Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

Даже если абстрагироваться от того, что человечество променяло исследование космоса на костюмы для собак и гаджеты, как говаривал Рей Брэдбери, остаётся впечатление, что и земной «король вычислительной техники», персональный компьютер, чувствует себя плохо. За счёт чего растёт производительность железа и как долго её удастся увеличивать в условиях, когда пресловутые ядра и гигагерцы топчутся на месте ?

----------------------<cut>----------------------

Проще всего живётся пессимистам — их не удивляют ни экономические проблемы, ни замедлившееся развитие техники, ни природные катаклизмы. Позитивно настроенным энтузиастам приходится тяжелее, потому что «хронические болячки» железа, пустяковые на первый взгляд, со временем встают в полный рост. Сегодня мы оценим темпы прогресса различных ПК-комплектующих и попытаемся предвидеть «революции» в технологиях, если таковые намечаются.

Процессоры — рост производительности по чайной ложечке в год

Как известно, чем ближе дедлайн — тем интереснее мыть посуду. Похожим образом выглядят беседы о доработке новых поколений CPU архитектуры x86.

— Как у вас, ребята, обстоят дела с процессорной производительностью? Она возросла?
— Вы знаете, у нас такая замечательная интегрированная графика!
— Чудесно, а производительность? Ну, та, которая процессорная?
— И энергопотребление, знаете ли, снизилось. Улучшим экологическую обстановку вместе!
— Что с быстродействием-то?!
— Мы тут раскопали компьютер пятилетней давности — в сравнении с ним наш новый процессор очень хорош!
— …

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

Помните, что на всякую «достаточную» производительность процессора рано или поздно найдётся своя Windows Vista


Было бы лукавством не отметить, что производительность CPU год от года всё же улучшается — бесполезная на заре своего появления интегрированная графика сегодня «отправила в могилу» все дискретные видеокарты начального класса, современные архитектуры процессоры обзаводятся поддержкой новых инструкций и за счёт этого «громят» предшественников в ряде задач (кодировании видео и аудио), да и производительность на такт растёт за счёт более умных систем предсказания ветвления, к примеру.

Но в повседневных задачах домашнего ПК (игры, браузер, обработка фото), так уж получается, новые процессоры чаще всего предлагают смехотворные +5% в сравнении с предшественником. Неудивительно, что производители CPU так искусно увиливают от сравнения пограничных архитектур «в лоб». И по этой же причине они пытаются выставить достижением возможность с горем пополам играть на интегрированной графикой в новые игры, будто пользователи компьютеров не «наелись» низкой частотой кадров со старой интегрированной графикой и старыми играми…

Не хотят или не могут? Сложный вопрос, ведь тот же Intel, с одной стороны, отважно пытается соблюдать закон соучредителя компании, Гордона Мура, согласно которому число транзисторов на интегральных схемах должно увеличиваться вдвое каждые пару лет. Но оказывается не в состоянии следовать такому наказу, потому как внедрение каждого нового техпроцесса происходит всё более болезненно, и физические ограничения размеров транзисторов очень лимитируют «простор для творчества» производителей чипов. При этом тактовая частота перестала расти сравнительно давно, и не из-за «сговора маркетологов», а в силу того, что с доработками суперскалярной архитектуры мегагерцы уже не могут быть настолько линейно масштабированным мерилом производительности, как в старые добрые времена. То есть, инструкции всё равно исполнялись за аналогичный промежуток времени, а разгон процессора оказывался «кукурузным», как любят говорить оверклокеры. Другое дело, что мультипоточность и рост ядер во младших моделях не внедряется по маркетинговым соображениям, но это расплата за символическую конкуренцию между двумя ведущими производителями процессоров.

