Тактовая частота процессора: что это такое, в чем измеряется и на что влияет


Начислено вознаграждение

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Высокая частота или большое количество ядер — извечный вопрос, мучающий пользователей при сборке игрового или рабочего ПК. В данной статье мы комплексно сравним медленный процессор с большим количеством ядер и высокочастотный процессор со средним количеством ядер и выясним, что предпочтительней выбрать именно сейчас.

Цель данной статьи проста — выяснить, какой процессор окажется объективно лучше и актуальней в рабочих задачах и играх — с большим количеством ядер или с большей частотой. Для большей наглядности тестирования «типовые» процессоры будут отличаться между собой лишь тактовой частотой и количеством ядер.

анонсы и реклама

RTX 3070 Asus Gaming не особо и дорого в Ситилинке

32″ TV Xiaomi за копейки в Ситилинке

Compeo.ru — правильный компмагазин

без подвохов

RTX 3070 в XPERT.RU по самым низким ценам

Обвал цен на семейство Galaxy S20

— цены РУХНУЛИ (c)

Остатки RTX 3060 по лучшим ценам в XPERT.RU

4000р скидка на 1Tb SSD в Регарде

98″ IPS Samsung за 3 892 400р — смотри что за зверь

Много RTX 3090 в XPERT.RU

Процессоры будут являться «синтетическими», «созданными» на основе многоядерного процессора Ryzen 7 2700. В связи с тем, что данный процессор отказывается запускаться на частоте в 2 GHz (но данное сравнение не имело бы никакого отношения с действительностью), удалось создать лишь два «типовых» процессора.

По задумке «синтетический Ryzen 5» будет иметь на 1/3 большее число ядер, чем соперник — «синтетический Ryzen 3». Последний в свою же очередь будет обладать на 1/3 большей тактовой частотой. Итого: «синтетический Ryzen 5» — это процессор с шестью ядрами, работающий на фиксированной частоте в 3 GHz с отключенной технологией SMT; «синтетический Ryzen 3» будет представлять из себя CPU с четырьмя ядрами без технологии SMT, находящимися в разгоне до частоты в 4 GHz. Остальные же параметры у данных процессоров будут идентичны Ryzen 7 2700.

Даже простым перемножением ядер на частоты, не сложно догадаться, что конфигурация с шестью ядрами, работающими на частоте в 3 GHz будет немного сильнее конфигурации с четырьмя ядрами, работающими на частоте 4 GHz. В условном «математическом бенчмарке» (данный «бенчмарк» справедлив только для «синтетических процессоров», различающихся лишь количеством и частотой ядер), суммарная производительность данных CPU будет сопоставима, как «18» и «16» в пользу процессора с большим количеством ядер, так как для большей справедливости данного тестирования, ему следовало «привязать» частоту в 2.66 GHz.

Но данное действие было невозможно по той же причине, по которой в тестировании отсутствует «синтетический Ryzen 7 / Xeon» с частотой в 2 GHz. Материнская плата ASUS TUF B450M-PRO GAMING не может запустить процессор Ryzen 7 2700 с частотой ниже 2.8 GHz: во-первых, это не подразумевается, так как минимальный множитель для данного процессора равен 28; во-вторых, при попытке «взятия» необходимой частоты посредством комбинации множитель/делитель (формула следующая: Ratio=2*FID/DID), система отказывается запускаться с любым напряжением, даже в значении «авто».

И кто-то заметит, что данное сравнение двух математически не равных процессоров якобы теряет смысл, так как «итак понятно, что процессор с шестью ядрами окажется чуть сильней». Но в данном случае частоты процессоров приближены к реальным, а сравнить процессоры на 2 GHz, 2,66GHz и 4 GHz, было бы как минимум нелепо, так как процессоров Ryzen с такими низкими частотами попросту нет. И опять же, это ни в коем случае не «симуляция известных процессоров», это всего лишь попытка сравнения высокой частоты и большого количества ядер, что важнее сейчас.

В общем, далее нет смысла вдаваться в нюансы данного эксперимента, предлагаем же перейти к реальному исследованию.

Но для начала осмотр тестовой конфигурации.

