Tajemství pod kapotou - výkonnost čipových sad
Proč dosahuje Pentium 4 podstatně lepších výkonů s DDR pamětí nežli s obyčejnou SDR? Proč, ač je tak efektivní a výkonné, nemělo Pentium III šanci do budoucna? Proč systém s výkonným procesorem je často vyšachován podstatně slabší sestavou? A proč se jeden z klíčových parametrů každého notebooku jen zřídka kdy dostane do popředí zájmu?
Magie čipových sad
Na všechny otázky existuje jedna odpověď. Čipová sada. Jen na málokteré komponentě záleží tolik a tak málo se o ní mluví. U notebooku pak ještě více (respektive méně) nežli u stolních počítačů: čipová sada je prostředníkem mezi pamětí, procesorem, pevným diskem, všemi ostatními komponentami běžného notebooku, nezřídka (žel) zastává i funkci grafické karty.
V dnešním závěrečném díle našeho seriálu o výkonu klíčových komponent notebooků se podíváme blíže na čipové sady, se kterými se lze běžně potkat v noteboocích. Je značná pravděpodobnost, že pokud váš notebook nepatří mezi velmi exotické, některá z těchto sad vám zřejmě říká pane. Též pokud uvažujete o nákupu notebooku, v budoucím notebooku se setkáte s některou z naší "nabídky". Nejprve si představíme funkci čipové sady a neuralgické body, které mohou ovlivňovat její výkon jako je rychlost systémové a paměťové sběrnice, následně se pokusíme srovnat čipové sady mezi sebou. Koho zajímá srovnání výkonu a věří, že problematice rozumí dostatečně, doporučujeme přeskočit rovnou ke srovnání výkonu v druhé části dnešního článku.
Jak a proč čipová sada
Podívejme se proto, jak si je která sada schopna poradit s tím, co by měla zajišťovat primárně. Jejím posláním je komunikace mezi procesorem a pamětí, která by měla probíhat co možná nejsvižněji. Ať už jde o běžné celočíselné operace nebo náročné matematické výpočty, čipová sada by měla být schopna co nejefektivněji přenášet data. Jak je schopna sada využít teoretického maximálního potenciálu, který paměť a procesor nabízí, záleží na třech zmíněných komponentách.
Když to brzdí procesor
Limitem může být procesor. Viz našeho bývalého oblíbence: Pentium III-M (nyní se do hledáčku našich sympatií dostává spíše Pentium M či Athlon XP) a ještě více jeho levnou variantu, Celeron s jádrem Pentia III - tento procesor nabízí na své nejvyšší frekvenci 1,333 GHz skutečně ohromující výkon. Ovšem jeho potenciál zůstává nevyužit. Proč? Protože data se k němu nemohou dostat dostatečně rychle. Je to jednoduché a trochu smutné - výkonný procesor neskončil, protože by byl málo výkonný. Naopak, naše testy dokazují, že první Pentia 4 nedosahovala ani zdaleka jeho úrovně a ještě dnes má svým uživatelům tento klasik co nabídnout.
Úzkým hrdlem se stala vnější komunikace. S okolním světem procesor komunikoval po 64 bitové sběrnici s taktem 133 MHz, z toho vyplývá teoretický maximální průtok cca 1064 MB/s (64 bitů = 8 bajtů * 133 miliónů Hz = 1064 MB/s). Takovýto průtok však pro efektivní práci dnešním procesorům nestačí. Nám však tento údaj poslouží jako cenné vodítko při vyhodnocování výkonu čipových sad.
Kolik bajtů proteče tímto potrubím?
Pokud známe takt, na kterém paměť pracuje a šířku pásma, můžeme odhadnout, kde mohou nastat problémy s přenosovou rychlostí. Zmíněný problém Pentium III procesorů odstranilo Pentium 4 svou čtyřnásobně "pumpovanou" 100MHz sběrnicí - díky čtyřem cestám tak mohla data proudit podstatně rychleji: 8 bajtů a 400 MHz dává celkový datový průtok 3,2 GHz na cestě mezi procesorem a čipovou sadou. Nejnovějším hitem je u Pentium 4 procesorů 133MHz a nově též 200MHz sběrnice, která maximální průtok paměti tlačí kamsi k 4,2 GB/s, respektive k 6,4 GB/s. Takové rychlosti se však týkají pouze stolních Pentií 4. Jako poslední vývoj oznámil Intel, že uvede na trh Mobile Pentium 4, které bude vhodnější pro použití v noteboocích nežli stolní Pentium 4 (t.j. bude se zřejmě o něco méně hřát), bude disponovat technologií HyperThreading a 533 MHz sběrnicí. Tedy, prakticky nabídne tytéž vlastnosti, které jsme měli příležitost otestovat v ryze stolní variantě u Gericom Webgine XL.
