Jak rychlé procesory nabízí notebooky v multimediální oblasti?
Dnešní část našeho seriálu o výkonu notebooků a jejich klíčových komponent se zaměřuje na multimediální výkonnost procesorů. Test, který je zde použit, využívá všech předností, které může ten který procesor nabídnout. Pro každou z rodin procesorů je použitý algoritmus optimalizován, tedy využívá předností rozšířených instrukčních sad jako MMX, Enhanced MMX, 3DNow!, 3DNow! Enhanced, SSE, SSE2. Pro výpočet je použit algoritmus, který lze velmi snadno paralelizovat, tedy rozdělit jeho vykonávání mezi vícero procesorů - až na jednu výjimku je toto v noteboocích nepravděpodobné. Ovšem, výjimky velmi často potvrzují pravidlo - a jinak tomu nebude zde. Viz dále ve výsledcích u Pentia 4 HyperThreading.)
Úkol, který všechny procesory musí splnit, je výpočet Mandelbrotova fraktálu (více podrobností o tomto konkrétním testu můžete nalézt v poznámkách na konci článku). V testu jsou dvě základní kategorie - výpočet s použitím celočíselných operací, a při použití desetinných čísel (v plovoucí řadové čárce). Lze tak zjistit rozdíly ve výkonu při různých typech použití - některé aplikace jsou typicky celočíselné, jiné spoléhají na náročnější výpočty v plovoucí řadové čárce.
Pořadí v testech
Transmeta Crusoe obsadili bez "větších problémů" pozici koncového světla na našem testovacím vlaku. Mít při taktu 1 GHz sotva poloviční výkon starého Celeronu na polovičním taktu, to se zdůvodňuje těžko, jakkoliv energeticky úsporné tyto procesory jsou.
V druhé skupině se drží níže taktované procesory mezi 500 a 1000 MHzi a spadlo sem i námi "zpomalené" Pentium 4, které běží na úsporné frekvenci 1,2 GHz. I starý Duron zde dosahuje solidního výkonu.
Další skupina kolem 6000-7000 bodů se formuje z Pentium III-M a níže taktovaných Pentií 4 - při použití celých čísel tyto procesory zcela evidentně neprofitují z údajně pokročilejší architektury Pentia 4. Zklamáním zde bylo Pentium M, jeho výkon v této kategorii nepřesvědčil, dokonce i nejvýkonnější Pentium M by překonalo na této úrovni Pentium III-M na taktu cca 1,333 GHz a má co dělat, aby uniklo Pentium 4-M procesoru na 1,7 GHz. Naopak se nám zde vyšvihl starší AMD Athlon 4 na 1,2 GHzi, předběhl všechny Pentium 4 a Celeron procesory na 1,5-1,6 GHz.
Kolem 7000-8500 bodů je kombinovaná skupina stolních Pentium 4 procesorů a AMD Athlon XP, tyto procesory jsou evidentně dostatečně výkonné (vysoko taktované) a vhodně optimalizované.
"Staré" Pentium 4 rychlejší nežli nejrychlejší Pentium 4 HyperThreading?!
Poněkud záhadou je pro nás umístění stolního Pentia 4 s 2,4 GHz před Pentiem 4 HyperThreading na 3,066 GHz. Zdá se, že jsme zde narazili na tentýž problém, které zmiňovaly testovací laboratoře AMD, kdy v určitých aplikacích se HyperThreading technologie projevuje jako brzda, spíše než akcelerátor. Při celočíselných výpočtech s multimediálními úlohami je to zcela zřejmě ten případ. Jinak by nemohlo Pentium 4 HT s o čtvrtinu vyšší frekvencí zůstat pozadu za stolním Pentiem 4. (Nevylučujeme, že se může jednat o problém testovacího algoritmu. Žel, neměli jsme zatím k dispozici jiný notebook s tímto procesorem pro srovnání. Tato "anomálie" bude vyžadovat naši bližší pozornost, jakmile dostaneme k testu další exemplář s P4HT, abychom ji potvrdili nebo vyvrátili.)
Procentní srovnání celočíselného multimediálního výkonu
Transmeta ztrácí, Duron je dvojnásob rychlý a pak už rychlost výpočtu nabírá jen pomalejší tempo, i nejvýkonnější procesor dosahuje jen tří a půl násobku výkonu našeho základu, Celeronu na 500 MHzích. Náš oblíbenec, Pentium M je na tom ještě, rozdíl mezi ním a architekturou podstatně staršími procesory Pentium III-M je poměrně malý. A procesor, který by měl válcovat ostatní, Pentium 4 HyperThreading zde viditelně zklamalo, snad z důvodů uvedených výše.