Тестовый стенд

«Синтетические» процессоры тестировались на следующей конфигурации:

  • Системная плата: Asus TUF B450M PRO GAMING;
  • ОЗУ: CRUCIAL Ballistix BL2K16G30C15U4B 2×16 Гб, 3333 MHz CL14
  • Система охлаждения процессора: AMD Wraith Spire ;
  • Термопаста: AMD;
  • Видеоадаптер: GeForce GTX 1060 Xtreme Gaming 6G;
  • Накопители: Samsung SSD 850 120GB (под Windows), Western Digital WD Blue 1 TB (под игры);
  • Блок питания: Enermax Revolution D.F. , 650 Ватт;
  • Корпус: Thermaltake View 31 TG;
  • Монитор: Sharp Aquos lc-26le320e-bk ;
  • Операционная система: Windows 10 Pro x64 (1909).

Вольтаж для процессора с шестью ядрами был подобран 0.8125 вольта, вольтаж же для процессора с четырьмя разогнанными ядрами составил 1.25 вольта. LLC был отрегулирован так, что напряжение при возрастании нагрузки оставалось стабильным.

Тестирование энергопотребления / уровня шума / температурных показателей

Тестирование процессоров проводилось посредством 10-минутного теста OCCT версии 5.5.7 с использованием AVX2 инструкций.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

OCCT 5.5.7

Таким образом, в тестировании OCCT процессор с шестью медленными ядрами оказался более «прохладным», чем процессор с разогнанными четырьмя ядрами. Но результаты данного тестирования нельзя интерпретировать на якобы Ryzen 5 3500X и Ryzen 3 3100/3300X. Все процессоры уникальны и данный тест лишь показывает серьезно возросшие показатели тепловыделения при небольшом разгоне, что характерно для всех процессоров Ryzen.

Тестирование в синтетических программах: CPU-Z

Теперь, когда мы разобрались с поведением двух экземпляров в стресс-тесте, предлагаю сравнить производительность процессоров в CPU-Z.

6 ядер

4 ядра

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Результаты «математического бенчмарка» подтвердились. Четыре разогнанных ядра хоть и обошли шесть маломощных ядер в однопоточной производительности, но серьезно уступили во многоядерной производительности. Медленные шесть ядер обходят четыре быстрых на 12.5%, данная разница была известна еще заранее из «математического бенчмарка»: разница между 18 и 16 составляет 12.5%.

Тестирование CPU-Z

Количество ядер

Уже практически нет ноутбуков, которые работают на одноядерных процессорах. Возможно, некоторые слабые нетбуки до сих пор проектируются на одноядерных процессорах Intel Atom, но они едва ли справляются даже с простыми задачами. Большинство лэптопов низкого и среднего уровня проектируются на 2-ядерных процессорах. Более мощные ноутбуки оснащаются 4-ядерными чипами, ТОПовые дорогие модели могут иметь 8-ядерные чипы.

Логично предположить, что чем больше ядер в процессоре, тем он мощнее. Отчасти это так, однако есть и другие параметры, от которых зависит производительность. Даже двухъядерные процессоры могут быть производительнее 4-ядерников, но это исключительная редкость.

Сегодня двухъядерные чипы Intel Core i5 являются лидерами на рынке, т.к. имеют идеальное соотношение цена/производительность. Их можно видеть в большинстве конфигурациях ноутбуков.

Тестирование в синтетике: Cinebench R20, CPU Queen, CPU PhotoWorxx

Перед тем, как мы перейдем непосредственно к играм, предлагаю ознакомиться со сводным тестированием процессоров в популярной синтетике.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Как мы можем наблюдать, процессоры очень близки по своей производительности в синтетических тестах. Но у процессора с низкой частотой и шестью ядрами закономерный отрыв в Cinebench R20 и небольшое превосходство в CPU PhotoWorxx. По результатам «общей синтетики» трудно выявить явного фаворита, процессоры очень близки, но за счет чисто «математического превосходства», 6 ядер с частотой в 3 GHz становятся более предпочтительными.

Синтетика


Устройство процессора

Разберемся, из чего состоит процессор, и как он работает. Основными компонентами являются:

  • тактовый генератор – элемент, который конвертирует один вид колебаний в другие;
  • тактовый резонатор – кварцевый кристалл, который помещен в защищенный контейнер;
  • крышка из металла;
  • шина передачи данных;
  • подложка из текстолита, на которой прикреплены остальные устройства и компоненты.

Кварцевый кристалл (тактовый резонатор), образует колебания, возникающие из-за подачи напряжения к нему. Таким образом, генерируется электрический ток, а точнее – его колебания. Тактовый генератор переводит эти колебания в импульсы, подающиеся на шины данных. Затем информация (результаты вычислений) отправляется пользователю.