I AMD procesory se musely poprat se stejným problémem. Zdvojená sběrnice AMD procesorů sice nemůže konkurovat Intelovským "quadpumped" 400 MHzům u Pentií 4, nicméně v době, kdy ještě kralovala Pentia III nabídla podstatné zvýšení kapacity sběrnice. Jak mobilní Duron, tak Mobile Athlon 4 pracovaly pouze s 2x 100 MHz systémovou sběrnicí, ačkoliv čipová sada mohla komunikovat s pamětí na 133 MHzích. Athlon XP tento stav zlepšil, jeho sběrnice již byla schopna komunikovat na 2 x 133 MHzích, což sice stále ještě zůstávalo pozadu za možnostmi Pentia 4 (4x100 : 2x133), ale vzhledem k tehdy maximálním možnostem pamětí to nebylo hlavním problémem. Ale ačkoliv Mobile Athlon XP podporuje takt 133 MHz, neznamená to ještě, že jej musí podporovat i čipová sada - pak máte rychlý procesor a pomalou sadu. Žel, i s takovým případem se v naší tabulce potkáte. U nejnovějších stolních AMD se pak prosazuje 166MHz sběrnice, a mluví se i o 200 MHz.
A do budoucna? Ačkoliv procesory AMD mají v tomto bodě viditelně problém oproti Intelu, další zvyšování propustnosti u současných procesorů se sice již nedočkáme, avšak díky Athlonu64 se blýská na úplně nové řešení. Řadič paměti má být integrován přímo na čipu, tuto práci tedy převezme procesor a data již nepotečou přes čipovou sadu, ale napřímo mezi procesorem a pamětí. To je však především u notebooků teprve hudba budoucnosti.
Od kdy může být paměť úzkým profilem
Kdo si ještě vzpomene na počátky Pentia 4, tehdy se plánovalo, že bude spolupracovat výhradně s RDRAM pamětí, která měla mít podstatně vyšší průtok nežli tehdejší SDR paměti na 133 MHzích. Nesmyslné podmínky a extrémní ceny za licenci však RDRAM paměti poslaly ke dnu, a ačkoliv stále přežívají, jsou určeny jen pro extrémní požadavky vzhledem ke své ceně - a stále se zmenšujícímu rozdílu ve výkonnosti.
Trh ovládly DDR paměti, které na rozdíl od svých předchůdců z dob Pentium III procesorů, SDR pamětí, zvládají "trikem" dvojnásobný výkon. K paměti přistupují po náběžné i klesající hraně signálu, což rázem zdvojnásobilo maximální průtok. PC1600 byla paměť, která byla schopna komunikace v taktu 100 MHz, při současném poslání dvakrát osmi bajtů (po obou hranách signálu) - tedy 16B x 100 MHz = 1600 MB/s, následně přišly 133 MHz PC2100, 166MHz PC2700 a 200MHz PC3200 paměti.
Jak je zřejmé, pro Pentium III procesory byly tyto rychlejší paměti (jak RDRAM, tak DDR) současně darem z nebes a medvědím objetím. Na jedné straně nabízely podstatně vyšší průtok nežli staré paměti, které dosáhly svého maxima na 1064 MB/s (133 MHz * 8 bajtů), na druhé odhalovaly neschopnost procesoru tohoto vyššího průtoku využít vzhledem k šíři jeho systémové sběrnice (Front Side Bus). Paradoxně tak mohla nastat situace, kdy paměť dodala informace rychleji nežli je mohl být procesor schopen odebrat.
Nicméně, to mělo být také na dlouho naposledy, co se podobný problém projevil. Asynchronně pracující čipové sady si poradily s různými rychlostmi pamětí i procesorů, a tak ačkoliv Pentium 4 procesory mají výhodu ve vyšší přenosové kapacitě jako takové, AMD procesory teprve nyní začínají sahat na strop svých schopností - proto přichází zvyšování vnější komunikační frekvence na 166, možná 200 MHz.
Čipová sada rozhoduje
Pokud však dnes není větší problém v procesoru, ani v paměti, kdy oba články řetězce jsou dostatečně dimenzované, zůstává nám tu jako jediný kámen úrazu čipová sada. A jejich výkony se mohou výrazně lišit. V dnešním díle seriálu se tak pokusíme srovnat výkonnost jednotlivých čipových sad a zaměřit se na to, co může výkon ovlivnit.
