20 lat zmian w procesorach. Od dwóch wątków po wyścig na rdzenie

Najnowsze procesory są efektem bardzo długiego, blisko 200-letniego rozwoju, jeśli wliczać moment odkrycia krzemu. W okresie, kiedy powstawały dobreprogramy, na rynku debiutowały już natomiast procesory obsługujące więcej niż jeden wątek. Później pojawiły się dodatkowe rdzenie.

Po pokonaniu bariery 1 GHz, z czasem okazało się, że taktowania nie można zwiększać w nieskończoność, ponieważ limitem stały się coraz wyższe napięcie oraz temperatura. Zaczęto więc szukać innych rozwiązań na zwiększenie wydajności. W 2002 roku Intel pokazał technologię Hyperthreading (HT) pozwalającą procesorowi Pentium 4 (Northwood) na obsługę dwóch wątków.

W 2005 roku Intel zaprezentował dwurdzeniowe procesory Pentium D wykorzystujące litografię 90 nm (Smithfield), które występowałaby także w wersji Extreme Edition 840 wspierającej technologię Hyperthreading (HT). Dzięki niej dwurdzeniowy procesor był w stanie obsłużyć cztery wątki.

Była to co prawda niezbyt elegancka konstrukcja opierająca się na osadzeniu dwóch rdzeni Pentium 4 na jednym interposerze. Rok później pojawiła się odświeżona seria oznaczona jako Presler wykorzystująca niższy, 65-nm proces technologiczny, skutkujący wyższym taktowaniem w trybie turbo i podwojeniem pamięci podręcznej L2.

Następcą tych niezbyt udanych procesorów stała się bardzo uznana, zaprezentowana w 2006 roku, seria Core 2 wykorzystujące nową mikroarchitekturę Core łączącą zalety P6 i NetBurst. Mamy tutaj np. dwurdzeniowe jednostki Core 2 Duo E6600 lub czterordzeniowe Core 2 Quad Q6600.

Warto jednak zaznaczyć, że także AMD wydało swoje dwurdzeniowe procesory K8 Athlon 64 X2 jeszcze w 2005 roku i były one godnym rywalem dla Pentium D oraz Core 2 Duo. Procesor AMD był wykonany w litografii 65 nm oraz wykorzystywał gniazdo AM2. Następnie do tego grona dołączyły w 2007 roku procesory Phenom oparte na mikroarchitekturze K10.

AMD wydało jeszcze w 2009 roku ulepszone procesory Athlon II oraz Phenom II, a rok później pojawił się sześciordzeniowy Phenom II X6. Warto też zaznaczyć, że w tym okresie istniała szansa na odblokowanie np. Athlona II X3 do Phenoma II X4 przez samych użytkowników.

Działo się tak, ponieważ w wyniku specyfiki produkcyjnej CPU lub GPU, część rdzenia zawsze jest niesprawna i czasem sytuacja zmusza producentów do wykorzystywania w produkcji tańszych układów sprawnych rdzeni zarezerwowanych dla wyższych w hierarchii produktów. Jeśli nadmiarowe rdzenie są tylko programowo zablokowane, a nie fizycznie uszkodzone, jak pokazała historia - można je było "uruchomić".

Zapowiedzią ciężkich czasów dla AMD były procesory Intela oparte na mikroarchitekturze Nehalem, które pojawiły się w 2008 roku. Przyniosły one też nomenklaturę Core i3, i5 i i7 stosowaną do dzisiaj. Procesory wykorzystywały 45-nm lub 32-nm litografię (od 2010 roku) oraz podstawkę LGA 1156. Występowały w wariantach zawierających do czterech rdzeni z obsługą HT. Warto wspomnieć, że np. Core i5-750 był w stanie pokonać wydajnością Phenoma II X6.

Ratunkiem dla AMD miała być nowa mikroarchitektura Bulldozer, która miała pokonać Intela dzięki wysokiemu taktowaniu oraz wielu rdzeniom. Niestety dla AMD okazało się, że procesory z serii FX - mimo wysokiej wydajności wielowątkowej - charakteryzowały się wręcz żałośnie słabym pojedynczym wątkiem w dobie, kiedy oprogramowanie oraz gry nie były przystosowane do wielu rdzeni.

