Architektura - co nowego?
Nowy procesor AMD jest istotnym rozwinięciem rodziny procesorów Athlon istniejącej od 1999 roku. Można powiedzieć, że nowy procesor powstał poprzez skuteczne wyeliminowanie "wąskich gardeł" nękających poprzednika. Z dzisiejszego punktu widzenia najistotniejszą zmianą dla wszystkich aplikacji jest zintegrowanie procesora i kontrolera pamięci w jednym układzie scalonym (integrację tego układu można porównać z wprowadzeniem na rynek procesorów i486, które jako pierwsze dysponowały fizycznym koprocesorem - jednostką obliczeń zmiennoprzecinkowych). Dzięki temu poprzez wyeliminowanie magistrali systemowej (Front Side Bus), znacznemu skróceniu uległy opóźnienia w dostępie do danych. Wg przeprowadzonych przez nas testów czas dostępu skrócił się aż o 20-40 proc., zależnie od odległości w pamięci pomiędzy kolejnymi porcjami danych.
Dwa kanały pamięci zapewniają takie same pasmo jak dwukanałowy kontroler pamięci NVIDII zastosowany w chipsetach nForce i nForce2 dla Athlonów, a także przez dwukanałowe kontrolery chipsetów Intela (np. i875). Jednak w odniesieniu do "zwykłego" Athlona XP, nowy procesor zdecydowanie lepiej wykorzystuje to pasmo. W porównaniu z Opteronem, Athlon 64 FX oferuje dodatkowo obsługę pamięci DDR400 (tzw. PC3200), ale niestety muszą to być pamięci buforowane (ang. registered), zapewniające kontrolę błędów ECC (Error Checking and Correction). Pamięci tego rodzaju są nieznacznie wolniejsze od pamięci bez ECC, które można stosować przy zwykłych Athlonach 64. Oczywiście można się obawiać, czy integracja kontrolera z procesorem nie spowolni procesu wprowadzania nowych rozwiązań na rynek, jednak AMD twierdzi, że jest w stanie bardzo szybko reagować na pojawiające się nowe rozwiązania.
Kolejną cechą, na którą warto zwrócić uwagę, jest powiększanie pasma pamięci przy symetrycznym łączeniu procesorów (Symmetric Multiprocessing), przejęte wprost z wersji serwerowej procesorów. Dzięki temu dokładając drugi procesor jesteśmy w stanie praktycznie dwukrotnie zwiększyć wydajność komputera, oczywiście w przypadku aplikacji dostosowanych do rozdzielania wątków i zadań na poszczególne procesory. W przypadku zwykłych komputerów cecha ta ma jednak mniejsze znaczenie, niż w serwerach.
Bardzo istotnym zagadnieniem jest to, że nowe procesory, mimo takiej samej częstotliwości pracy jak starsi braci, są od nich znacznie wydajniejsi. Szybsze wykonywanie kodu istniejących, niezoptymalizowanych dla AMD64 aplikacji, zapewnione jest przez zastosowanie udoskonalonego układu przewidywania rozgałęzień (Jump Prediction Unit), na który składają się:
- dodatkowa faza w potoku wykonawczym, w trakcie której analizowane są zależności między instrukcjami. Jej obecność umożliwia taką zmianę kolejności wykonywania instrukcji, która pozwala lepiej wykorzystać jednostki wykonawcze procesora, a tym samym zwiększa wskaźnik IPC (Instruction Per Cycle);
- dłuższe bufory instrukcji stałoprzecinkowych (3x8 zamiast 3x6);
- powiększone z 24 do 40 pozycji bufory TLB (Translation Look-aside Buffer) dla pamięci podręcznej poziomu pierwszego;
- dwukrotnie zwiększone bufory TLB dla pamięci podręcznej L2; obecnie przechowują one 512 zamiast 256 wpisów;
- zwiększona długość globalnego licznika odwołań z 4 tys. do 16 tys. pozycji;
- zastosowanie filtru oczyszczania TLB, który pozwala na efektywniejsze dzielenie buforów między różnymi procesami.