Jak a co testujeme
Pro testování čistě hardwarového výkonu používáme sady testů z aplikace Sisoft Sandra. Ta v testu Memory Throughput přečte z paměti značný blok dat (40 až 60 procent fyzické velikosti RAM), provede s ním jednoduché aritmetické operace a zapisuje jej zpět. Protože takovýmto množstvím přetíží každou vyrovnávací paměť, tento test umožňuje poměrně spolehlivě měřit maximální průtok mezi pamětí a procesorem. Díky tomu lze poměřovat výkony sad i při použití procesorů s různými velikostmi vyrovnávacích pamětí libovolné úrovně a různých procesorových architektur. Na druhé straně, měří právě jen výkon čipové sady a ne celého celku, stejně jako ostatní testy je toto umělý test, který nezohledňuje nároky aplikací, měří pouze výkon určité komponenty.
Na rozdíl od maximálního teoretického průtoku, který by se měl rovnat pomalejšímu z dua procesoru či paměti (v případě Pentia 4 a PC2100 paměti pak by měl průtok být 2160 MB/s), reálný výkon ovlivňuje efektivnost čipové sady, časování paměti a schopnost procesoru zvládat tato data. Tyto tři faktory pak různou měrou ovlivňují reálný průtok.
Test je rozdělen do části iMEM, v které se pracuje s celočíselnými daty (integer), komunikují mezi sebou centrální jednotka (ALU) procesoru a čipová sada, a v fMEM z desetinných operací (floating point), kde s čipovou sadou komunikuje aritmetická jednotka (FPU). Tyto výsledky jsou zpravidla velmi podobné, někdy se však objeví výraznější nepoměr, který ukazuje na nedořešené výkonnostní problémy s čipovou sadou či jejími ovladači.
Představení "soutěžících"
V tomto testu nejde ani tolik o souboj procesorů, ale především čipových sad, procesor a typ paměti jsou příslovečně až to druhé nejpodstatnější. Sloupec "mem" ukazuje dva údaje:
- velikost paměti (ta je jen málo podstatná - někdy je část paměti využita pro integrovanou grafiku, pak se liší od klasických velikostí 128, 256 či 512 MB)
- a především její typ: "sd" pro SDR a "dd" pro DDR. Velmi důležité by bylo znát časování paměti a její takt, tento údaj je však jen těžko dostupný bez bližšího seznámení s vnitřnostmi notebooku a BIOSem počítače, který je u notebooků omezen zpravidla jen na nejzákladnější nastavení, bez možnosti potenciálně nebezpečných úprav rychlostí pamětí, atp.
- Další sloupec indikuje, zda sada používá samostatnou grafickou kartu se samostatnou videopamětí, nebo spoléhá na v sadě integrovanou grafiku ("int."), která pak využívá část operační paměti jako videopaměti. Teoreticky toto sdílení paměti ucpává "užší" paměťovou sběrnici videodaty, která by mohla putovat po samostatné AGP sběrnici vyhrazenou pro komunikaci s grafickou kartou. Tento argument je sice obecně platný, ale i zde se vynořují výjimky potvrzující pravidlo.
Pořadí čipových sad
Po "zářně" nízkých skóre dosahovaných snad ve všech testech zřejmě nikoho nepřekvapí umístění čipové sady Transmeta LongRun. Ta je zřejmě optimalizována na provoz ve "spacím" režimu spíše než pro skutečnou práci. Nízké skóre je o to ostudnější, že pracuje s DDR pamětí - buď je tedy pomalá čipová sada LongRun, nebo procesor Transmeta Crusoe. Navíc, tato čipová sada se nemůže "vymlouvat" ani na sdílenou grafiku - A2 disponuje ATI Rage Mobility čipem s vlastními 8MB paměti, tablet Compaqu nabízí dokonce GeForce 2 Go kartu. Zmenšená operační paměť je důsledkem "morfovacího" softwaru procesoru - Crusoe procesory jsou založeny na kombinaci velmi malého hardwarového jádra (čipu) a softwarové vrstvy, která překládá x86 instrukce do velmi dlouhých instrukcí Crusoe procesoru - ač to zní tajemně a magicky, ani kouzlo nepomůže Transmetě k slušným skóre.