Такая безрадостная перспектива всё же не мешает постепенному прогрессу поколений Intel Core (кстати, после относительно низкочастотных Skylake вот-вот нагрянут Skylake Refresh с гораздо более внушительными гигагерцами и действительно возросшей вслед за ними производительностью), но с символическим приростом производительности даже без жёсткой конкуренции со стороны «красных» рано или поздно придётся что-то делать. Одним из способов доработки CPU может стать внедрение программируемых транзисторов, то есть, чипы, способные работать нелинейным образом. Подобная идея звучит смело, хотя она ближе к реальности, чем кажется. Да только подобное начинание отнимет много времени и средств на разработку, а такой роскоши у сжимающейся индустрии ПК нет, и пока не предвидится.

Существует и консервативный вариант «тех же щей, да в высокий сосуд налей» — тот самый FinFET или вертикальные транзисторы, а затем и многослойные чипы с общей подложкой. Накопители смогли — и процессоры смогут! Кстати, о накопителях.

Накопители — много разных и хороших, но надёжные не все

Чудны дела твои, индустрия накопителей! Перед нами редкий в компьютерной индустрии пример соседства технологии прошлого (HDD) и текущего (SSD) поколений, причём соседство выдалось мирным за счёт разной специализации накопителей двух типов.

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

После того, как SSD резко сбавили в цене, жёсткие диски переквалифицировались в «складские помещения», с которых не пристало спрашивать «а как у вас с техническим прогрессом?» или «не планируете ли улучшить производительность и время доступа-с?». Миссия HDD сегодня подобна той, которой следуют грузовые автомобили — оперировать огромными объёмами информации там, где на «легковых» SSD это сложно либо по финансовым соображениям, либо в силу быстрого износа памяти.

Два типа накопителей пытались так и эдак совмещать — Seagate, к примеру, по сей день выпускает гибридные SSHD, чуть более отзывчивые, чем традиционные жёсткие диски, но менее дорогие в сравнении с твердотельными накопителями. Существуют и примеры удачной программной консолидации SSD и HDD в единый логический том — Apple Fusion Drive, в котором операционная система самостоятельно распределяет часто используемые файлы во флэш-память, а невостребованные в долгосрочной перспективе данные — на менее скоростной жёсткий диск.

Что касается жёстких дисков в их классическом понимании, сегодня корпоративные клиенты вольны приобретать 3,5-дюймовые «винчестеры» ёмкостью 10 Тбайт. Революционная технология термомагнитной записи (HAMR), увы, пока остаётся светлым будущим без серийного воплощения.

По-настоящему классно по меркам компьютерных комплектующих развиваются твердотельные накопители — скорость растёт, память совершенствуется, контроллеры становятся производительнее, форм-факторы — миниатюрнее. Потенциал устаревшего интерфейса SATA-III новые SSD давно превзошли и теперь прогрессируют в менее «тесном» PCI-e (как правило, с четырьмя линиями для флагманских моделей) с протоколом NVMe.

Всё многообразие флэш-памяти сегодня подразделяется на MLC и TLC. Среди них MLC — быстрый и мейнстрим, а TLC — эконом-класс с чуть меньшим ресурсом перезаписи в твердотельных накопителях.
Терабайтные накопители перестали быть фантастикой, а главное опасение всех пользователей SSD — ресурс ячеек памяти, износ которых, в отличие от жёстких дисков, недвусмысленно и доступно отображается в диагностических утилитах. И, конечно, не все твердотельные накопители одинаково полезны, но в случае с Kingston жестокие марафонские тесты показали выносливость даже устаревшего ныне HyperX 3K на уровне двух петабайт (2 млн. Гбайт, дамы и господа) записанной информации. Таков ресурс качественного накопителя двухлетней давности. В современных SSD — от «народного» бестселлера UV400 до «супермодели» Predator с надёжностью дела обстоят как минимум не хуже.

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

«Последний писк моды» в твердотельных накопителях — трехмерная флэш-память (которая не существует отдельно ото всех, а тоже подразделяется на TLC и MLC), то есть, вертикальная организация ячеек. Дорогое удовольствие и своеобразный хак, при котором у производителя появляется возможность использовать NAND на устаревшем техпроцессе для повышения ресурса накопителя. Язык не поворачивается назвать выносливость накопителя избыточной, но контроллер в SSD подобного типа в любом случае умрёт раньше, поэтому стоит ли мечтать об идеально сохранившемся теле, если мозг стареет в обычном режиме — вопрос открытый.

