Центральный процессор: в центре проблем

Однако суперЭВМ, используемые в основном для решения сложных научных и производственных задач, оказались недоступны для отечественной науки и промышленности: собственная электронная индустрия переживает не лучшие времена, а соответствующая зарубежная техника в нашу страну по различным причинам не поступает. Вот и получилось, что самые мощные компьютеры в нашей стране (за редким исключением) - персональные. Благо по своим вычислительным возможностям они оставляют далеко позади вчерашние БЭСМ и ЕС ЭВМ и позволяют рассчитывать буквально все: от домашнего бюджета до космического аппарата.

На Западе областью применения ПК является, как правило, офис и дом. Соответственно и все многочисленные тестовые программы для них ориентированы на эти довольно несложные задачи. Отметим, что в машинах этого сегмента рынка мощность процессора как раз и не играет определяющей роли, ибо офисным приложениям гораздо важнее скорость жесткого диска и объем оперативной памяти, а играм - характеристики графического ускорителя.

Итак, что же можно сказать о современных процессорах, программно совместимых с Pentium MMX, с точки зрения их "научного" применения?

Как мы тестировали

В качестве тестов использовались в основном те же программы, что и при тестировании системных плат (см. "Мир ПК" № 2, 9 и 11 за 1998 г.). Несколько меньше внимания было уделено скорости доступа к оперативной памяти и чуть больше тестам, которые характеризуют производительность самого процессора (в частности, одни и те же программы были скомпилированы для 16- и 32-разрядных режимов).

Нами были протестированы следующие процессоры:

• AMD K6-300 (Socket 7, частота шины 100 МГц, коэффициент умножения 3,0);
• AMD K6-2/300 (с технологией 3D Now!, Socket 7, частота шины 100 МГц, коэффициент умножения 3,0);
• AMD K6-2/350 (с технологией 3D Now!, Socket 7, частота шины 100 МГц, коэффициент умножения 3,5);
• IBM 6x86MX-PR233/187 (Cyrix 6x86MX, выпускаемый на заводах IBM, Socket 7, частота шины 75 МГц, коэффициент умножения 2,5);
• IDT WinChip C6/200 (Socket 7, частота шины 66 МГц, коэффициент умножения 3,0);
• Intel Pentium II-300 (Slot 1, частота шины 66 МГц, коэффициент умножения 4,5);
• Intel Pentium II-400 (Slot 1, частота шины 100 МГц, коэффициент умножения 4,0);
• Intel Pentium II-300 (Slot 1, частота шины 100 МГц, коэффициент умножения 3,0);
• Intel Celeron-300 (Slot 1, частота шины 66 МГц, коэффициент умножения 4,5);
• Intel Celeron-300A (Slot 1, частота шины 66 МГц, коэффициент умножения 4,5).

Все процессоры для Slot 1 проверялись совместно с системной платой Abit BX6 (см. "Мир ПК" №9/98, с. 22).

Процессоры для разъема Socket 7 оказались в несколько более выгодном положении: результаты для них были получены тестированием 12 различных системных плат и усреднены.

При формировании интегрированного показателя результатов отсеивались не наиболее медленные платы вообще, а самые медленные для данного типа процессора, а в зачет шли результаты, показанные только на системных платах, "благоприятных" для данной модели процессора. Вызвано это тем, что некоторые системные платы работали с отдельными процессорами заметно лучше или, напротив, хуже, чем с остальными. Таким образом, при обработке результатов измерений обращалось внимание не только на суммарное место, показанное системной платой в обзоре, но и на обязательную совместимость ее с конкретным процессором.

Некоторое преимущество получили 300-МГц процессоры фирмы AMD, которые при тестировании были запущены в нестандартном режиме 100x3,0¹. Оценить влияние этого режима включения можно сравнением характеристик, показанных Pentium II, для которого приведены результаты обоих режимов. Следует помнить, что кэш второго уровня, работающий на частоте системной платы, в K6 переключается на более высокую частоту, тогда как частота работы этого кэша постоянна в Pentium II и составляет половину тактовой частоты процессора².

К сожалению, процессоры IBM/Cyrix 6x86MX и IDT WinСhip C6 сегодня не нашли широкого применения в нашей стране, поэтому выбрать кристаллы наивысшей производительности из выпускаемых в настоящий момент не удалось, однако некоторое представление о том, чего же можно ожидать от изделий той или иной фирмы, мы все же получили.

Некоторые результаты...

Сравнение скорости пересылки данных для разных процессоров иллюстрирует таблица.

