměťovým řadičem a rozhraním

hypertransport – obě tato rozhraní jsou integrována přímo v procesoru. Veškerá

komunikace mezi oběma jádry tak probíhá uvnitř procesoru – dvoujádrové

procesory AMD díky tomu nepotřebují nové základní desky, postačí update BIOSu

na prakticky libovolné desce s paticí S939. Je velmi pravděpodobné, že AMD s

možností vícejádrových procesorů počítalo už při původním návrhu jádra K8.



Vítejte v realitě

Athlon 64 X2 ani Pentium D ale rozhodně nemohou nabídnout dvojnásobek výkonu

procesorů s jedním jádrem na stejné frekvenci. To je dáno jednak nedostatečně

optimalizovanými aplikacemi, ale i skutečností, že obě jádra musí ve všech

případech sdílet dostupné zdroje jako je systémová sběrnice či RAM a periferie.

Rozdílům ve výkonu obou řešení se podrobně věnoval kolega Petr Matuška v

„praktické“ části tohoto článku, v souvislosti s nimi ale stojí za zmínku velmi

odlišná cenová politika AMD a Intelu. Zatímco dvoujádrová Pentia D jsou

dostupná v nižších frekvencích a adekvátně nízkých cenách (od cca 5 do 12 tisíc

Kč), Athlon 64 X2 je nabízen jako luxusní zboží od cca 12 do 24 tisíc – nelze

se zbavit dojmu, že AMD tak reguluje případnou vysokou poptávku po vlastních

dvoujádrových procesorech, neboť současné výrobní kapacity by patrně nestačily

uspokojit poptávku v případě výrazně nižších cen.

Nejpodstatnější ale je, zda dvoujádrový procesor vůbec dokážete využít. Pakliže

pracujete s mnoha programy současně či s profesionálními programy pro

vizualizaci, odpověď nejspíše zní ANO. Naopak používáte-li spíše kancelářské

aplikace či hry, je v současné době investice do dvoujádrového procesoru

prakticky zbytečná.



DualCore AMD v praxi

Po teoretické, či spíše technologické části vás můžeme seznámit s praktickými

testy nových procesorů AMD. K dispozici jsme měli dvoujádrový procesor AMD

Athlon 64 X2 4800+, usazený do patice Socket 939. Procesor pracoval na

frekvenci 2 400 MHz a obsahoval ke každému jádru přidělenou cache druhé úrovně

o velikosti 1 MB. Svými parametry přesně odpovídá jednojádrovému procesoru AMD

Athlon 64 4000+, který jsme měli v době testu také k dispozici. Dostali jsme

tak možnost porovnat výkonnostní rozdíl, který přináší druhé jádro procesoru za

stejných podmínek. Ty v testu zajišťovala základní deska Asus A8N-SLI s

upraveným BIOSem, podporujícím dvoujádrové procesory AMD. Motherboard využívá

služeb čipové sady NVIDIA nForce4 SLI a doprovázen byl dvojicí operačních

pamětí Corsair s časováním 2–5–2–3–2, zapojených ve 128bitovém režimu přístupu

do paměti, nazývaného také DualDDR. Každý modul měl kapacitu 512 MB a pracoval

na frekvenci 400 MHz. V grafickém slotu PCI Express x16 byla osazena karta

NVIDIA GeForce 6800 Ultra s 256 MB paměti GDDR3. K ukládání dat sloužil pevný

disk Western Digital Raptor, připojený k Serial ATA II řadiči, disponující

kapacitou 74 GB, s 10 000 otáčkami za minutu.



Operační systém

Na testovacím počítači byl kromě 32bitové anglické verze Microsoft Windows XP

Professional s nainstalovaným Service Pack 2 také 64bitový operační systém

Microsoft Windows XP 64-Bit Professional Edition. Testy jsme provedli na obou

systémech za účelem porovnání kompatibility a výkonového přírůstku/úbytku v

současné době, kdy ještě nejsou programy z velké části optimalizované pro

provoz pod 64bitovým systémem.