Оперативная память — удивительные приключения DDR4 в ноутбуках

Если в случае с процессорами и накопителями нам приходилось делать лирические отступления, мол «понимаете ли, вопрос индивидуальный, это ещё с какой стороны посмотреть…», то в случае с памятью есть жёсткий стандарт JEDEC (комитета инженерной стандартизации полупроводниковой продукции), которому все следуют так же, как спортсмены с самого начала придерживаются какой-то тактики.

Актуальный стандарт, DDR4 SDRAM, «вышел в народ» совсем недавно, в 2014 году, и пока очень далёк от своего потолка возможностей. К примеру, восьмислойная упаковка 16-гигабайтных кристаллов в чип позволит в будущем нарастить ёмкость модулей вплоть до 512 Гбайт. Да, это запас на будущее, но одной из самых приятных следствий DDR4 — удешевление больших объёмов RAM, а это не может не радовать. Производительность у нового типа DDR выше, а энергопотребление ниже, чем у предшественника (спасибо, товарищ капитан), да и с диагностикой неисправностей дела обстоят куда более радужно.

По-настоящему массовый переход на DDR4 состоялся осенью 2015 года, после анонса процессоров Intel Skylake. В десктопных ПК — вместе с переходом покупателей на новую платформу, тем более, что выбирать особо не приходилось. Дело в том, что для чипов Core шестого поколения Intel рекомендует либо память DDR3L, либо DDR4. Классическая и наиболее распространённая в десктопах DDR3 с процессорами сработаться в состоянии, но Intel не может гарантировать, что процессор (с его встроенным контроллером памяти) не будет повреждён от такого соседства.

А ещё примечателен факт, что знаменитая своими инновациями Apple до сих пор оснащает свои компьютеры разновидностями DDR3. Например, новейшие MacBook Pro довольствуются всего-то 16 Гбайт оперативной памяти LPDDR3E (улучшенная экономичная LPDDR3), что спровоцировало некоторую драму среди потенциальных покупателей модели. А всё дело в том, что Apple гонится за максимальной экономичностью всех комплектующих и по этой причине отказывается использовать «полнокровную» DDR4. А третьего варианта для мобильных процессоров Intel не предусмотрено — Skylake не дружит с LPDDR4, а DDR4L всё ещё находится в разработке. Поэтому мы и наблюдаем ситуацию, когда новейшие компьютеры довольствуются морально устаревшим стандартом RAM. Впрочем, Apple изготавливает свои ноутбуки «под ключ», без возможности апгрейда ОЗУ, поэтому либо покупатель смирился с конфигурацией до покупки, либо не компьютер, третьего не дано.
А во всех случаях, когда простор для апгрейда и подбора конфигурации есть, для успешной работы RAM нужны только высококачественные «банки» памяти и подобающая культура изготовления (куда же без неё?).

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

У Kingston с этим порядок ещё с 1980 гг., когда память родом из Fountain Valley отправлялась в Mac, а затем и PC взамен менее качественных брендовых модулей. Сейчас на память Kingston предоставляется пожизненная гарантия, которая чаще всего не пригождается, потому что надёжность у модулей компании по-прежнему очень высока.
Следующее поколение оперативной памяти прибудет в компьютеры не ранее 2019 года и первоначально будет использоваться в серверах. Грядут многослойные микросхемы HBM.

Видеокарты. Техпроцесс — двигатель прогресса

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

Слишком объёмная тема для комплексной статьи, потому что видеокарты развиваются бурным образом, поэтому отметим тенденции последней пары лет.
Во-первых, графические ускорители робко, но целенаправленно движутся в сторону «играбельной» частоты кадров в разрешении 4K. Чаще всего именно этот фактор (а не кривые порты игр с консолей) побуждает разработчиков железа наращивать производительность, а покупателей — тратить новые средства на апгрейд видеоускорителя.

