Что именно дают миллиарды транзисторов в процессоре для работы программы?

Question

[dauster]

Добрый день!
Возможно, мой вопрос примитивный, но пока не получается найти сколько-нибудь хорошую статью или книгу по теме.
Давно занимаюсь разработкой, но от железа все это время был довольно далек. Недавно задумался, что дают все эти миллиарды транзисторов (обещают уже чуть ли не триллион в перспективе) в CPU?
В-основном, общими словами, пишут, что они косвенно связаны с производительностью - чем больше транзисторов, тем она выше. Но за счет чего?
Понятно, что часть транзисторов - это просто быстрая память (кэш разного уровня). Чем туда больше всего запихаешь, тем быстрее оно будет обработано. Логично. Пишут, что кэша примерно 40% от транзисторов в процессоре, тут более-менее понятно.
Часть образует АЛУ - всякие регистры, сумматоры и прочие логические схемы. Но ведь для этого не нужны миллиарды транзисторов. Тот же сумматор состоит из трех десятков транзисторов всего. Как утилизируются остальные?
Ну и пример: вот есть у меня программа, которая делает простой инкремент числа, допустим. По сути это равносильно тому, что в некий регистр запихали значение и сделали инкремент в цикле, а ля
mov ax, 0
inc ax.
Будет ли данная программа получать какой-то выигрыш от увеличения количества транзисторов на кристалле при равной тактовой частоте процессора и если да, то как?
Ну и еще - буду очень благодарен за доп. информацию (может кто-то подскажет книгу, статью или видео по теме).
Заранее спасибо.

Comments

[Dmitry Roo]

Почитайте про микроархитектуру.

Answer 1

[15432]

1) Больше фич. Всякие AVX, MMX, а также умная конвейеризация, Hyper-Threading, спекулятивное исполнение, предсказание веток - при правильном применении сильно ускоряет вычисление
2) Больше ядер. В один кристалл всё больше процессорных ядер запихивают, можно распараллелить задачи, тоже получим прирост в скорости работы
3) Больше кэш-памяти. Та самая SRAM, которая входит в процессор и тоже состоит из транзисторов. Сильно ускоряет работу с памятью и задержки выполнения инструкций
4) Больше контроллеров. В процы сейчас встраивают всё, что попало - шины данных, контроллер DRAM, PCIE, северный мост, отдельное ядро сопроцессора (Intel ME, AMD PSP), GPU и даже NPU где-то добавляют. Тоже считается за "больше транзисторов".

Comments

[rPman]

и предсказание ветвления (не удивлюсь если в современных процессорах вставляют мини нейронку для этого)

[15432]

rPman, это в списке есть

[Станислав Макаров]

rPman вполне себе: раз, два. И реальные использования: Exynos 8890, и все свежие AMD-шные процы.

[Максим Гришин]

Не хватает VT-x, VT-d в фичах, это то, что позволяет писать гипервизоры, а без них куда сложнее запускать несколько разных серверов приложений.

Answer 2

[Borys Latysh]

Это элементарная цифровая ячейка "инвертор" - 2 транзистора.
ВСЕ остальные логические и функциональные модули во ВСЕЙ цифровой технике состоят из таких ячеек.
Вот почему чем больше транзисторов тем сложнее чип и тем больше он греется ну и все дальше по списку.

Comments

[AUser0]

Вот-вот, стоит только задуматься, а кто или что в процессоре физически выполняет все эти

mov ax, 0
inc ax

инструкции, и становится понятно...

[historydev]

AUser0, чё не понятного? Вкл/Выкл, выключателем пощёлкай дома - тоже самое

[Borys Latysh]

Я не думаю что имеет смысл так глубоко вникать в эти процессы. Цифровые автоматы нынче не в приоритете.
Это нужно понимать чисто для общего понимания схемотехники. Основной инструмент для железа это С++ и частично Ассемблер.
Хотя как по мне Ассемблер это только для производителей железа в наших прикладных условиях С++ гораздо привлекательнее.

[AUser0]

historydev, вы утверждаете, что mov ax, 0 - это вкл., а inc ax - это выкл. домашнего выключателя? А есть разница, какая нагрузка вкл-выкл, лампочка накаливания отличается от вентилятора?

Или вы прочитали по диагонали, не вникая в смысл комплементарного комментария?

[Borys Latysh]

вы утверждаете, что mov ax, 0 - это вкл., а inc ax - это выкл. домашнего выключателя?

