Prosessori on pc:n sydän

Teksti: Samuli Kotilainen |

Samuli Kotilainen, piirros: Petri Rotsten

Prosessorimarkkina muuttuu koko ajan monimutkaisemmaksi. Millainen on moderni pc-prosessori, ja mistä tietää, mikä malli parhaiten sopii mihinkin tarkoitukseen?

Intelin ja sitä haastavan AMD:n x86-tyyppiset prosessorit ovat vallanneet tietokonemaailman. Lähes kaikki pc-pöytäkoneet ja -kannettavat pyörivät x86-yhteensopivilla siruilla. Jopa palvelimista yli 90 prosenttia käyttää x86-prosessoreja. Vaikka kaikki pc-prosessorit perustuvat samaan käskykantaan, on sirujen tekniikassa muuten suuria eroja. Molemmat päävalmistajat pitävät nykyisin valikoimissaan kolmea erilaista prosessorityyppiä.

Pöytäkoneiden prosessoreissa virrankulutus ei yleensä ole ongelma ja jäähdytyskin saadaan rakennettua helposti. Niinpä työasemien Intel Core 2 - ja AMD Athlon -prosessoreissa haetaankin vain parasta suorituskykyä kohtuulliseen hintaan.

Perusratkaisun muunnelmia

Kannettavassa tietokoneessa prosessorin on sen sijaan oltava pienikokoinen ja tuotettava mahdollisimman vähän lämpöä. Prosessori voi syödä melkein puolet kannettavan mikron akkuvirrasta, joten myös virrankulutusta hillitään kaikin keinoin, esimerkiksi kellotaajuutta laskemalla. Tästä syystä esimerkiksi Intelin Core 2 Duo T -sarjan prosessorit ja AMD:n Turionit ovat yleensä työasemaversioitaan hitaampia.

Tehokkaammissa palvelinkoneissa prosessorin hinta ei ole pahin ongelma, mutta datamäärät ovat suuria. Intelin Xeoneissa ja AMD:n Opteroneissa lisätehoa haetaan suurilla välimuisteilla. Tämä tekee siruista työasemaprosessoreita suurikokoisempia ja kalliimpia, mutta myös paljon tehokkaampia.

Kaikkein edullisempia ”halpaprosessoreja” tehdään taas käänteisellä tavalla: välimuistien koko kutistetaan pienemmäksi ja käytetään hieman vanhempaa mallia, jolloin valmistus on edullista.

Kellotaajuuksista ytimiin

Pc-prosessorit elävät nyt voimakasta teknistä murrosta. Noin vuosi sitten perinteisessä kellotaajuuksien kasvattamisessa törmättiin seinään, joten uutta potkua ryhdyttiin hakemaan moniydintekniikoista. Samalla jouduttiin kuitenkin pudottamaan kellotaajuuksia, mikä voi merkitä jopa suorituskyvyn alenemista yksittäisissä tehtävissä.

Nyt ollaan hieman omituisessa välitilanteessa. Markkinoilla on yhden, kahden ja neljän ytimen pc-prosessoreja, vieläpä kolmestakin eri arkkitehtuurisukupolvesta. Eri mallien suorituskyky eri tilanteissa on varsin erilainen, ja sitä on vaikea verrata toisiinsa.

Samalla laskentatehon tarve on kasvanut jyrkästi, kun koneilla pakataan ja puretaan ääntä ja videokuvaa ja ajetaan samaan aikaan esimerkiksi virustorjuntaa. Prosessorin valinnalla on taas paljon merkitystä, joten asiaan kannattaa kiinnittää huomiota.

Core 2 on tehokkain ostos

Intelin kohdalla on ensinnäkin hyvä erotella prosessorien ja konebrändien nimet. Viiv, Vpro ja Centrino (sekoittuu helposti Celeron-prosessoriin) ovat piirisarja-prosessori-paketteja, eivät itse prosessoreja. Centrino Duo kertoo, että sisällä on tuplaydinprosessori, pelkkä Centrino viittaa vastaavasti yhden ytimen malliin.

Intelin tämän hetken parhaat prosessorit ovat Core 2 -sirut, jotka perustuvat uuteen Core-arkkitehtuuriin. Core 2 Duo sisältää kaksi prosessoriydintä ja Core 2 Quad neljä ydintä. Q-kirjain mallisarjan edessä viittaa neliydinmalliin, E-kirjain työasemaprosessoriin ja T-kirjain kannettavan tietokoneen prosessoriin. Core 2 Extreme on pelikoneisiin tarkoitettu kallis erikoisversio kahdella tai neljällä ytimellä (X tai QX).

Varo vanhoja Intel-siruja

Myynnissä on myös edelliseen Banias-arkkitehtuuriin perustuvia prosessoreja, joiden suorituskyky on heikompi. Näitä malleja ovat Core Duo ja Core Solo, joista siis puuttuu numero 2. Myös Pentium M ja halpamalli Celeron M kuuluvat tähän vanhaan sukupolveen.