Pořadí procesorů v plovoucí řadové čárce
Tento test je klasičtější, procesory zde využívají výhod svých výpočetních jednotek FPU na maximum (Floating Point Unit - dříve to byly přídavné matematické koprocesory, dnes je tento díl již integrální součást každého procesoru). Proto se výsledky výrazně liší od minulého, kde spoléhaly na celočíselný výkon centrální jednotky procesoru (ALU).
A zatímco pro některé procesory je využití matematické jednotky požehnáním, jiné tuto kategorii naprosto nezvládly. Transmeta procesory by se snad neměly FPU testů účastnit, jejich řádově nižší skóre i oproti starému ThinkPadu A20m a jeho Celeron 500 MHz procesoru, to je katastrofa. Jak může procesor, který se chlubí moderní architekturou a gigahertzovým taktem nabídnout tak špatné výsledky? Situace je paralelní se situací v době 386 a 486SX procesorů a v archaických dobách před nimi - tyto procesory evidentně postrádají optimalizovanou matematickou jednotku, která by mohla využít svých schopností na "chroustání" čísel. Nižší výkon v plovoucí řadové čárce nežli v celočíselném testu ukazuje, že namísto FPU jednotky zde výpočty pravděpodobně provádí centrální jednotku. A to tento procesor znehodnocuje na úroveň 486 procesorů.
Oproti Crusoe fiasku působí i Celeron 500 MHz jako čerstvá bríza. S 3000 body ukazuje, že již v této generaci procesorů Intel zapracoval na dostatečně optimalizované výpočetní jednotce. Více si lze odvodit z tabulky: Pentium III-M procesory zůstávají pozadu, dopředu se dostávají procesory, které mohou spoléhat na "vylepšenější" sady instrukcí a vyšší takty. Poměrně slušně se ve srovnání s Pentium 4 procesory drží AMD Athlon XP skupina. I při nižším "PR ratingu" nabízí o něco vyšší výkon, 3DNow! Enhanced instrukce zde viditelně pomáhají v dosažení lepšího skóre.
Od skupiny se odděluje poslední pětice, kde se na relativně podobné úrovni drží středně rychlá stolní Pentia 4 s Pentium M procesorem, který dosahuje výkonu zhruba srovnatelného s Pentium 4 na 2,2 GHz. Naprosto jinou třídu pak představuje úplná špička - Pentium 4 HyperThreading ujíždí mimo všechny představy. Oproti výkonu v celočíselné kategorii, zde může Pentium 4 podstatně lépe využít všech svých schopností jak rozšířené instrukční sady SSE2, tak paralelizovaného zpracování HyperThreading a jeho výkon je naprosto přesvědčivý.
Efektivnost procesorů - srovnání výkonu a taktu
Komplikovanější tabulka na závěr dnešního dílu. Jedná se o porovnání výpočetní efektivity procesorů, tedy jak efektivně jsou schopny převést každý megahertz své frekvence do odvedené práce, v tomto případě výpočtu fraktálu s co nejširším využitím možností optimalizace, které daný procesor nabízí.
Z tabulky lze též usuzovat, jak si jednotlivé procesory vedou v celočíselném počítání, kdy výkon instrukcí záleží na centrální jednotce, a jak se výsledky změní, pokud mohou více využít rozšířených schopností svých matematických částí. Tabulka je setříděna podle výsledků celočíselného testu, ale pozornost je věnována charakteristickým skóre v obou kategoriích.
Tristní Crusoe procesory
Tyto procesory jsou ještě relativně akceptovatelné v celočíselných operacích, jakmile však přejdeme na náročnější výpočtu v plovoucí řadové čárce (v desetinných číslech), výkon prudce klesá. To už není neschopnost, ale faktická chyba při návrhu procesoru - zcela evidentně, při návrhu bylo rozhodnuto, že na tato oblast bude zcela ignorována. Moderní procesor bez solidní matematické jednotky, to je Crusoe rodina.
Druhým paradoxně nejméně efektivním procesorem je Pentium 4 HyperThreading, zde možná bude na vině "sankce" za paralelizované zpracování zmíněná dříve. Naopak, v druhém testu si vede nadprůměrně ve srovnání s ostatními Pentii 4.