SDR paměti a jejich výkon
Levná a pomalá VIA KT/KM133
Druhým zklamáním je sada koncernu VIA, mobilní varianta velmi staré čipové sady KT/KM133. Tato sada spoléhá na integrované grafické jádro S3 Twister, což má zřejmé negativní dopady na výkonnost. Bez ohledu na druh procesoru, sada dosahuje podprůměrného výkonu. Co více, ona rychlý procesor dokáže "efektivně" přibrzdit. Zatímco u Athlon 4 a Duron procesoru je nižší výkon snad ještě pochopitelný, oba disponují pouze 2 x 100MHz sběrnicí, Athlon XP v modelu Aspire je schopen komunikovat s čipovou sadou na 2x 133 MHzích, měl by tedy dosáhnout viditelně vyššího skóre. Jistý zanedbatelný rozdíl zde sice je, nicméně problémem je zcela zřejmě čipová sada - ta totiž i s rychlejším Athlonem XP komunikuje pouze na 100 MHzích. S pamětí sice komunikuje sada na plných 133 MHzích, ale to sadu nezachrání - problémem je zcela zřejmě nízký výkon samotné sady, nikoliv ostatní komponenty. Kéž by nesrážela do kolen výkonný procesor (Athlon XP 1800+).
Stará dobrá Intel 440BX
Celeron a jeho stará Intel 440BX sada jsou důkazem, že klasika je schopna dobrých výkonů. Tato sada kralovala notebookům až do příchodu i830 sady - a i ta měla problém tuto sadu nahradit. U i440BX byla problémovým místem podpora pouze 100MHz sběrnice. V tomto světle je její výkon 695 MB/s skvělý, teoretické maximum se pohybuje u 800 MB/s, sada tak dosahuje téměř 90ti procentní efektivnosti.
i830MP aneb špička nejen své doby
Nástupcem je zmíněná i830MP sada, která dělala čest svému předchůdci - architektonicky velmi podobná, avšak s podporou integrované Intel Extreme Graphics grafiky a 133 MHzovou sběrnicí byla střižena na míru procesoru Pentium III-M a jeho Celeron variantě. I tato sada dosahovala vysoké efektivnosti cca 80 procentní (reálná/teoretická propustnost: 854/1064 MB/s).
i845 a SDR paměti nevěští nic dobrého
To již vstupujeme do arény Pentium 4 procesorů, avšak zůstáváme s SDR paměťmi. Jak dokazuje Aspire 1400, použití kvalitní čipové sady Intel 845 ještě nezaručuje špičkový výkon. Sada je sice kvalitní, ovšem v kombinaci s SDR pamětí nemůže využít výhod rychlejší architektury a díky pomalé paměti zůstává potenciál procesoru značně omezen. (Podobně jako DDR paměť byla zbytečná pro Pentium III procesory, situace se obrací u Pentium 4 procesorů - a do značné míry i u Athlonů XP: bez DDR pamětí je jejich potenciál nevyužit). Stejně se projevuje i Masterpiece s SDR pamětí a i845 sadou. Sice dosahuje pozoruhodně vysoké efektivnosti přes 90 procent, ale to je spíše jen důkazem, jak hodně je výkonný 2GHz procesor Gericomu omezován pomalou pamětí.
Co se nikdy nedozvíme
Jak ukazují výkony Aspire a Masterpiece, paměťový průtok se může lišit i u shodných sad, procesorů a stejné velikosti paměti. Značnou roli hraje i zmíněné časování paměti. Pokud výrobce nastaví agresivnější časování (zmenšuje "oddechové" časy paměťových čipů), může dosáhnout podstatně lepšího výkonu. Pokud nakupuje kvalitní paměťové moduly, pak je toto jednoznačným plusem konkrétního notebooku, jež výrazně přispívá k celkové výkonnosti sestavy. Žel, časování paměti se uživatel nedohledá ani v těch nejpodrobnějších specifikacích a zůstává skryto mimo jeho moc, "zadrátované" kdesi v hloubi notebooku.
Vstupujeme do hájemství DDR
Dobrá či špatná VIA P4M266
Pomalu se přesunujeme k DDR pamětím. Přes magickou hranici 1000 MB/s se nedostala žádná ze sad spolupracujících s SDR paměťmi, ačkoliv i845 se této takřka maximální hranici přiblížila. Další sadou, která dosahuje jen podprůměrného výkonu, je P4M266 v Gericom X5 - proč, to nám není zcela zřejmé. Na vině zde bude zřejmě časování paměti nebo nižší frekvence použitých paměťových čipů. (Poslední směr průzkumu nabídl ještě jednu variantu: tato sada umožňuje stejně jako i845 použití DDR i SDR pamětí, nasnadě by pak byl onen výrazný rozdíl. X5 by skutečně mohlo používat levných SDR pamětí.) Hned druhá sada téže provenience totiž v podání Amilo M7300 dosahuje podstatně lepších výkonů a řadí se k tomu lepšímu v našem přehledu, a to i přes integrovanou grafiku S3 ProSavageDDR.