Вышеописанный процесс и есть тактовая частота.

«Игровая синтетика»: Ashes of the Singularity: Escalation

Настройки графики

Тестирование производилось с акцентом именно на CPU.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Стоит отметить, что оба процессора посредственно справились с данной игрой, но визуально плавность картинки была все-таки за процессором с шестью ядрами.

Результаты тестирования

Assassin’s Creed Odyssey

Настройки графики и сравнение бенчмарков

Настройки графики — минимально возможные.

Дополнительные слабые ядра положительно сказались на производительности в игре Assassin’s Creed Odyssey.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Даже на минимальные настройки графики не смогли «спасти» четыре разогнанных ядра от проигрыша в Assassin’s Creed Odyssey. К сожалению, разница в гигагерц не дала фору четырем ядрам.

Частота процессора в ноутбуке — на что влияет?

Многие пользователи часто задаются вопросом — что лучше, количество ядер или частота? Смотрите, на этот вопрос можно ответить, исходя из задач, которые требуется выполнять процессору. Да, конечно есть универсальное решение — проц с высокой частотой и большим количеством ядер, однако такие модели — топовые и стоят недешево.

Важно понимать:

  • Частота процессора — скорость, с которой он обрабатывает данные. Это примерно как скорость машины, при помощи которой она быстро преодолевает расстояние. Но как вы понимаете — быстро ездить может только спортивная машина, в которую особо много груза не поставишь, но зато — скорость.
  • Сами ядра — как машины, то есть это уже количество машин. Чем их больше, тем больше можно перевести груза. Вот только обьединить много машин и чтобы все они быстро ездили — невозможно, производители достигли почти потолка в частотах, поэтому увеличение производительности идет за счет количества ядер.

Но когда у вас запущена одна программа, также фоном работает еще одна, например для конвертации видео, при этом открыты десятки вкладок в браузере, и вы при этом можете вдруг захотеть поиграть в игру, не закрывая другие приложения — вам важнее количество ядер, а потом уже частота. Конечно, чтобы все это работало быстро — нужно много оперативной памяти.

Поэтому если вы работаете в офисных программах, с браузером, у вас открыты мессенджеры и другие не особо требовательные программы — вам лучше высокая частота, а ядер достаточно и 4. Высокая частота — это примерно 4.5 ГГц и выше. Но еще важно поколение процессора, современные 4.5 ГГц намного производительнее, чем у процессора, которому несколько лет.

Если у вас много разных запущенных программ и при вы этом вы хотите параллельно запустить игру — вам нужно много ядер. Например есть ПК, где фоновых задач очень много, нереально, такие ПК называются серверами. И устанавливают туда серверные процессоры, где идет ставка как раз не на частоту, а на количества ядер, которых может быть 16, 32 и даже 64. А частота при этом может быть например 3 ГГц или даже меньше.

Да, сегодня стараются оптимизировать приложения для работы на многоядерных процессорах, но по прежнему ситуация не особо меняется — одно приложение будет максимально быстро работать на процессоре, где не так много ядер, но высокая частота. Для такой задачи например 4 ядра на 5 ГГц будет лучше, чем 8 ядер на 4 ГГц. Но особой разницы не будет, просто будет немного лучше.

Far Cry New Dawn

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

В данной игре шесть низкочастотных ядер потерпели разгромное поражение по плавности, проиграв четырем быстрым ядрам.

Результаты тестирования и настройки

Metro Exodus

Настройки графики

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

И опять с крохотным отрывом победу одержали четыре быстрых ядра. Но не стоит забывать, что это самые минимальные настройки графики, если бы видеокарта позволяла выставить максимальные настройки графики без «бутылочного горлышка», то процессор с четырьмя ядрами, скорее всего, серьезно бы уступил более медленному процессору, но с большим количеством ядер.

Результаты тестирования

Почему процессоры нового поколения быстрее при той же тактовой частоте?

Обычно это не из-за новых инструкций. Это просто потому, что процессору требуется меньше циклов инструкций для выполнения тех же инструкций. Это может быть по большому количеству причин:

  1. Большие кеши означают меньше времени на ожидание памяти.
  2. Больше исполнительных единиц означает меньше времени на ожидание начала выполнения инструкции.
  3. Лучшее предсказание ветвления означает меньше времени, затрачиваемого на умозрительное выполнение инструкций, которые на самом деле никогда не нужно выполнять.
  4. Улучшения исполнительного модуля сокращают время ожидания выполнения инструкций.
  5. Более короткие конвейеры (pipeline) означают, что конвейеры заполняются быстрее.