Jako nižší střed se ukazuje v obou kategoriích Pentium 4 - na libovolné frekvenci zde vykazuje pozoruhodnou shodu ve výkonu a taktu. Vůbec, ze všech testů právě tento rozdělil rodiny procesorů nejpřesvědčivěji. Athlon XP procesory se řadí k lepšímu průměru (v poměru "výkon : PR rating", v případě "výkon : MHz", tedy měřeno k reálné frekvenci, ne AMD číslu, by výsledky byly ještě lepší, srovnatelné se staršími AMD procesory Duron a Athlon 4). Jako čistý průměr dopadlo v celočíselném testu Pentium M. To naopak spolu s následující skupinou kraluje v druhé "náročnější" kategorii.
Svou operační efektivnost zde opět prokázaly Pentium III procesory, jejich výkon vzhledem k frekvenci je opravdu fenomenální. Dokonce i v desetinných číslech dosahují špičkových hodnot. Je vidět, že kdo tvrdil, že architektura Pentium III procesorů je neefektivní, neviděl si na špičku nosu. Problém byl v dalších možnostech zvyšování taktu, avšak ne v neefektivitě využívání konkrétní frekvence. Tyto procesory zužitkovávají každý megahertz frekvence nejefektivněji ze všech zde testovaných procesorů.
Poslední kategorii tvoří starší AMD procesory, u nichž byla udávána ještě reálná frekvence namísto PR ratingu, což vede k lepším výsledkům v našich testech. Jsou schopny v celočíselném testu držet krok s Pentium III procesory, a v náročném testu s řadovou čárkou dosahují druhých nejlepších hodnot - zajímavé snížení efektivity se ukazuje v druhém testu u mobilního Duronu, zde je zřejmě vidět jeho architektonické omezení oproti Athlonu.
Procentní srovnání efektivity
Z tabulky si lze udělat představu, jak se změnil skutečný výkon, tj. práce na určitou jednotku od dob Celeron procesoru na 500 MHzích. Transmety jsou téměř nekomentovatelné, jejich efektivita je odstrašující - 25 a 7(!) procent.
Zatímco směrem dolů (pod 100 procenty IBM ThinkPadu A20m) jsou rozdíly poměrně markantní, nahoru se již efektivita vyhání podstatně tížeji. Je zřejmé, že architektura Pentium III procesorů je stále ještě oříškem pro kohokoliv, kdo ji touží překonat - při zachování nutnosti zpětné kompatibility je zjevné, že staré Pentium III procesory byly dokonale přizpůsobeny pro vykonávání své instrukční sady, i při dalším rozšiřování o dodatečné multimediální instrukce.
Pouhý pětiprocentní nárůst v efektivitě Pentium M 1600 procesoru a jen 12 procent u "nejoptimálnějšího" Pentia III 1133 oproti Celeronu 500 jen podtrhává tyto argumenty. Z těchto počtů je zřejmé, že další vylepšení na této úrovni budou problematická. Skutečný skok v efektivitě možná přinesou 64bitové procesory, ale jak ukazuje případ HyperThreading Pentia 4 v celočíselném testu, úspěch není vždy zaručen.
Cesta k vyššímu celkovému výkonu tak zřejmě povede nadále především přes zvyšování taktu procesorů, dosahovat vyšší efektivnosti je se současnými omezeními jen problematicky možné. Jak ukazují i výkony nejlepších současných verzí procesorů Athlon XP, Pentium 4 HT a Pentium M, dosažení výrazně vyšší produktivity je takřka sisifovským úkolem.
V zítřejším vydání rychlosti pevných disků
V zítřejším díle budeme hodnotit výkon pevných disků podle přenosové rychlosti.