W efekcie zdarzały się przypadki, kiedy jeden z najmocniejszych nowych procesorów -  FX-8150 - przegrywał w grach ze starym Phenomem II X6 i tracił bardzo znacząco do Intela Core i7-2600K. Jednym z najbardziej istotnych problemów była budowa procesora wykorzystującą dwurdzeniowe moduły zawierające niezależne jednostki ALU oraz współdzieloną FPU. AMD reklamował swoje czteromodułowe procesory jako ośmiordzeniowe, co spowodowało też problemy prawne w USA, wskutek których AMD musiało w 2019 roku zapłacić pozywającym 12,1 mln dolarów.

Z kolei po stronie Intela pojawiły się wyśmienite procesory wykorzystujące mikroarchitekturę Sandy Bridge, które np. w przypadku Core i7-2600K można było bez wysiłku podkręcić z 3,8 GHz do ponad 4,5 GHz.

Po procesorach Sandy Bridge przyszła pora na procesory z rodziny Ivy Bridge. To w praktyce ulepszona wersja poprzednika produkowana w niższej, 22-nm litografii. Niestety, Intel zastosował tu pod rozpraszaczem ciepła pastę termoprzewodzącą zamiast lutu, co pogorszyło możliwości podkręcania i oddawania ciepła. Spowodowało to modę na scalpowanie procesorów i stosowanie płynnego metalu obniżającego temperaturę.

Metod było kilka. Dla poszukujących mocnych wrażeń entuzjastów najciekawszą była - bardzo ryzykowana dla procesora i portfela jego posiadacza - "metoda żyletkowa". Ponadto na rynku pojawiły wyspecjalizowane narzędzia, takie jak Delid Die Mate. Era "gluta" w procesorach Intela została zakończona dopiero wraz z premierą procesorów z rodziny Coffee Lake Refresh, będącej częścią mikroarchitektury Skylake.

Brak konkurencyjności na rynku CPU spowodował, że konsumenci mogli liczyć w zasadzie tylko na nowe warianty Intel Core (cztery rdzenie, osiem wątków). Dopiero premiera procesorów AMD Ryzen w 2017 roku, która w sporej mierze uratowała firmę przed bankructwem, spowodowała długo wyczekiwany progres na rynku procesorów.

AMD, podobnie jak w przypadku Bulldozera, zaoferowało układy wyposażone w więcej rdzeni niż konkurencja, ale tym razem ich wydajność jednowątkowa nie była tragiczna. Przykładowo, Ryzen 1700X oferował ogromną wydajność wielowątkową na tle podobnie wycenionych Inteli, toteż był pierwszym wyborem osób zajmujących się zawodowo np. obróbką wideo. Równocześnie można było też na nim bezstresowo pograć.

Kontrą Intela były procesory Coffee Lake (mikroarchitektura Skylake) wypuszczone pod koniec 2017 roku, oferujące pierwszy raz w konsumenckim segmencie sześć fizycznych rdzeni. W przypadku np. Core i5-8600K mieliśmy sześć rdzeni z wyłączonym HT, a układy Core i7 8700/K oferowały obsługę 12 wątków, dzięki włączonemu HT. Z kolei rok później AMD pokazało odświeżone Ryzeny serii 2000 wykorzystujące rdzenie ZEN+ (drobne zmiany dotyczące zmniejszenia opóźnień do pamięci podręcznej i niższy, 12-nm proces technologiczny), co trochę poprawiło osiągi.

Kolejnym znaczącym momentem był 2019 rok, kiedy to w serii AMD wykorzystującej nową generację mikroarchiektury ZEN i 7-nm litografię, zaoferowano wielowątkową wydajność starszych procesorów sektora profesjonalnego Intela za "przysłowiowe grosze". Przykładem jest 16-rdzeniowy Ryzen 9 3950X.

Z kolei w grach ta generacja zaczęła się zrównywać z procesorami Intela, ale było to tylko preludium do premiery procesorów serii 5000. Nastąpiła ona pod koniec 2020 roku. Wówczas CPU AMD pokonały procesory Intela nawet w grach, które były ich ostatnim bastionem.

Intel próbował kontratakować w 2021 roku procesorami z rodziny Rocket Lake, co nie skończyło się dobrze i firma musiała czekać do premiery procesorów z rodziny Alder Lake. Dopiero najnowsza generacja AMD serii 7000 (Raphael) oparta na rdzeniach ZEN 4 i korzystająca z 5-nm litografii zdołała wyrównać sytuację, ale w tle jest już kontra Intela w postaci 13. generacji (Raptor Lake).

Publikacja powstała w ramach cyklu z okazji 20-lecia dobrychprogramów. Wszystkie artykuły można znaleźć na stronie poświęconej jubileuszowi.