Такт процессора и машинный цикл
Внесистемная единица · величина: интервал синхронизации и мера вычислительной работы
Осенью 2004 года Intel отменила разработку процессора, который должен был работать на десяти гигагерцах, и это была не техническая неудача, а признание физического упора: кристалл, разогнанный вдвое, требовал вчетверо большей мощности и попросту плавился. Гонка частот, продолжавшаяся тридцать лет, кончилась в один день, а вместе с ней кончилась и привычка мерить производительность гигагерцами — с тех пор ядер стало больше, а такт при том же счёте на бумаге сделался куда полезнее.
Сам такт — это интервал между двумя фронтами тактового сигнала, тот самый шаг, которым переключаются все синхронные узлы кристалла разом. Обратная величина у него — частота, и потому такт при пяти гигагерцах длится две десятых наносекунды, за которые свет успевает пройти шесть сантиметров, а сигнал по медной дорожке и того меньше. Машинным же циклом называют то, что процессор делает за целое число тактов: раньше это была одна инструкция от чтения до записи результата, а теперь, когда конвейер работает над десятками команд сразу, счёт ведут наоборот — сколько тактов приходится на одну инструкцию.
01 · Определение
Такт — период тактового сигнала, то есть интервал между двумя одноимёнными фронтами, по которым синхронные элементы кристалла разом меняют состояние. Машинный цикл — целое число тактов, за которое процессор выполняет законченное действие; в конвейерной машине его заменяют обратной мерой — числом тактов на инструкцию, а её обратной величиной служит число инструкций за такт.
Длина такта задана не природой, а разводкой кристалла: она должна быть не короче самого медленного пути между двумя триггерами, включая задержку самого триггера и запас на разброс параметров. Отсюда обычный приём проектировщика — разрезать длинный логический путь на две ступени конвейера: такт становится вдвое короче, частота вдвое выше, но каждая инструкция теперь идёт по вдвое большему числу ступеней, так что выигрыш достаётся не сразу и не всегда.
Ограничивает же частоту не логика, а мощность: динамическое потребление растёт вместе с частотой и с квадратом напряжения, а напряжение приходится поднимать, чтобы схема успевала на возросшей частоте. Тепловыделение поэтому идёт примерно как куб частоты, и на этой кубической зависимости гонка гигагерцев и остановилась около четырёх, оставив дальнейший рост производительности числу ядер и ширине конвейера.
Наконец, такт — единица, длина которой непостоянна. Управление питанием меняет частоту сотни раз в секунду, подстраиваясь под нагрузку и температуру, и потому по числу тактов нельзя судить о прошедшем времени, зато можно судить о выполненной работе: счётчик такта считает не секунды, а шаги вычисления, и в этом его настоящая ценность.
Ведите частоту ползунком и следите за двумя кривыми, которые расходятся в разные стороны. Зелёная — расстояние, которое успевает пройти сигнал за один такт: чем выше частота, тем короче этот путь, и на пяти гигагерцах он оказывается меньше самого кристалла. Малиновая — во сколько тактов обходится обращение в память: задержка её от частоты не зависит вовсе, а потому в тактах она растёт линейно, и процессор простаивает всё дольше.
Разрезав работу на ступени, проектировщик укорачивает такт, но одна инструкция проходит теперь весь этот лестничный марш, и её собственная задержка не уменьшается, а растёт. Выигрыш появляется лишь тогда, когда ступени заполнены разными командами, а при неверно предсказанном переходе конвейер приходится очищать целиком — и тем длиннее он, тем дороже обходится ошибка.
02 · Пересчёт
Частота, период, работа
Введите частоту или длину такта, и лист покажет обратную величину, путь сигнала за такт и стоимость обращений к памяти в тактах. Первое семейство точно по определению, второе опирается на средние показатели ядра, третье — на типичные задержки нынешней иерархии памяти.
Скорость сигнала в дорожке принята за шесть десятых скорости света; в тонких настройках листа её можно сменить на половину.
Сравнивать по частоте можно только одинаковые ядра, потому что число тактов на инструкцию у разных архитектур различается в разы: одна машина за такт разбирает четыре команды, другая едва одну. Именно поэтому цифра в гигагерцах ушла из рекламы, а на её место пришли наборы тестов, измеряющие уже не такты, а выполненную работу.
| Значение | Пояснение | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Порядки величин
логарифмическая шкала: от такта до кванта планировщика04 · Приборы измерения
Чем задают такт и чем его считают
Источником такта служит пластинка кварца, колеблющаяся обычно на нескольких десятках мегагерц с точностью около десяти миллионных долей. Гигагерцы на кристалле получаются уже не от неё, а умножением этой опорной частоты, так что стабильность всей машины наследуется от кусочка минерала размером с рисовое зерно.