Legenda k tabulkám:
CPU - definuje typ procesoru použitý v notebooku v nejširším pojetí:
C - Intel Celeron, ať na Pentium III či Pentium 4 jádru
P - Intel Pentium, bez ohledu na Pentium 4 či Pentium III, nebere v úvahu mobilní či stolní odnože
T - Transmeta Crusoe
A - AMD Athlon 4 a Athlon XP procesory, bez ohledu na mobilní či stolní verzi (XP1600+ je stolní PC zařazené pro účely srovnání)
D - AMD Mobile Duron
M - Intel Pentium M
cpu - podrobný popis typu procesoru včetně operační frekvence:
C3M,5 - Mobile Celeron na Pentium III jádru, s frekvencí 500 MHz
TM58-,8 - Transmeta 5800, frekvence 800 MHz
P3M1,13-0,7 - Pentium III-M nominálně s frekvencí 1,133 MHz, přepnuté na úrovni hardwaru na úspornou frekvenci 733 MHz
P3M-,8 - Pentium III-M pracující na frekvenci 800 MHz
P4M1,7-1,2 - Pentium 4-M s nominálním taktem 1,7 GHz, přepnuté na úsporný režim s frekvencí 1,2 GHz
MD-1 - Mobile Duron, 1 GHz
C4M1,5 - Mobile Celeron na Pentium 4 jádru, 1,5 GHz
P4M1,6 - Pentium 4-M na 1,6 GHz
C4D1,7 - stolní (Desktop) Celeron na Pentium 4 jádru, 1,7 GHz
MA4-1,2 - Mobile Athlon 4, 1,2 GHz
P4D2 - stolní (Desktop) Pentium 4, 2 GHz
MAX15+ - Mobile Athlon XP 1500+
DAX16+ - Mobile Athlon XP 1600+
PM1,6 - Pentium M na 1,6 GHz
Vysvětlení multimediálních testů podrobněji
Pozn.red.: Podrobné vysvětlení k principu testování naleznete v otázkách a odpovědích, jak je uvádí autoři aplikace Sandra.
Q: What is this CPU Multi-Media Benchmark? What does it do?
A: This benchmark generates a picture (860x750) of the well-known Mandelbrot fractal, using 255 iterations for each data pixel, in 32 colours. It is a real-life benchmark rather than a synthetic benchmark, designed to show the improvements MMX/Enhanced, 3DNow!/Enhanced, SSE(2) bring to such an algorithm.
The benchmark is multi-threaded for up to 64 CPUs maximum on SMP systems. This works by interlacing, i.e. each thread computes the next column not being worked on by other threads. Sandra creates as many threads as there are CPUs in the system and assignes each thread to a different CPU.
The benchmark contains 5 versions (ALU, MMX, MMX Enhanced, SSE and SSE2) that use integers to simulate floating point numbers, as well as 5 versions that use floating point numbers (FPU, 3DNow!, 3DNow! Enhanced, SSE and SSE2). This illustrates why older fractal generation programs used integers (e.g. the well-known FractInt): on 386/486 CPUs the integer version is 3-4x times faster.
The (E)MMX, 3DNow! and SSE(2) versions compute 2/4/8 Mandelbrot point iterations at once - rather than one at a time - thus taking advantage of the SIMD instructions. Even so, 2/4/8x improvement cannot be expected (due to other overheads), generally a 2.5-3x improvement has been achieved. The ALU & FPU of 6/7 generation of processors are very advanced (e.g. 2+ execution units) thus bridging the gap as well. We found it useful to see the differences between the old and new versions of CPUs within a family as well as comparing similar CPUs from different manufacturers (e.g. Intel vs. AMD).
Q: How do I compute the computed pixel rate from the index? (aka how fast is the algorithm?)
A: The image rendered is 860x750 pixels, 32 colours. Computed pixel rate = 860*750*index/1000. Thus, for example, if the index is 1,000 - the pixel rate = 860*750*1000/1000 = 490k pixels/second.
Q: Isn"t comparing an ALU index to a (E)MMX/SSE(2)/etc. index like comparing apples to oranges?
Q: Isn"t comparing a FPU index to a 3DNow!/SSE(2)/etc. index like comparing apples to oranges?
A: It depends on what you"re trying to test; the index shows what gain the new instructions bring in getting the task (computing the Mandelbrot fractal in this case) done. If you want to test how two processors perform using the same test, go to Options and disable the test(s) that use(s) the more advanced instructions.
Q: Are the tests in the CPU Multi-Media Benchmark optimised for a specific CPU?
A: Yes, the tests are optimised as far as possible but without introducing instructions that would generate large penalties on other processors.
Q: Will you optimise the benchmarks for other CPUs, e.g. Intel Itanium, AMD Hammer etc?
A: No. Each version is targeted at a instruction family not at a specific processor. There will never be, say, a MMX K6-2, MMX Cyrix and a MMX PII version. However, if a processor introduces new instructions that make a big difference to the algorithm, we will write a new version of the test to use the new instructions.
Q: Why 3DNow! Enhanced and/or SSE integer benchmarks?
A: Both add a very useful set of data comparison & manipulation instructions which do help in achieving higher speeds.