Wszystkie te modyfikacje powodują, że mimo pracy z taką samą częstotliwością, aplikacje na Athlonie 64 oraz Athlonie 64 FX muszą się wykonywać szybciej, niż na komputerze z Athlonem XP. To jednak nie wszystkie zmiany, dzięki którym współczesne aplikacje pokazują lwi pazur na nowym procesorze. W wyniku zeszłorocznego porozumienia pomiędzy AMD i Intelem nastąpiła wymiana praw patentowych, co zaowocowało pojawieniem się w Athlonie XP zestawu instrukcji SSE. Nowy Athlon 64 (podobnie jaki i Opteron) idzie tu o krok dalej, gdyż udostępnia użytkownikowi pełny zestaw instrukcji SSE2, dzięki czemu aplikacje optymalizowane dla Pentium 4 na nowym procesorze AMD czują się jak ryby w wodzie.
Co na tym zyskał Intel? Trzy rzeczy: po pierwsze - możliwość zastosowania współbieżnej wielowątkowości (prawa patentowe należą do AMD); po drugie - możliwość zastosowania rozszerzonego zestawu instrukcji o AMD64; po trzecie - jednolitość platformy x86, bo aplikacje tworzone na procesory tej architektury będą mogły korzystać z tych samych optymalizacji. Choć drugi z tych punktów może się wydać dziwny, to... wg najnowszych plotek internetowych premiera procesora Intel, kryjącego się pod kodową nazwą Prescott została opóźniona właśnie dlatego, aby dopracować coś, co kryje się pod nazwą Yamhill, a więc intelowską implementację zestawu instrukcji AMD64 (zapewne "nieco" rozszerzoną).
Zmiany bez zmiany
To jednak nie koniec zmian w architekturze. Zdecydowanie najważniejszą, choć jak na razie nieco przyszłościową jest implementacja 64 bitów w architekturze x86. To rozszerzenie architektury można porównać z wprowadzeniem w 1984 roku procesora i386, który pozwalał na pracę 32-bitowego systemu operacyjnego. Co ważne, implementacja 64 bitów została wykonana w bardzo elegancki sposób - bez żadnych emulatorów ograniczających wydajność działania. Po raz pierwszy programiści tworzący dla komputerów x86 mają do dyspozycji:
- 16 zamiast 8 rejestrów ogólnego przeznaczenia. W dodatku rejestry te są 64-, a nie 32-bitowe, co sprawia, że mogą przechować 4-krotnie więcej informacji;
- 64 bity pozwalające na adresowanie pamięci. Początkowo fizycznie dostępne jest "jedynie" adresowanie na 40 bitach, co zapewnia obsługę do 1024 GB (czyli 1 TB) pamięci, a wirtualnie możliwe jest zaadresowanie 48 bitów, czyli 256 TB RAM. W przyszłości, gdy te wielkości okażą się niewystarczające, AMD bez problemu rozszerzy szynę adresową. Warto także pamiętać, że 64-bitowa szyna danych obecna jest już od czasów pierwszego procesora Pentium, dzięki czemu mógł on w jednym takcie przesyłać nawet 8 bajtów danych;
- 64-bitowe ALU (jednostka arytmetyczno-logiczna). Dopóki pracujemy w trybie 32-bitowym, wszystkie operacje na liczbach wykonywane są tak samo szybko, jak w przypadku Athlona XP; przełączenie w tryb 64-bitowy znacząco skraca czas wykonywania obliczeń na dużych liczbach.
Ponadto "w spadku" programiści bądź kompilatory optymalizujące programy mają do dyspozycji 80-bitową jednostkę zmiennoprzecinkową, zaś SSE2 wymusiło zastosowanie 128-bitowej rejestrów specjalnych.