SiSoft Sandra

Program společnosti SiSoft s názvem Sandra 2005 měl v našich testech za úkol

zjistit propustnost systému z hlediska operačních pamětí a celkového systému,

do kterého se započítává průchodnost pamětí, cache procesoru a rychlost

systémové sběrnice. Použitá verze programu SiSoft Sandra Lite 2005.SR1 (10.50)

podporovala jak 32bitové MS Windows XP, tak i 64bitovou verzi tohoto operačního

systému. První údaj v tabulce udává paměťovou propustnost systému, druhý

propustnost celého systému včetně cache procesoru. V porovnání s předchozími

testy jsou obě hodnoty vyšší, což bylo způsobené zejména optimalizací BIOSu.

Rozdíl v propustnosti přinesla podpora 64 bitů, kde v testu Sandra Chipset

dosáhl systém o necelých 500 bodů více než v 32bitovém systému. V porovnání

obou procesorů byly výsledné rozdíly zanedbatelné, pod hranicí statistické

chyby.



Aida32

Programem Aida32 jsme testovali průchodnost pamětí. I když se tento software

již nevyvíjí a poslední verze 3.93 je již několik měsíců stará, přesto velmi

dobře vypovídá o propustnosti pamětí. Výsledky se nijak zásadně nelišily od

hodnot naměřených s jednojádrovým a dvoujádrovým procesorem a v obecné rovině

nevybočovaly nad hodnoty dosahované velmi dobře vyladěným systémem.



3DMark 03 a 05

Sérii syntetických testů jsme zahájily herními benchmarky od společnosti

FutureMark: 3DMark03 ve verzi 3.6.0 a 3DMark05 ve verzi 1.2.0. Dosažené

výsledky u 3DMark03 dávají jasně najevo, že v herních aplikacích, které nejsou

optimalizovány pro více jader, dualcore procesor těží pouze ze své výpočetní

síly – frekvence a paměti cache, stejně jako jeho jednojádrový kolega. Rozdíly

jsou v tomto případě minimální. Co se týká použití testů v 64bitovém operačním

systému, zde se potvrdilo, že výkon je závislý na optimalizaci programu a

použitých ovladačů zařízení. Výsledky byly o necelých 900 bodů nižší než u

testů na 32bitovém operačním systému. U novějšího benchmarku 3DMark05 se

jednalo dokonce o ztrátu výkonu, nepřekračující ovšem statistickou chybu

měření. Znatelný byl opět pokles výkonu při použití 64bitového operačního

systému.



DVDShrink

Ryze praktický test čekal procesory v testu pomocí programu DVDShrink 3.2.0.15,

který měl za úkol převést obsah DVD Videa na předem definovaný formát.

Výsledkem je čas, za který se to systému povedlo. V tomto testu se poprvé

projevila síla dvoujádrového procesoru AMD Athlon 64 X2, který zvládl

komprimaci téměř dvakrát rychleji než procesor AMD Athlon 64 4000+ s jedním

jádrem. Hodnota 9 minut a 7 sekund je dokonce o tři desítky sekund nižší, než

zvládl v minulém čísle testovaný procesor Intel Pentium Extreme Edition 840.

Stejný test provedený v 64bitové verzi operačního systému byl o několik sekund

pomalejší.



Doom3

Nezapomněli jsme ani na herní benchmarky. Prvním z nich byl reálný test v

aktuální hře Doom3 verze 1.1, která využívá k renderování OpenGL. Zvolili jsme

standardní nastavení, používané pro testy – rozlišení 1 024 × 768 obrazových

bodů, nejnižší detaily a vypnuté celoobrazovkové vyhlazování. Testovali jsme

pomocí přednastavené sekvence DEMO1. Při tomto nastavení dosáhl dvoujádrový

procesor hranice 120 snímků za sekundu, stejného výsledku ale dosáhl i shodně

taktovaný procesor AMD Athlon 64 4000+. Výsledek v MS Windows XP 64-Bit

Professional Edition byl shodně o čtyři snímky za sekundu nižší než u 32bitové

verze, což je dáno především neoptimalizovanými ovladači.



Half-Life 2

Druhou hru, pomocí níž jsme měli možnost otestovat výkon nového procesoru, byl

Half-Life2 od společnosti Sierra. Hra využívá moderního rozhraní DirectX 9.0b.

Testy probíhaly na sadě předurčených sekvencí v rozlišení 1 024 × 768 a se

standardním nastavením, bez zapnutého celoobrazovkového vyhlazování. Výsledkem

je hodnota, signalizující průměrný počet snímků za sekundu. Rozdíly byly opět

jako v předchozím testu znát pouze u použitého operačního systému, mezi

procesory jsme žádné nezaznamenali.