Ну не знает человек Ассемблера. КПД на Ассемблере минимальный но выглядит пафосно.
В конечном итоге язык определяет производитель железа. На каком языке будет компилятор тот и надо использовать.
Как правило сегодня это Ассемблер (для "Хипстеров") и С++. Все остальные "надстройки" это платные библиотеки на С++ для быстрого использования конкретного железа.

[Nik Faraday]

Ответ не самый лучший, но посмотрев другие ответ, решил всё же лайк сюда влепить)

[AUser0]

Borys Latysh, с вопроса о количестве транзисторов перешли к превосходству C++ перед Ассемблером.
Неужели причина всё-таки в консерватории? :-D

[Borys Latysh]

AUser0, Как я понимаю человек знакомый с программированием высокого уровня заинтересовался а что там внутри этих "гигабайтов" результирующего кода.
Ну это как взять микроскоп и понять что все что кажется целым и простым на самом деле состоит их мелких элементов и на самом деле сложнейший механизм.

[AUser0]

Borys Latysh, но знакомый с программированием высокого уровня должен был бы эстраполировать свои знания, и самостоятельно сделать вывод о роли миллионов транзисторов. Помоему - так!

[historydev]

AUser0, Каждый бит регистра (в данном случае 16-битный регистр AX) представляет собой один D-триггер, который может находиться в состоянии 0 или 1, в зависимости от напряжения на его входе.

Все твои ассемблерные команды - это Вкл и Выкл.

И здесь хорошо подойдёт математика двоичная, вот что происходит, когда ALU прибавляет единицу твоей командой: 0 + 01 = 01 включился бит и мы получили 1, а 01 + 01 = 10 - включился следующий бит и мы получили 2.

Твоя нагрузка - это такт, больше тактов - больше температура и потребление.

[historydev]

Borys Latysh, Мне лучше знать что я не знаю.

[Borys Latysh]

historydev,

Все твои ассемблерные команды - это Вкл и Выкл.

Коллега давайте уважать собеседников. Ведь есть вероятность что кто то знает как работает Микропроцессор.
и ваше знание 2-ичной логики не является уникальным знанием абсолютной истины.
Вы легкомысленно переходите от инвертора к Триггеру не говоря о использовании АЛУ и все это на фоне упоминания 16 битных регистров.

[AUser0]

Borys Latysh, очевидно комментатор historydev вообще не понял суть вопроса, и что в ответах пытаются разжевать, и поэтому старательно разжёвывает своё, бинарно-триггерное...

[Steel_Balls]

Borys Latysh, вообще-то, вопрос был в другом. Про транзисторы.
Читать надо внимательнее

Answer 3

[Steel_Balls]

Простой программе типа

mov ax, 0
inc ax.

особой выгоды от увеличения количества транзисторов не будет. В данном случае выгода будет от увеличения частоты процессора и уменьшения расстояния между элементами процессора (физику и скорость света никто не отменял).
Выгода от увеличения транзисторов наступает при многозадачности и сложных программах, когда нагрузка на процессор сильно увеличивается и ему не хватает ресурсов (транзисторов) для того, чтобы перелопатить огромные потоки данных в единицу времени, а так же распараллелить и оптимизировать процессы сложного алгоритма и структур данных. Вот тогда вступают в силу всякие кэши, оптимизации, а для них как раз нужно увеличение транзисторов.
Пример из жизни: что будет работать быстрее и в каких случаях - комп с ОЗУ 1 Мб и одним процессором или с ОЗУ 64 Гб и 8 ядрами (при одинаковой частоте процессора)?
P.S. Отдельно отмечу, что на Луну американцы запускали "Апполоны" с ЭВМ мощностью ниже, чем современный обычный калькулятор. А сейчас мощности смартфона в миллионы раз больше, что позволяет успешно тапать хомяков )

Answer 4

[pfg21]

да, даст ускорение.
на единичных операциях ты ускорения не заметишь :)
ну к примеру
внедрение вычислительного конвейера добились выполнение "инструкции за один такт" вместо "одна инструкция за несколько тактов".
внедрение кешей инструкций и данных увеличилась скорость доступа к данным, к примеру твоя программа "влезает в кеш", и будет выполнятся в нем. а скорость работы с кешем в разы больше чем работа с "обычной" ram.
чтобы эффективнее использовать кеши внедрили паралелизацию внутри процессора суперскалярность.
внедрение предсказателя переходов увеличили скорость работы за счет предзакачки потока команда.