Nowe Athlony charakteryzują się także istotną zmianą, polegającą na wydłużeniu potoku wykonawczego - odpowiednio dla instrukcji stałoprzecinkowych z 10 do 12 faz, zaś dla zmiennoprzecinkowych z 15 do 17 faz. Wykorzystując technologię SOI (Silicon On Insulator), AMD zamierza w procesie produkcyjnym 0,13 mikrona produkować jeszcze procesory o częstotliwości 2,4-2,5 GHz; kolejne zwiększenie częstotliwości pracy nastąpi jednak dopiero po przejściu na proces technologiczny 90 nm, co wg planów ma nastąpić w połowie przyszłego roku. Wszystkie te rozwiązania pozwoliły na obniżenie ilości wydzielanego ciepła. Obecnie produkowane procesory, pracujące z częstotliwością 2,2 GHz wg specyfikacji wydzielają około 65 W, a więc stosunkowo mało.
Słów kilka o konfiguracji komputera
Testowy komputer miał bardzo bogatą konfigurację. Podstawowym elementem był procesor Athlon 64 FX-51 pracujący z częstotliwością 2,2 GHz. Układ ten zamontowany był na płycie ASUS SK8N z chipsetem NVIDIA nForce3. Pamięć RAM stanowiły dwa moduły DDR SDRAM PC3200, po 512 MB każdy. Komputer miał kartę graficzną ABIT z układem NVIDIA GeForce FX 5900 Ultra z pamięcią 256 MB. Jako pamięć masową wykorzystano 3 dyski twarde WD Raptor (10 tys. obr./min), z których dwa pracowały w konfiguracji RAID 0, zaś trzeci pracował osobno. Na macierzy zainstalowany był system Windows XP Professional z pierwszym zbiorem poprawek - został on wykorzystany testów; zaś na pojedynczym dysku znalazła się pierwsza wersja beta 64-bitowej edycji Windows XP.
Pozostałe elementy komputera to czytnik oraz nagrywarka Sony DVD+RW. Całość zamknięta została w efektownej, aluminiowej obudowie, z szybką umieszczoną z lewej strony, by użytkownik mógł podziwiać podświetlane specjalną neonówką na zielono wnętrze komputera. Jako ciekawostkę mogę powiedzieć, że komputer ten został brutalnie potraktowany przez celników, którzy chcieli zajrzeć do środka i zamiast wykręcić dwa bardzo wygodne wkręty użyli... łomu i częściowo zniszczyli obudowę komputera.
Warto jeszcze wspomnieć, że 64-bitowa wersja systemu operacyjnego wymaga obecności 64-bitowych sterowników do wszystkich komponentów. W chwili przeprowadzania testu dostępne są już sterowniki do płyty głównej i karty graficznej (zasługa firmy NVIDIA), nie było natomiast jeszcze sterowników do kontrolera Serial ATA RAID firmy Promise. Dlatego też 64-bitowy Windows XP musiał być zainstalowany na pojedynczym dysku. Jest jednak duża szansa, że w momencie wprowadzenia na rynek ostatecznej wersji Windows XP 64-bit dla AMD64, sterowniki te zostaną już udostępnione. Jest to niemal pewne, bo wymaga od producenta jedynie skompilowania ich specjalnym kompilatorem. Oczywiście, by pracowały one optymalnie i oferowały odpowiednią wydajność, niezbędne jest popracowanie nad nimi.
Jeśli chodzi o stabilność testowanego zestawu to... byliśmy w szoku - ani jednego zwisu systemu, żadnej zawieszonej aplikacji! I to zarówno w przypadku aplikacji standardowych działających w 32-bitowym Windows XP, jak też programów "grzebiących" nieoficjalnymi sposobami po zasobach sprzętowych, uruchomionych w systemie 64-bitowym. W tym drugim przypadku system co najwyżej zabijał "niesforną" aplikację, co w żaden sposób nie wpływało na funkcjonowanie pozostałego oprogramowania. Niestety, dostarczone oprogramowanie 64-bitowe to tylko system i sterowniki, więc nie mogliśmy przyjrzeć się takim programom, jak np. Unreal Tournament 64. Jednak nawet gdybyśmy byli w stanie się z nim zapoznać i przetestować wydajność, i tak nie moglibyśmy podać Wam wyników, gdyż zabrania nam tego umowa z AMD. Ale... czytajcie dalej ;)
Testy
Do testów porównawczych wybraliśmy dwa zestawy, które były maksymalnie zbliżone pod względem konfiguracji do komputera dostarczonego przez AMD. Pierwszy (chronologicznie ;-)) stanowił komputer wyposażony w najwydajniejszą płytę główną ASUS z chipsetem nForce2, procesor Athlon XP 3200+, pamięć DDR PC3200 o pojemności 512 MB, komputer ten korzystał z tej samej karty graficznej ABITa. Jednak w przeciwieństwie do komputera z nowym Athlonem 64 FX, pamięć w nim ustawiona była na CAS=2 (w Athlon FX pracowała w wolniejszym trybie CAS=2,5).