Вторая движущая сила — виртуальная реальность. Игры и тренажёры с максимальным погружением в процесс требуют запредельной детализации картинки, и это не вопрос качества графики, а комфортного самочувствия, потому что VR, в некотором роде, «обманывает организм» человека. От времени отклика и качества картинки зависит, насколько удобной для долговременного использования станет виртуальная реальность в домашнем варианте — плохая детализация тоже становится одной из причин тошноты, усталости и головных болей от использования VR.

Что касается конструкции видеокарт, два главных новшества последних лет — новые техпроцессы (16 нм FinFET у NVIDIA, 14 нм FinFET у AMD) взамен растянувшихся на долгие годы архаичных 28 нм, и новый тип памяти HBM, который пришёл на смену GDDR5.

Мегагерц не ловится, ядра не растут. Что случилось с техническим прогрессом в ПК ?

Уменьшилась полезная площадь кристалла и у разработчиков чипов «развязались руки» для наращивания производительности, поэтому не революционная в своей базе архитектура NVIDIA Pascal (доработанный по нескольким направлением Maxwell, знакомый нам по GTX 900 серии) резко прибавила в производительности, а видеокарты научились работать при небывало высоких тактовых частотах, в результате чего мы наблюдали «крышесносящую» девальвацию индексов предыдущих поколений. Например, GeForce GTX 980 оказался эквивалентен всего лишь GTX 1060. Как в старые добрые времена!

У AMD припасены немного другие «вкусности». Ещё в 2015 году на свет появились абсолютно новые видеокарты R9 Fury, в которых графический процессор и память были объединены в единый кластер. Причём сама память резко отличается от того, что мы привыкли видеть в GDDR какого-либо поколения: компактные многослойные экономичные чипы пока ещё не доведены до совершенства (чтобы бороться со значительным нагревом комплектующих AMD пришлось оснащать видеоускорители Fury водяным охлаждением), да и в новых Radeon RX 470/480 не используются, но производительность GDDR5 наращивать уже некуда и именно HBM приведет к новому скачку производительности видеокарт в будущем.

Следующим фактором прироста производительности станет использование низкоуровневых API, самые знаменитые из которых — Vulkan и DirectX 12, которые позволяют быть «ближе к железу», минуя привычные уровни абстракции. То есть, появится смысл реализовывать новые, более эффективные схемы рендеринга и распоряжаться памятью всех видеоускорителей в SLI как единым целым (правда, этому препятствует сама NVIDIA, когда отключает поддержку SLI у видеокарт среднего класса). А распространению DirectX 12 препятствует то, что он наличествует только в Windows 10, тогда как предпочтения пользователей ПК распределились несколько иначе. Разработчики игр пока тоже не спешат внедрять светлое будущее, поэтому главные достижения новых API мы увидим в недалёком будущем.

Живее всяческих «пост-устройств»

Персональный компьютер даже без взрывного прогресса по всем фронтам и пачке проблем, отложенных на потом, всё ещё выглядит царём горы — практичной, модульной, универсальной вычислительной машиной, которая способна «дать прикурить» любым легкомысленным устройствам так называемой эпохи пост-ПК.

Другое дело, что классическими десктопами перестали «забивать гвозди» и использовать их в любых сценариях работы, как это было раньше: экстремально трудоёмкими задачами занимаются рабочие станции, промежуточным звеном между устройством для генерации и потребления контента стали ноутбуки, планшеты и тонкие клиенты, к примеру. Да и в полку игровых консолей и их разновидностей прибыло (стим-машины, к примеру).
И было бы не совсем корректным сравнивать несравнимое, но как показала практика — там, где компьютер похудеет, планшетный компьютер отправится в могилу. Так пожелаем доброго здравия нашему последнему оплоту честной цифровой техники среди одноразовых гаджетов!