и все эти аппаратные надстройки потребовали огромного количества дополнительных транзисторов в проце. что собственно мы имеем.

Answer 5

[CityCat4]

Реальный процессор много-много сложнее чем те, которые мы все когда-то проектировали в институте. Там есть кучи блоков, про которые мы в те времена вообще не слыхали. Читаем про архитектуру современных процессоров. (Видели современный серверный проц? Там лепеха размером с календарик)

Comments

[Steel_Balls]

покежь

[CityCat4]

Steel_Balls, Не могу, уже в серваке стоит. Но размер у нее примерно 11 х 8 см.

[Steel_Balls]

CityCat4, а название есть? погуглю

[CityCat4]

Steel_Balls, Похоже вот это (переписываю с коробки) - CPU Intel Xeon Silver 4410Y, 2000Mhz, 12C/24T, 30Mb,TDP-150Вт, LGA4677, tray (PK8071305120002)

Answer 6

[Saboteur]

В современных процессорах есть значимые отличия от простых архитектур прошлого века.

Для начала - процессоры сейчас мультиядерные. Это быстрее чем несколько CPU.

Во-вторых в процессоры встроено огромная куча готовых блоков для ускорения различных расчетов. Если первые ко-процессоры для расчетов появились еще во времена 386 и 486, то в начале двухтысячных в процессоры уже встраивали хардварные декодеры видео и звука, сейчас есть блоки для дешифровки и так далее.

Есть модули ветвления/предсказания, которые по сути просто выполняют несколько вероятных потоков, из которых один продолжает работать, остальные считай проработали в холостую, но транзисторы для них задействованы.

Ну и если говорить про видяшки или асики, то там очень активно используется распараллеливание обработки, поэтому чем больше ядер, тем лучше, а каждое ядро - это не такое многофункциональное как основной CPU, но все равно уже мощный блок.

Вот сюда и уходит.

Дальше вопрос расстояния и энергопотребления, где главные движущиеся силы - миниатюризация.

Answer 7

[alexalexes]

Чтобы ответить на ваш вопрос, не перелопачивая кучу литературы, достаточно изучить вопрос, что такое суперскалярность.

Answer 8

[mayton2019]

Автор пишет

Ну и пример: вот есть у меня программа, которая делает простой инкремент числа, допустим. По сути это равносильно тому, что в некий регистр запихали значение и сделали инкремент в цикле, а ля

mov ax, 0
inc ax.

Будет ли данная программа получать какой-то выигрыш от увеличения количества транзисторов на кристалле при равной тактовой частоте процессора и если да, то как?

В данном конкретном случае никаих миллиардов транзисторов не нужно. Задача инкремента
действительно решается на десятках лампочек и реле или если хотите транзисторов.

Но технологически, число транзисторов это метрика которая грубо показывает сложность
устройства на кристалле. И ядерность. Технологически, компании производящие железо заинтересованы
делать кристалл меньше и число транзисторов больше. Это показывает их техно-превосходство.
Почему кристал меньше - понятно? Иначе он был-бы размером с чемодан или шкаф например.
Что уже десктопом не может быть. И энергопотреблял бы как хорошая электроплитка.

Поэтому условный Intel может быть производительнее условного Эльбруса для многопоточки
(когда все ядра работают) если мы заранее посчитали что у Intel больше транзисторов.

Но это метрика очень грубая. Такая же как сжигание каллориев еды в печке для оценки
каллорийности мяса или колбасы. В общем метрика рабочая но не стоит ее брать за
самую главную.

Comments

[Steel_Balls]

В первую очередь маленький кристалл - это уменьшение расстояния между элементами. Скорость света никто не отменял. Она конечная

Answer 9

[Roman]

Была давненько в универах такая дисциплина - Прикладная теория цифровых автоматов (ПТЦА). Так вот, там нас учили строить и рассчитывать схемы процессоров, простеньких, всякие сумматоры, сдвигатели, АЛУ, регистры и т.д. и все это решалось на простейших триггерах (вентилях), И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и т.д. (тут уже есть картинка.)
Так вот представьте, что при большом количестве транзисторов можно реализовать схему, которая, например, перемножит две матрицы за один такт работы ЦПУ. Или еще чего покруче, а размеры кристалла останутся такими же.