А теперь отметим выявленные особенности:

• процессоры для Slot 1 обладают заметно более высокой скоростью по сравнению с процессорами для Socket 7;
• 100-МГц шина обладает большей пропускной способностью по сравнению с 66-МГц, однако даже процессору AMD, работающему на 100-МГц шине, не удалось догнать кристаллы для Slot 1, работающие на шине 66 МГц;
• в некоторых случаях (при предельной нагрузке на шину, которая в реальных условиях наблюдается очень редко) наличие кэша может замедлять пересылку данных с помощью команд пересылки строки, что видно при сравнении результатов для Pentium II-300, Celeron-300A и Celeron-300 (это справедливо, только если объем пересылаемых данных существенно превосходит объем кэша);
• процессоры Intel при использовании команд MMX, как правило, увеличивают скорость передачи данных, что особенно заметно на примере Pentium MMX (все-таки рано Intel отправила его в отставку!), который показал в этом случае результат даже лучший, чем процессоры AMD на 100-МГц шине (Pentium MMX работает на шине 66 МГц). Несколько странный результат показал процессор Celeron, скорее всего, это следствие предыдущего замечания. Скорость же пересылки данных процессорами других производителей не зависит от используемого набора команд.

В целом по этому тесту лидируют изделия компании Intel, а среди них - Slot 1.

Скорость доступа к произвольным ячейкам памяти иллюстрируется таблица. Наивысшую скорость работы с кэшем первого уровня продемонстрировали кристаллы компании AMD, однако они же оказались почти в самом конце списка при оценке работы с большими массивами в оперативной памяти, не спасла даже 100-МГц шина.

Интересно проследить влияние конструктивных особенностей кэша на примере процессоров для Slot 1. Характеристика у них более пологая, чем у кристаллов AMD, из-за того, что кэш второго уровня работает на частоте, равной половине частоты процессора (Pentium II), а не на частоте системной платы. Для Pentium II-300 зависимость результатов от скорости шины начинает проявляться, только начиная с объема данных 1 Мбайт, т. е. тогда, когда уже не хватает емкости кэша второго уровня. Однако даже на четырех мегабайтах 300-МГц кристалл на шине 100 МГц еще не догоняет 400-МГц, работающий при такой же частоте системной платы. Правда, сходиться к одной точке эти результаты и не должны, ведь вычисление очередного псевдослучайного числа тоже занимает какое-то время, а при 400 МГц это время меньше.

Celeron в отсутствие кэша второго уровня демонстрирует наихудшие результаты в обзоре на данных объемом 128 Кбайт. Celeron с кэшем чуть проигрывает "полноценным" Pentium II на 4-Кбайт данных, разбросанных по большому объему, так же как и его собрат без кэша, а вот на сплошном куске в 128 Кбайт показывает результат даже лучший, чем Pentium II. Все закономерно, кэш-то у него работает на полной частоте кристалла. В дальнейшем - резкое падение скорости, которая не сравнивается с результатами Pentium II даже на 4-Мбайт массивах (хотя для обоих кристаллов Celeron результаты совпадают). По-видимому, полумегабайтный кэш здесь еще не успел исчерпать себя до конца, поскольку запись-то ведется по случайным адресам памяти, и часть этих адресов продолжает храниться в кэше достаточно большого объема.

Удивительно похожие результаты продемонстрировали Pentium MMX и WinChip C6, а если учесть, что тактовая частота первого на 15% выше, то сходство становится совершенно поразительным. Интересно отметить, что оба эти кристалла на массивах длиной 4 Мбайт показали результаты лучше, чем Pentium II и Celeron при частоте шины 66 МГц. Этот тест проводился в 16-разрядном режиме, и рискнем предположить, что "нелюбовь" к 16-разрядной арифметике досталась Pentium II в наследство от Pentium Pro.

Наихудший результат при работе с большими массивами оказался у кристалла IBM 6x86MX, что, впрочем, понятно: у этого процессора самая низкая тактовая частота из участвующих в обзоре. Интересно другое: отставание по этому параметру от изделия AMD K6 на шине 100 МГц у него весьма незначительное, и наверное, если бы последний работал на своих законных 66 МГц, в аутсайдерах оказался бы именно он. Однако самый "низкочастотный" процессор, как выяснилось, шустро работает с небольшими массивами данных, в частности, очень эффективно кэширует данные небольшого объема, разбросанные в разных частях оперативной памяти, чего не хватает процессорам AMD. Так, при работе с 4-Кбайт рассредоточенными данными разработка Cyrix уступила только кристаллу Pentium II-400, обойдя даже процессор K6-2, работающий на вдвое более высокой частоте! Кстати, это единственный кристалл, имеющий один общий кэш для команд и данных.