ATI IGP i s Radeonem podprůměr
S identickými výsledky skončily IGP sady firmy ATI. Tyto sady se liší jen v procesorech, které podporují, jinak se zřejmě spoléhají na podobnou vnitřní architekturu, což se odráží v podobném výkonu. Výkon této sady zřejmě negativně ovlivňuje integrované grafické jádro Radeon. Sada dosahuje jen polovičky teoretického maxima použitých DDR pamětí.
Sada SiS 650 patří k velmi oblíbeným ze dvou důvodů - nabízí integrované grafické jádro, a ještě je levná. I přes tyto "vlastnosti" však dosahuje lehce nadprůměrných či rovnou špičkových hodnot. Pro výkon Acer TravelMate 272X se těžko hledá vysvětlení jiné než že Acer ždíme z pamětí úplné maximum. Buď používá i v notebooku paměti na 166 MHzích (PC2700), které sada podporuje, nebo dosahuje takřka maxima propustnosti 133MHz pamětí PC2100. U dvou ostatních exemplářů SiS650 se sice takový výkon neprojevil, ale přesto zasluhují pochvalnou zmínku, zvláště vzhledem k integrované grafice, která by měla výkon výrazně srážet.
Acer zasahuje - ALi M1533 a M1671
Do klání podobným způsobem zasáhly i sady ALi (Acer Labs Incorporated), starší ALi M1533 si drží slušnou pozici ve středu pole (zřejmě i díky samostatné ATI grafice), zatímco nová M1671 si vybojovala velmi přesvědčivou druhou pozici, i před dvěma nejmodernějšími Intel sadami.
Se samostatnou grafikou k lepším výsledkům
Následující sady se spoléhají na externí grafické čipy, které jim odlehčují, takže se mohou plně soustředit na výkon. SiS645DX je jedna z nejrychlejších stolních sad pro Pentium 4 procesory, jak je zřejmé, své místo si najde i v noteboocích. i845 s DDR paměťmi dosahuje podstatně lepších výkonů nežli jeho soukmenovci s SDR paměťmi - a to má ještě rezervy, s DDR333 by možná dosáhl ještě výše. Ze sady i855 by si měly vzít příklad Transmeta čipy: úsporná a přesto takřka ďábelsky výkonná. I se 133MHz DDR pamětí dosahuje solidního umístění.
Stolní levná SiS746 pro srovnání
Stolní SiS sada 746 patří mezi levné, ale výkonné sady z Tajwanu - nová sada s podporou i DDR400 pamětí sem byla zařazena pro srovnání notebookových sad s ryze stolní sadou. XP1600+ je stolní PC, s kompletně stolními komponenty. V BIOSu základní desky tohoto počítače lze - na rozdíl od notebooků - nastavit poměrně agresivní časování i při použití jen 133MHz DDR266 pamětí (pro účely srovnání, jak může i s levnou sadou agresivnější nastavení ovlivnit výkon PC). To se pak samozřejmě velmi pozitivně odráží na výkonu sady, která dosáhla na bronz.
SiS650 versus ALi, integrovaná versus samostatná grafika
Obě vyhrávající notebookové sady ilustrují, že neznámé či exotické nemusí být nutně špatné - jak SiS, tak ALi mají letité zkušenosti s návrhem a výrobou čipových sad. A jak je vidět, nevedou si špatně, jsou schopny předehnat i notebooky, které používají stolní komponenty či ryze stolní PC, vyladěné na optimální výkon.
Integrovaná grafika? Přese všechno raději ne.
Úspěch sady SiS650 svádí k tvrzení, že integrovaná grafika výkon sady a potažmo výkon celého notebooku zřejmě nebrzdí. Nicméně pohled hned na několik dalších příček a celkové pozadí je poměrně výmluvný. Pět sad se samostatnou grafikou obsadilo čelní pozice, zatímco dolní části srovnání (DDR) sad dominují integrované sady.
Úspěch TravelMate 272X je tak spíše příslovečnou výjimkou (soukromě máme podezření na DDR333 paměti či časování "na hraně"). Pro solidní výkon jak čipové sady, tak grafického subsystému proto i nadále doporučujeme samostatné řešení, nejen kvůli nesrovnatelně vyššímu výkonu v 3D aplikacích.