Podstawą kolejnego komputera była płyta główna Abit IC7-MAX3 z najwydajniejszym chipsetem Intel i875, procesor Intel Pentium 4 3,2 GHz pracujący z magistralą 200 MHz, a także 512 MB pamięci DDR SDRAM. Również ten komputer miał kartę graficzną ABIT z układem GeForce FX 5900 Ultra. Różnica wielkości pamięci RAM pomiędzy komputerami wynikała z konieczności stosowania różnych modułów (buforowanych w Athlonie FX oraz zwykłych w przypadkach pozostałych), jednak w testowanych aplikacjach wpływ wielkości pamięci na wydajność jest niezauważalny. To samo można powiedzieć o konfiguracji dysków twardych, które w zasadzie nie wpływają na wyniki testu.
Do sprawdzenia wydajności poszczególnych komputerów posłużyliśmy się lekko rozszerzonym zestawem testów, z których korzystaliśmy przy porównywaniu płyt głównych dla Athlona. Wśród nowych aplikacji warto zwrócić uwagę na 3ds max 4.2.6 z optymalizacjami dla Pentium 4, a także na ScienceMark 2.0, który również jest optymalizowany dla tego procesora. Testy te są o tyle lepsze od testów w rodzaju BAPCo SYSmark2001/2002, że pokazują wydajność w aplikacjach rzeczywistych, a nie spreparowanych, z "odpowiednim" doborem wykorzystywanych funkcji. Najlepszym przykładem takiego oszukańczego podejścia do testów wydajności jest SYSmark2002 - został on tak spreparowany przez producenta, by prezentować wyniki jak najlepsze na Pentium 4, a znacznie słabsze na Athlonie. Dodatkową wadą testów firmy BAPCo jest to, że są one zamknięte i użytkownik nie ma wpływu na to, jaki zestaw testów jest wykonywany, nie wiadomo także, jakie wagi są przykładane do poszczególnych testów. W konsekwencji nie wiadomo, jak otrzymany wynik przekłada się na wydajność komputera w określonych programach.
Niestety, jeszcze gorzej sytuacja wygląda w przypadku tzw. testów syntetycznych w rodzaju PCMarka, SiSoftware Sandra czy też pomiaru wydajności procesora przez "3DMarki". Są to testy, które operują na małych porcjach danych, często też nie wykorzystują zalet architektur poszczególnych procesorów i w dodatku nie wiadomo, co w ogóle liczą.
Wyniki testów
Przy ocenie wyników wydajności słowo komentarza należy się SYSmarkowi2001, w którym Athlon FX-51 został pokonany nawet przez Athlona XP 3200+. Oba procesory pracują z taką samą częstotliwością, więc dziwne jest, że nowy procesor okazuje się słabszy od starszego. Przyczyną okazuje się... Windows Media Encoder, który w wersji 7.0 (zastosowanej w tym teście) sprawdza obecność instrukcji SSE na podstawie... nazwy procesora, a nie wartości odpowiedniego bitu w jednym z rejestrów. W przypadku Athlona XP istniało specjalne rozwiązanie tego problemu w postaci łatki na WME. Jej zaaplikowanie podnosi całkowity wynik części Internet Content Creation o ponad 10 proc. Niestety, w przypadku nowego procesora łatka ta nie chciała działać, podobnie zresztą jak rozwiązanie firmy Microsoft, które miało likwidować problem błędnego działania WME. Można jednak założyć, że zastosowanie nowszej wersji WME (która już prawidłowo rozpoznaje obecność instrukcji SSE) pozwoli uzyskać wynik lepszy o ponad 10 proc.