SysMark 2004

Test postavený na reálných aplikacích BaPCo SysMark 2004 s instalovaným Patchem

2 velmi dobře prověřil výkonnostní potenciál nového procesoru AMD Athlon 64 X2

4800+. Celkové dosažené skóre 277 bodů je hodnota, která překonala všechny

předchozí systémy. Zde byl asi přínos více jader v jednom procesoru vidět

nejvíce, i navzdory tomu, že tento test není konkrétně optimalizován pro

dvoujádrové procesory, pouze pro HyperThreading u procesorů Intel Pentium 4.

Výsledek stejně taktovaného jednojádrového procesoru byl 217 bodů, což je

opravdu znatelný rozdíl. V tabulce jsou uvedeny i hodnoty dílčích částí

Internet Content Creation a Office Produktivity. Pro porovnání s testem

dvoujádrového procesoru Intel v minulém čísle uvádíme ve speciální tabulce i

hodnoty SysMarku 2004 v rozlišení 1 280 × 1 024 obrazových bodů.



Lame 3.96.1

Jako poslední je uveden test, při kterém jsme porovnali přínos druhého jádra v

procesoru, a to díky dvěma programům DVDShrink a Lame. První měl za úkol

převést předem stanoveným způsobem DVD Video, druhý program pak převáděl soubor

WAV o velikosti 810 MB a s délkou nahrávky 78 minut a 26 sekund do formátu MP3,

definovaného tímto příkazem – lame -h -b 192 -m s -V 5 – priority 4 test.wav

test.mp3. Měřili jsme opět výsledky s oběma procesory a v obou operačních

systémech. A jak to dopadlo? Dvoujádrový procesor AMD zvládl komprimaci videa

téměř o polovinu rychleji než jednojaderný procesor, převod do formátu MP3

naproti tomu probíhal téměř stejně rychle díky chybějící podpoře více jader.

Zajímavých výsledků jsme ovšem dosáhli při spuštění obou těchto programů

najednou, což odpovídá například komprimaci DVD Videa. Zde má jednoznačnou

výhodu procesor se dvěma jádry. Navýšení rychlosti je téměř 100procentní.



Závěrečné shrnutí

Jak je uvedeno v technologické části článku, dvoujádrové procesory AMD Athlon

64 X2 jsou vnitřně navrženy lépe než jejich protivníci Intel Pentium Etreme

Edition 840 a Intel Pentium D 840. Nespornou výhodou je také fakt, že nejvyšší

dvoujádrový model má stejné parametry (frekvence 2 400 MHz a velikost paměti L2

cache 1 MB) jako v současné době druhý nejrychlejší procesor společnosti AMD

Athlon 64 4000+. Rychlejší je pouze exkluzivní verze FX-55 s frekvencí 2 600

MHz a 1 MB vyrovnávací paměti druhé úrovně.

V testech nový procesor předvedl, že v aplikacích, které nejsou optimalizovány

pro práci více jader, pracuje minimálně stejně rychle jako model 4000+. V

porovnání s maximální frekvencí procesoru Intel, která je nyní 3 800 MHz,

pracují dvoujádrové procesory Intel na frekvenci

3 200 MHz a tudíž podávají v porovnání s tímto procesorem u neoptimalizovaných

aplikací nižší výkon. Mezi tyto aplikace patří především počítačové hry, které

nedokáží využít druhého jádra procesoru, což ostatně potvrdily i naše testy.

Co se týče výkonu samotného procesoru, je opravdu špičkový. Ovšem s poměrem

výkonu a ceny je to již o trochu horší – 1 001 dolarů za nejvýkonnější procesor

AMD Athlon 64 X2 4800+ je opravdu pouze pro několik vybraných jedinců. Na

druhou stranu je potřeba zmínit fakt, že k pořízení nového procesoru AMD nebude

potřeba kupovat novou základní desku, paměti ani napájecí zdroj, což u Intelu

nutné je.

S postupem času se využití dvou a vícejaderných procesorů bude rozšiřovat, v

současné době ale využije jejich plný potencionál pouze několik málo programů.

To se ale velmi rychle může změnit.