Ihme kyllä, myynnissä on vielä tätäkin vanhempaa Netburst-arkkitehtuuria. Sirujen kellotaajuus on korkea, mutta muuten Pentium D-, Pentium 4- ja halpamalli Celeron D -prosessorien arkkitehtuuri on varsin kehno. Näitä siruja kannattaa välttää.

AMD ja ytimien määrä

AMD ei ole hiljan tehnyt arkkitehtuuriuudistusta, joten sen

prosessorimallien määrä on inhimillisempi. AMD:llä ei ole vielä neliydinprosessoreja. Tuplaydinsiruja on myynnissä, mutta merkintöjen kanssa saa olla tarkkana.

AMD Athlon 64 -prosessori on tarkoitettu työasemiin, mutta vain X2-merkinnällä varustettu prosessori sisältää kaksi siruydintä. Samoin kannettavien tietokoneiden AMD Turion 64 on yhden ytimen siru, ja vain Turion 64 X2 sisältää kaksi ydintä. Athlon 64 FX on Intelin Extreme-siruja vastaava kallis pelikoneiden prosessori.

Sempron on AMD:n halpamalli, jonka suorituskyky on heikompi. Sempronissa on toistaiseksi vain yksi ydin.


Mistä on uusin prosessori tehty?

Pc-prosessorien perustekniikan olisi oikeastaan pitänyt jo kuolla, mutta X86-prosessori pureskelee vieläkin yhteensopivuuden nimissä vanhoja monimutkaisia cisc-käskyjä (complex instruction set computing). Esimerkiksi järeissä palvelinprosessoreissa vaihdettiin aikaa sitten pienempään joukkoon yksinkertaisia risc-käskyjä (reduced instruction set computing), joita voidaan suorittaa tehokkaammin. X86-prosessorien nopeuden salaisuus onkin siinä, että haetut monimutkaiset käskyt hajotetaan (decode) pienempiin mikrokäskyihin, joita prosessori sitten jauhaa jopa yli kolmen gigahertsin, eli teoriassa yli kolmen miljardin käskyn sekuntivauhdilla.

Pitkä liukuhihna hidastaa

Ennen kuin mikrokäskyt pääsevät suoritettaviksi kokonaisluku- (alu) ja liukulukuyksiköille (fpu), niiden suoritusta tehostetaan monin keinoin. Prosessi on järjestetty liukuhihnaksi, jonka jokainen osa pyritään pitämään koko ajan työn touhussa.

Tässä piilee merkittävä syy siihen, että Intel oli suorituskyvyssä pitkään jäljessä AMD:tä. Pentium 4 -siruissa liukuhihna oli pahimmillaan 31-portainen. Yksittäiset osat olivat lyhyitä, joten prosessoria voitiin ajaa erittäin suurella kellotaajuudella. Kellotaajuutta ei kuitenkaan voitu nostaa riittävästi kuumenemisongelmien vuoksi, joten jäljelle jäivät vain pitkän liukuhihnan ongelmat.

AMD käytti koko ajan noin 10-portaisia liukuhihnoja, ja yhtiö osasi myös ennakoida paremmin useamman siruytimen tarpeen. Intelin uudessa Core-arkkitehtuurissa käytetään nyt 14-portaista liukuhihnaa, ja arkkitehtuurin suorituskyky on erinomainen. Intel on päässyt edelle myös moniytimisyyden käytössä.

Oheisen kaavion Core 2 Duo -sirussa on kaksi prosessoriydintä, jotka käyttävät yhteistä jopa neljän megatavun kokoista välimuistia. Välimuistien ansiosta suoritettava data saadaan odottamaan prosessorin sisälle, eikä sitä tarvitse hakea hitaampia väyliä pitkin tietokoneen erillisestä käyttömuistista.

Intel ja AMD kehittävät koko ajan mitä monimutkaisimpia tekniikoita moottoriensa tehostamiseen. Esimerkiksi Intelin Core-siruissa pystytään prosessin alkuvaiheessa ajamaan neljääkin mikrokäskyä rinnakkain.


Miljardien eurojen nanometrit

Pc-prosessoreja on valmistettu jotakuinkin samalla tavalla ja samoista materiaaleista jo kymmeniä vuosia. Mutta nyt alkaa nousta seiniä vastaan joka puolelta.

Prosessorit valmistetaan niin kutsutulla litografia-menetelmällä. Nykyään käytetään halkaisijaltaan 30 senttimetrin piikiekkoja, joiden pintaan lisätään kerroksittain komponentteja ja johtimia. Jopa kuukauden kestävän prosessin aikana kiekot menevät litografiakoneelta toiselle ja saavat pintaansa kymmeniä rakennekerroksia.