И так далее.

Разработка процессора для обеспечения высокой производительности — это гораздо больше, чем просто увеличение тактовой частоты. Существует множество других способов повышения производительности, которые возможны благодаря закону Мура и играют важную роль в разработке современных процессоров.

Тактовая частота не может расти бесконечно

На первый взгляд может показаться, что процессор просто выполняет поток инструкций одну за другой, при этом производительность увеличивается за счёт более высоких тактовых частот. Однако одного лишь увеличения тактовой частоты недостаточно. Потребляемая мощность и тепловая мощность увеличиваются с увеличением тактовой частоты.

При очень высоких тактовых частотах необходимо значительное увеличение напряжения ядра процессора. Поскольку TDP увеличивается пропорционально квадрату Vcore, мы в конечном итоге достигаем точки, когда чрезмерное энергопотребление, тепловая мощность и требования к охлаждению предотвращают дальнейшее увеличение тактовой частоты. Этот предел был достигнут в 2004 году, во времена Pentium 4 Prescott. Хотя недавние улучшения в энергоэффективности помогли, значительное увеличение тактовой частоты уже невозможно.

График заводских тактовых частот современных ПК для энтузиастов за многие годы.

В соответствии с законом Мура, наблюдением, которое гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые 18–24 месяца, главным образом в результате уплотнения кристалла, были реализованы различные методы, повышающие производительность. Эти методы совершенствовались и совершенствовались на протяжении многих лет, что позволяет выполнять больше инструкций за определённый период времени. Эти методы обсуждаются ниже.

На первый взгляд последовательные потоки инструкций часто можно распараллелить

Хотя программа может просто состоять из серии инструкций, выполняемых одна за другой, эти инструкции или их части очень часто могут выполняться одновременно. Это называется параллелизмом на уровне инструкций (ILP). Использование ILP жизненно важно для достижения высокой производительности, и современные процессоры используют для этого множество методов.

Конвейерная обработка разбивает инструкции на более мелкие части, которые могут выполняться параллельно

Каждую инструкцию можно разбить на последовательность шагов, каждый из которых выполняется отдельной частью процессора. Конвейерная обработка инструкций позволяет нескольким инструкциям проходить эти шаги одна за другой, не дожидаясь полного завершения каждой инструкции. Конвейерная обработка обеспечивает более высокие тактовые частоты: при выполнении одного шага каждой инструкции в каждом тактовом цикле для каждого цикла потребуется меньше времени, чем если бы целые инструкции должны были выполняться по одной за раз.

Классический конвейер RISC состоит из пяти этапов: выборка инструкций, декодирование инструкций, выполнение инструкций, доступ к памяти и обратная запись. Современные процессоры разбивают выполнение на множество этапов, создавая более глубокий конвейер с большим количеством этапов (и увеличивая достижимую тактовую частоту, поскольку каждый этап меньше и требует меньше времени для завершения), но эта модель должна обеспечить базовое понимание того, как работает конвейерная обработка.

Используются кэши для ускорения доступа к памяти

Современные процессоры могут выполнять инструкции и обрабатывать данные намного быстрее, чем к ним можно получить доступ в основной памяти. Когда процессору требуется доступ к ОЗУ, выполнение может приостанавливаться на длительные периоды времени, пока данные не станут доступными. Чтобы смягчить этот эффект, в процессор включены небольшие области высокоскоростной памяти, называемые кешами.

Из-за ограниченного пространства, доступного на кристалле процессора, кэши имеют очень ограниченный размер. Чтобы максимально использовать эту ограниченную емкость, кеши хранят только самые последние или часто используемые данные (временная локальность). Поскольку доступы к памяти имеют тенденцию группироваться в определенных областях (пространственной локальности), блоки данных рядом с тем, к чему недавно осуществлялся доступ, также хранятся в кэше. См .: Местоположение ссылки

Кеши также организованы на нескольких уровнях разного размера для оптимизации производительности, поскольку кеши большего размера, как правило, медленнее, чем кеши меньшего размера. Например, процессор может иметь кэш уровня 1 (L1) размером всего 32 КБ, в то время как его кэш уровня 3 (L3) может иметь размер в несколько мегабайт. Размер кеша, а также ассоциативность кеша, которая влияет на то, как процессор управляет заменой данных в полном кэше, значительно влияют на прирост производительности, получаемый с помощью кеша.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: