Jak moderní procesory obešly svoje výkonové limity | Kapitola 2
Seznam kapitol
Pro mnoho lidí je posledních dvacet pět let vývoje procesorů spíše fází stagnace. Navyšovaly se kmitočty, zvyšoval se počet jader – a to je tak všechno, říkají. Není to pravda, naopak: S tím, jak začaly procesory narážet na fyzikální limity, začali jejich architekti obcházet hranice chytrým designem. Často jsou to dost fascinující triky!
S tím, jak se začaly kmitočty zvyšovat, se ale objevily problémy. Na praktické limity se narazilo právě na počátku 90. let, kdy se ukázalo, že je technicky možné mít sběrnice s kmitočty 33–40 MHz, ale výš už je to problém. Právě tam se začaly vytvářet věci jako separátní časování FSB, oddělené od kmitočtu samotného procesoru – silikon procesoru mohl jít nad tento limit, ale většina komponent v počítači ne.
Část problémů se začala řešit vysokorychlostním designem desek, který do jednoduchého uspořádání cestiček vnesl dnes charakteristické „zuby a vlnovky“ – ty mají za úkol zařídit, aby všechny signálové trajektorie byly stejně dlouhé a signalizace se při svém putování deskou nerozcházela. Změnilo se rozložení komponent, kdy ty opravdu vysokorychlostní se začaly nejdřív hromadit vedle sebe na desce a nakonec došlo k jejich integraci. Pamatujete na časy, kdy byla paměť cache ve zvláštním modulu? Kdy byly paměťové řadiče v northbridge? U Pentia Pro se cache přestěhovala do procesorového pouzdra a dnes už je celá na čipu.
Další problém se týkal pamětí. Paměťových čipů se vyrábělo hodně – a byly pomalé. Ba co více, s postupem času se rychlost procesoru čím dál tím více rozcházela od rychlosti pamětí. Zatímco od roku 1980 do roku 2000 vzrostl výkon procesorů zhruba tisíckrát, výkon pamětí vzrostl ani ne desetkrát.
Původní představy o nárůstu výkonu předpokládaly, že poroste současně s kmitočtem procesorů. Intel zvažoval, že se dosáhne zhruba 10 GHz, ale s tím, jak se procesory taktovaly stále výše a výše, ukázalo se, že jejich teplota razantně roste. Tranzistory se nepřepínají instantně a procházejí stavem, ve kterém se chovají jako rezistory, což proměňuje elektřinu na teplo. Tento efekt roste s počtem tranzistorů a dobou, kterou stráví v rezistivním stavu – a někde u procesorů Intel 80486 už vyzařované teplo vzrostlo do té míry, že na kdysi prázdná pouzdra bylo nutné lepit alespoň pasivní hliníkové chladiče. Od Pentií výše už bylo nutné aktivní chlazení.
Od té doby se pohybujeme v situaci, kdy se zmenšením výrobního procesu vystačí nižší napětí, což snižuje vyzařované teplo, ale roste počet tranzistorů a jejich kmitočet, což ho zase zvyšuje – a navíc jak se čip zmenšuje, komplikuje to chlazení, protože se teplo vyzařuje na menší ploše, ze které je třeba teplo odvést. Intel experimentoval s různými způsoby, jak dosáhnout vyšších kmitočtů – a zvláště nešťastnou slepou uličku představovala NetBurst architektura Pentií 4 s jejich velmi hlubokými pipelinami a vysokými kmitočty. Ty pekly opravdu pořádně – a navíc nárůst jejich spotřeby a nároků na chlazení nekorespondoval s jejich výkonem.
Nebylo to poprvé, co nastal problém s teplem. Intel věděl, že mají problém s teplotou a že pokud dojde k uvolnění chladiče, mohlo by dojít ke zkáze procesoru. Proto do něj přidali jednotku měření teploty, která začala agresivně snižovat kmitočet, aby čip zachránila a ideálně i udržela stroj v chodu. AMD to u procesorů Athlon neudělalo – a Toms Hardware se jako internetové médium etablovalo na tom, že natočili test, kde Pentium III i Pentium 4 sejmutí chladiče přežilo, zatímco Athlon i Palomino dosáhly teplot 300 °C a prostě shořely, prostě zanikly se sloupkem kouře. Ve své době to byla solidní kauza!
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