В тесте на скорость упаковки данных методом LZH-компрессии (см. таблицу) лучше других показали себя процессоры для Slot 1, остальные - в соответствии с тактовой частотой (а не P-рейтингом³, как хотелось бы Cyrix). Единственный явный аутсайдер, откровенно выпадающий из общей картины, - IDT WinChip C6.

Следующий тест, решето Эратосфена (см. таблицу), на примере реальной задачи подтверждает результаты, полученные в тесте 2. Естественно, обработка данных размером 3 Кбайт и 3 Мбайт не может занимать одинаковое время, поэтому тест с 3-Кбайт массивом проводился в цикле, длина которого подбиралась так, чтобы время выполнения было примерно одинаково.

На "коротком" массиве процессоры финишировали в порядке, который отражает закономерности, уже выявленные при тестировании случайного доступа к 4-Кбайт массивам в тесте 2. Лидируют изделия AMD и Pentium II-400, затем идут остальные процессоры на Slot 1, за ними - Pentium MMX, от которого несколько отстал IBM 6x86MX, и завершает список IDT WinChip C6.

На 3-Мбайт массиве картина несколько иная: лидирует, как это ни странно, Pentium MMX. На втором месте изделие Pentium II-400, а на третьем, с совсем небольшим отрывом... IDT WinChip C6. Вот уж удивил - в этом тесте он обошел все 300-МГц процессоры на 100-МГц шине и даже оставил далеко позади AMD K6-2/350. На примере Pentium II-300 видно, как влияет 100-МГц шина на производительность системы при обработке больших массивов данных. А замыкают список, как и в тесте 2, AMD и IBM.

Следующим идет классический тест Benchmark (см. таблицу), имитирующий по частоте использования различных видов инструкций типичную научную программу тридцатилетней давности. На этом примере также интересно было посмотреть, как влияет переход с 16-разрядного режима на 32-разрядный для различных процессоров.

Безусловным лидером в 32-разрядном режиме являются процессоры для Slot 1. AMD, напротив, лидируют в 16 разрядах. За ними идет Pentium MMX, и завершают список IBM и IDT.

Если для процессоров для Slot 1 прирост производительности при переходе от 16- к 32-разрядному режиму составляет примерно 4,7 раза (следует упомянуть, что реально прирост гораздо меньше, как правило менее чем вдвое, все остальное - за счет прогресса в области разработки оптимизирующих компиляторов), то для AMD и Pentium MMX - около 3 раз, а для IBM и IDT - и того меньше.

Реальная научная программа (вычисление оптических коэффициентов) позволила процессорам компании Intel показать еще лучшие результаты (по сравнению с предыдущим тестом). В частности, лидерство процессоров для Slot 1 стало бесспорным в обоих режимах работы, а процессор Pentium MMX-233 в 32-разрядном режиме обогнал AMD K6-2/350.

Следующий тест - решение системы дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных разностей (см. таблицу) - своего рода пример применения компьютера в современной научной сфере.

Тест проводился на массивах данных различного размера, а результат оценивался по производительности компьютера на базе Pentium-100 с довольно медленной по сегодняшним меркам FPM RAM 70 нс. Во всех тестах применялась память SDRAM, удовлетворяющая спецификации PC100 (этим, в частности, объясняется тот факт, что при увеличении размеров массивов наблюдается рост относительной производительности).

Бесспорными лидерами стали процессоры для Slot 1, причем Celeron-300A показал более высокие результаты, чем Pentium II-300. По всей видимости более быстрый кэш, пусть меньшего объема, сыграл в этом определяющую роль.

Существенно худшие результаты показал Celeron без кэша, но даже он оказался лучше, чем все процессоры на Socket 7. За ним следует 350-МГц AMD, а вот оба кристалла AMD/300 и Pentium MMX-233 продемонстрировали производительность одного уровня. Причина - слабый блок плавающей арифметики. Замыкают список IBM и IDT, причем последний на своих 200 МГц и с быстрой памятью показал результат хуже, чем Pentium-100 с медленной памятью, а производительность IBM 6x86MX оказалась заметно ниже не только заявленного P-рейтинга, но даже и реальной тактовой частоты.

... и некоторые выводы

Появившийся в продаже вариант процессора Pentium II без кэша второго уровня под новой торговой маркой Celeron и к тому же лишенный крышки также предназначен к установке в Slot 1. В таком "открытом" виде сам процессор внешне очень напоминает архитектуру Socket 7, отличаясь от последней лишь небольшой платой, имеющей ножевой разъем для Slot 1, на которую собственно и припаивается микросхема.

Результаты проведенных измерений, однако, показали, что в действительности процессоры для Slot 1 представляют собой совершенно новое поколение устройств как с технологической, так и технической точки зрения. О непохожести "отцов и детей" можно судить по производительности процессоров архитектур Socket 7 и Slot 1. Здесь "старшее поколение" иной раз не выручают ни 100-МГц шина, ни увеличение коэффициентов умножения частоты.

С точки же зрения универсальности процессора лучшим является решение для Slot 1. Причем если на нишу наиболее мощных персональных компьютеров конкуренты Intel даже не претендуют - здесь безусловное первенство принадлежит Pentium II-400, то в последнее время с появлением процессоров Celeron, оснащенных кэш-памятью, можно говорить и о лидерстве на рынке домашних ПК.

Неужели все так плохо и нас снова ждет монополия?

Пока трудно сказать. AMD предложила 3D Now! - новое расширение команд x86. В современных играх все чаще приходится производить вычисления с плавающей запятой, а существующее для этого устройство FPU (Floating Point Unit) хорошо для научных расчетов, где требуется высокая точность (80 разрядов), и не очень подходит для игр, где точность нужна, как правило, невысокая (достаточно 32 разрядов). Кроме того, система команд MMX спроектирована так, что она практически исключает возможность одновременной работы команд MMX и операций с плавающей запятой, а в современной 3D-графике требуется и то и другое. В этом смысле набор команд 3D Now! представляет довольно большой интерес, тем более что уже объявлена поддержка его команд на уровне операционной системы, а как показывает опыт последних лет, обработка изображения все больше перемещается из прикладной программы в стандартные функции операционной системы (примером может служить API DirectX).

Компания Cyrix представлена в данном обзоре процессором, изготовленным на заводах IBM и имеющим самую низкую тактовую частоту среди всех протестированных, но не самую низкую производительность. Если бы Cyrix могла наравне с Intel конкурировать в области научных разработок, а также оперативном внедрении их в производство (в первую очередь по реальному значению тактовой частоты), ее процессоры достигли бы довольно высокого уровня производительности, а если Cyrix оснастит свои процессоры набором команд, разработанным AMD, то, возможно, необходимость в более мощном сопроцессоре отпадет сама собой. В любом случае Cyrix - фирма с большим опытом разработки в области микропроцессорных систем, притом опытом уникальным.

В противоположность Cyrix фирма IDT - новое имя в микропроцессорной индустрии. Это особенно интересно - раз появляются новые игроки, о монополизации отрасли говорить еще рано. Разработка IDT, хотя и слишком часто оказывалась на последнем месте в наших тестах, тем не менее заслуживает внимания. Во-первых, это кристалл с самой низкой (не считая процессора Cyrix, который, кстати, позиционируется как 233) тактовой частотой. Во-вторых, это кристалл с наименьшей площадью и наименьшим энергопотреблением среди всех рассмотренных процессоров, а значит, его вычислительная мощь еще может быть наращена просто экстенсивными методами (суперскалярность). Но самое интересное - это единственный кристалл с технологией MMX, не требующий двойного питания. Другими словами, если у вас есть компьютер на базе Pentium 90-133 с системной платой без двойного питания и вам непременно нужна технология MMX (и не очень нужны операции с плавающей запятой), но вы ограничены в средствах, то самый дешевый способ модернизации компьютера без покупки новой системной платы - замена вашего старого Pentium на IDT WinChip C6. Не будем забывать, что WinChip - первенец компании IDT, но выглядит он совсем неплохо.

Сергей Андреевич Андрианов - канд. техн. наук. С автором можно связаться по e-mail: mirpk@osp.msk.su или fido: 2:5017/5.40.

Редакция благодарит Московское представительство компании AMD, а также компании "ПИРИТ" и "Синтез", предоставившие процессоры и другое необходимое для тестирования оборудование.

¹ Стандартный режим - частота шины 66 МГц при коэффициенте умножения 4,5.

² Подробнее о влиянии частоты системной платы на производительность компьютера можно прочитать в статье "Мегагерц мегагерцу рознь" в "Мире ПК", № 12/97, с. 11.

³ Р-рейтинг призван давать объективную оценку эффективности и сравнительных характеристик процессоров разных производителей; разработан совместно AMD, Cyrix, IBM Microelectronics и SGS-Thompson Microelectronics.

По светлому пути

Безусловным лидером на рынке микропроцессоров для персональных компьютеров является компания Intel. Впрочем, всегда были и остаются возмутители ее спокойствия. Так, для 386-х машин фирма Cyrix выпустила арифметические сопроцессоры, существенно превосходящие сопроцессоры Intel 80387 по скорости. В это же время специально для вычислений с плавающей запятой предлагались сопроцессоры Weitek 3167, программно не совместимые с рядом x87, но работавшие даже быстрее устройств Cyrix. Перенеся блок сопроцессора внутрь 486-го кристалла, фирма Intel навсегда избавилась от конкурентов в этой области. С той поры компания Cyrix переключилась на выпуск собственно процессоров (в частности, появились несколько усовершенствованные аналоги кристалла 386 - процессоры 486DLC и 486SLC). Одновременно компания AMD начала поставлять процессоры 386 по лицензии Intel, что не мешало ей, впрочем, вести и свои перспективные разработки. Чехарда с числовыми кодами в названиях процессоров* побудила Intel отказаться от цифр и присвоить процессору имя собственное. Так появился Pentium.

Следующий шаг Intel, призванный усложнить жизнь конкурентам, - объявление архитектуры Socket 7, что называется, persona non grata и переход на архитектуру Pentium II - Slot 1, защищенную серией патентов. Идея проста: если раньше производители системных плат выпускали продукцию, одинаково пригодную как для процессоров Intel, так и для их конкурентов, то теперь им, производителям, приходится "считать деньги", планируя объемы выпускаемых плат для обеих архитектур. Ради того, чтобы побыстрее расстаться с Socket 7, Intel даже сняла с производства еще далеко не исчерпавшую себя модель Pentium MMX. Результат оказался прямо противоположным. Позиции конкурентов лишь укрепились, поскольку процессоры Pentium II были еще слишком дороги, а производство плат со Slot 1 не было "обкатано" до такой же степени, как устройств Socket 7, что также влияло на стоимость. Разница в цене складывалась не в пользу Intel.

Тем не менее корпорация осталась монополистом в области наиболее мощных и дорогих компьютеров с архитектурой x86. Очевидное нежелание терять сектор средних и дешевых систем побудило корпорацию спешно выпустить облегченный вариант Pentium II, лишив его кэша второго уровня. Новый процессор получил название Celeron. Остается непонятным, почему специально выпущенный для Celeron чипсет 443EX не допускал поддержки внешнего кэша, как это было у предыдущих моделей процессоров. В результате Celeron при мощном процессорном ядре остался без кэша второго уровня, что весьма пагубно сказалось на его производительности. На некоторых задачах она оказывалась даже ниже, чем у Pentium MMX, с гораздо более низкой тактовой частотой. Исправить положение компания Intel решила, снабдив кэшем второго уровня "старшие", если говорить о тактовых частотах, модели Celeron. И хотя этот кэш вчетверо меньше своего собрата, установленного в Pentium II, работает он на полной частоте процессора, тогда как для Р II кэш использует частоту вдвое меньшую.

Корпорация Intel по-прежнему на рынке не одна. Кроме AMD Cyrix и IBM на свою долю парка x86-совместимых машин в средней и низшей ценовых категориях сейчас претендует и компания IDT, предлагающая процессор WinChip C6 (разработчик - дочернее подразделение IDT компания Centaur Technology Inc.).

* Конкуренты, как правило, ставили в своих изделиях код на "единичку" выше соответствующего аналога Intel - например, K5 фирмы AMD является аналогом 486, а не P5, как можно было бы заключить из названия.

Используемые тесты

Для сравнительного анализа микропроцессоров были использованы следующие программы.

Tест 1. Пересылка данных. Массив данных размером 4 Мбайт пересылался из одной области оперативной памяти в другую. Обычно такая операция выполняется c помощью команды пересылки строки rep movsd. Однако в связи с тем, что эта команда пересылает данные 32-разрядными числами, а ширина шины данных всех рассматриваемых микропроцессоров 64 разряда, в некоторых случаях можно добиться более высокой производительности при использовании в цикле команд ММХ movq, которые пересылают за один раз сразу восемь байтов (т. е. 64 разряда). При пересылке производилось выравнивание данных на границу 8 байт.