Фазовая автоподстройка сравнивает поделённую частоту генератора с опорной и подкручивает его до совпадения фаз, а изменением делителя частоту меняют на ходу. Именно она позволяет управлению питанием опускать такт до нескольких сотен мегагерц в покое и поднимать его в предельный режим на считанные секунды, покуда есть тепловой запас.
Внутри ядра сидят регистры, считающие такты, выполненные инструкции, промахи кэша и неверно предсказанные переходы, и читать их можно прямо из работающей программы. Из этих чисел и получают число тактов на инструкцию — единственную честную меру того, насколько хорошо код лёг на конкретный кристалл.
Чтобы увидеть сам такт, нужен прибор, ловящий фронты с разрешением в единицы пикосекунд, и он же показывает вещи, из-за которых частоту нельзя поднять дальше: дрожание фазы, перекос прихода сигнала в разные углы кристалла и завал фронта на длинной линии.
05 · Правила записи
Такты и герцы — не одно и то же
Частоту записывают в герцах с приставкой прописной для мега и гига, а число тактов — целым, без всякой единицы, поскольку такт единицей СИ не является. Показатели работы пишут прописными без точек и с указанием, к какому ядру они относятся; смешивать частоту и производительность в одной величине нельзя.
Первая запись мешает две разные величины: число тактов безразмерно, герц же измеряет частоту. Вторая нарушает регистр приставки, обязательный для мега и гига. Третья сравнивает по частоте разные архитектуры, у которых число тактов на инструкцию отличается в разы, а потому вывод из такого сравнения не следует. Четвёртая объявляет постоянной ту величину, которую управление питанием меняет сотни раз в секунду.
06 · Соседние единицы
Рядом стоят единицы, которыми меряют ту же работу с других сторон: герц как частота самого сигнала, число операций с плавающей точкой в секунду и число инструкций, приходящихся на такт. Все они выводятся друг из друга, стоит знать частоту и поведение конвейера.
частота, единица СИ
безразмерная мера
мера счётной работы
Из паспортов Simetrium рядом стоят герц, задающий частоту, секунда и её дольные приставки, unix time, где предел определяется тоже машинным словом, и бит с байтом, которыми меряют то, что такт переносит.
07 · Исторический раздел
Тридцать лет гонки и один день отмены
Первый однокристальный процессор работал на частоте, которую нынешний кристалл проходит за долю микросекунды, и на одну инструкцию у него уходило восемь тактов. Машинный цикл был тогда понятием буквальным: чтение команды, разбор, выборка данных, счёт и запись — каждая стадия занимала свой такт, и все они шли строго по очереди.
Как только стадии научились работать одновременно над разными командами, привычная мера сломалась: инструкция по-прежнему шла пять тактов, но выходила из конвейера каждый такт. Пришлось перевернуть счёт и говорить о числе тактов на инструкцию, которое у хорошей машины стало меньше единицы — то есть за один такт завершается больше одной команды.
Архитектура с конвейером в тридцать одну ступень была построена ради частоты и упёрлась в тепло: обещанные десять гигагерц требовали охлаждения, немыслимого в настольном корпусе. Проект закрыли, и отрасль развернулась к многоядерности — не потому, что она лучше, а потому, что кубический рост потребления не оставил иного пути.
Нынешнее ядро не имеет одной частоты: в покое оно опускается до нескольких сотен мегагерц, под нагрузкой поднимается к пяти гигагерцам и держит эту частоту, пока есть тепловой запас. Паспортная цифра стала обещанием при благоприятных условиях, а сравнивать машины по ней перестали и производители, и обозреватели.
Единица, длина которой меняется по ходу измерения
Такт устроен неудобно для метролога: его длину задаёт не эталон, а разводка кристалла, и меняется она у одного и того же процессора сотни раз в секунду, поскольку управление питанием подстраивает частоту под нагрузку и температуру. Оттого счётчик тактов не годится для измерения времени, хотя внешне выглядит таймером, и всякая программа, которая пробовала считать по нему секунды, ошибалась ровно при переходе ядра в другой режим.
Зато для той задачи, ради которой такт и появился, он подходит лучше любой единицы времени. Считая такты, мы измеряем не длительность, а объём вычислительной работы, и потому число тактов на инструкцию остаётся сравнимым при любом изменении частоты — оно говорит о том, насколько хорошо код лёг на кристалл, а не о том, как быстро крутился кварц. Величина, привязанная не к секунде, а к самому вычислению, оказалась в итоге устойчивее той, что казалась строгой.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные величины, без которых не обходится ни наука, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи, история. На 36 языках.