Fysiikan rajoilla

Prosessorin rakenneosien kokoa on jatkuvasti kutistettu, ja uusimpien prosessorien osasten koko on nyt enää 65 nanometriä (metrin miljardisosaa). Intel on seuraavaksi siirtymässä 45 nanometrin tekniikkaan. Ongelma on siinä, että jo nyt jotkin eristekerrokset ovat kutistuneet enää muutamien atomien paksuisiksi. Fysiikan lait alkavat tulla vastaan niin prosessorin toiminnassa kuin litografia-laitteiden valmistuksessakin. Litografiakoneet maksavat kymmeniä miljoonia euroja kappale, ja prosessoritehtaalle voi tulla hintaa monta miljardia euroa.

Jotta valmistuksessa päästään 45-nanometrin prosessiin, joudutaan ensi kertaa vaihtamaan prosessorien perusmateriaaleja. Intel ilmoitti kehittäneensä prosessorien peruskytkimiin eli transistoreihin uudet metalli- ja eristemateriaalit. Intelin mielestä kyseessä on suurin muutos transistoreissa 40 vuoteen.

Valmistajat arvioivat, että näköpiirissä olevilla tekniikoilla voitaisiin päästä ehkä vielä 32-nanometriin. Sen jälkeen niiden rajat on saavutettu, ja suorituskykylisä täytyy hakea jostain muualta.


Teho antaa elintilaa

Kilpailu prosessorien tehosta on jatkuvaa ja kovaa kilpailua elintilasta. Jos suorituskyvyssä jää jälkeen, joutuu prosessoreja myymään kilpailijaa halvemmalla ja sitä kautta ongelmat kasautuvat nopeasti.

Parin viime vuoden ajan AMD on ollut tehokilvan yllätysjohtaja, mutta Intelin loppuvuonna esittelemä Core-arkkitehtuuri käänsi asetelman ympäri. Tällä hetkellä Intelin Core 2 Duo - ja Quad-prosessorit, ja palvelinten Xeon-prosessorit ovat tehokkaampia kuin AMD:n Athlonit, Turionit ja palvelinten Opteronit.

Näyttäisi siltä, että Intelin Core-arkkitehtuurin sirut ovat tyypillisesti noin 10 – 30 prosenttia suorituskykyisempiä kuin vastaavat AMD:n mallit. On kuitenkin muistettava, että käytännön tehoero määräytyy paljolti käyttötarkoituksen mukaan. Mitä enemmän on ytimiä, sitä alhaisempi kellotaajuus. Lisäytimet tehostavat moniajoa, mutta korkeamman kellotaajuuden siru saattaakin olla nopeampi yksittäistä sovellusta ajettaessa.

Toinen siruydin lisää tehoa noin 1,25–1,75-kertaiseksi, riippuen sovelluksesta ja siitä, miten hyvin ytimet saadaan käyttöön.

AMD on perinteisestikin ollut Inteliä edullisempi vaihtoehto, ja nyt AMD on vielä edellä mainitussa pakkoalennusten tilanteessa. Sen ansiosta hinta-laatu-suhteessa Athlonit ja Turionit saattavatkin olla paras vaihtoehto.


Ydinvarustelu vasta alussa

Ytimien määrästä on hyvää vauhtia tulossa gigahertsien korvaaja prosessorien varustelukilpailun tärkeimpänä mittarina. Intel on tällä hetkellä johdossa, mutta tarkasti ottaen Core 2 Quad -siruissa on vain yhdistetty kaksi erillistä tuplaydinprosessorin ydintä samaan prosessorikoteloon.

Ensimmäisenä aitoon neliytimiseen pc-prosessoriin saattaa hyvinkin ehättää AMD. Yhtiö aikoo julkaista kesän korvilla sirun, jossa kaikki neljä ydintä on rakennettu samalle piipalalle. Ratkaisu on AMD:n mukaan selvästi tehokkaampi kuin Intelin Quad-siruissa, mutta tämä jää tietenkin nähtäväksi. Lisäksi Intel saattaa hyvinkin esitellä vastaavaa tekniikkaa samantapaisella aikataululla.

On mielenkiintoista nähdä millaisiin ydinmääriin ehditään ensi vuonna. Onko ytimiä kuusi vai kenties jo kahdeksan? Entäpä seuraava sukupolvi? Siinä ydinten määrä voisi hyvinkin olla jo 12 tai 16. Ainakin Intelin näkemyksen mukaan siruytimien määrä noudattaa eksponentiaalisen kasvun rataa, samalla periaatteella kuin megahertsien kasvu ennen sitä. Yhtiö arvioi, että 5 – 10 vuoden sisällä sen pc-siruissa on kymmeniä tai jopa satoja siruytimiä. Esimakua tästä saatiin helmikuussa, kun yhtiö esitteli virallisesti 80 prosessoriytimen Teraflops-prototyyppisirun.