Bardzo ciekawe wyniki uzyskaliśmy w programie do modelowania przestrzennego, co wymaga najwyższej wydajności komputera. Otóż Athlon FX-51 okazuje się o 8-27 proc. szybszy od Pentium 4 3,2 GHz, a także o 7-30 proc. wydajniejszy od Athlona XP 3200+. Wyniki te w dużej mierze są zasługą skrócenia opóźnień w dostępie do danych.
Druga część testów polegała na sprawdzeniu wydajności w grach. Okazało się, że w Quake III nowy Athlon oferuje taką wydajność, jak najszybszy procesor Intela. W pozostałych grach Athlon FX-51 ma przewagę nad Pentium 4 o 12-24 proc., zaś nad Athlonem XP zmienia się ona w zakresie 12-46 proc. Wyników tych nie odzwierciedla niestety żaden 3Dmark.
Tabela z wynikami testów.
Na koniec słówko o testach dostarczonych przez AMD w ramach tzw. Performance Analysis Pack. Testy te służą do pokazania szybkości szyfrowania i deszyfrowania danych. Dostarczone były dwie wersje - zwykła oraz optymalizowana dla AMD, ponadto - dla wyrobienia sobie poglądu na rzeczywistą wydajność procesora dostarczono także 64-bitowe wersje tych testów. Choć wyników tych ostatnich nie możemy podawać, to warto zauważyć, że w przypadku testu AES z szyfrowaniem 128-bitowym i przy zastosowaniu architektury 64-bitowej, czas potrzebny na szyfrowanie/deszyfrowanie danych ulega skrócenie o ponad połowę. Co prawda w innych testach sytuacja nie jest aż tak dobra, ale ... to pokazuje siłę i zalety AMD64.
Wielu czytelników zastanawia się, komu potrzebne jest tak wydajne szyfrowanie i deszyfrowanie danych. A odpowiedź jest prosta - prawie wszystkim już teraz, a wkrótce absolutnie wszystkim. Otóż z szyfrowaniem mamy do czynienia nie tylko w bankach internetowych, ale także np. w poczcie elektronicznej, gdy dostajemy cyfrowo podpisane listy. Ponieważ protokoły pocztowe następnej generacji będą wymuszały szyfrowanie danych, każdy z nas doceni zalety 64 bitów. Wraz z popularyzacją AMD64 znacznie wydajniej będą działać nie tylko powszechnie wykorzystywane aplikacje - rozwiną się aplikacje do przetwarzania mowy, pojawią się też zupełnie nowe kategorie oprogramowania, o których jeszcze nie mamy pojęcia. Tak więc odpowiedź na tytułowe pytanie jest bardzo jednoznaczna! Tak - 64-bity są lub wkrótce będą absolutnie niezbędne pod każdą strzechą.
Ocena końcowa
Procesor Athlon 64 3200+ kosztuje 439 USD przy zakupach 1000 sztuk, testowany Athlon 64 FX-51 to wydatek 799 USD. Cena płyty Asus SK8N to ok. 212 USD, jednak najtańsze płyty z tym samym chipsetem oferuje teraz Gigabyte - model K8NPro kosztuje jedynie 128 USD. Jak więc widać, na 64 bity w wydaniu AMD stać będzie od razu część użytkowników domowych i korporacyjnych, a w niedalekiej przyszłości wszystkich użytkowników komputerów. Gdy dodamy do tego fakt, że istniejące aplikacje "od ręki" na nowym Athlonie FX-51 działają szybciej, niż na innych procesorach, nie mamy już wątpliwości, że nowy produkt AMD jest strzałem w dziesiątkę!