Тестирование Athlon 64

Введение

С выходом процессоров семейства Athlon в 1999 году, конкуренция на процессорном рынке значительно обострилась. Прогрессивная архитектура этого CPU позволила AMD достаточно продолжительное время составлять Intel достойную конкуренцию и предлагать не только не уступающие по быстродействию процессоры, но и зачастую даже более быстрые. Однако в последнее время поддерживать паритет с Intel для AMD стало гораздо труднее. За время жизни архитектуры Athlon Intel перешел с архитектуры Pentium III к абсолютно новой архитектуре Pentium 4, да еще и усовершенствовал ее, увеличив кеш второго уровня и нарастив частоту системной шины. Athlon также подвергался усовершенствованиям, однако все они не носили кардинального характера: разгон шины, увеличение L2 кеша, поддержка SSE. В итоге, на сегодняшний день Intel практически удалось немного оторваться от конкурента: частоты Pentium 4 растут как на дрожжах, а AMD достигла «потолка» по частотам архитектуры Athlon. Однако у AMD заготовлен сильный ход, который вновь может коренным образом изменить ситуацию на процессорном рынке. Компания готовит к выходу на рынок CPU для настольных PC новый процессор – Athlon 64. И хотя, относительно первоначальных планов выход этого процессора задерживается уже более чем на год, новая архитектура, используемая в нем, продолжает будоражить компьютерную общественность. Чего, например, стоит тот факт, что компания Intel стала уделять внимание в своих конфиденциальных документах вопросам конкурентоспособности процессоров Pentium 4 с AMD Athlon 64:

Впрочем, до настоящего времени остается совершенно непонятным, сможет ли Athlon 64 благодаря своим архитектурным преимуществам обойти по скорости Pentium 4 c невероятными частотами. Все сведения о производительности Athlon 64, которые до настоящего времени просачивались в сеть, отличались либо своей скудностью, либо относились к процессорам Athlon 64, работающим на очень низких частотах. К счастью, сегодня мы отчасти сможем исправить этот недостаток. В нашу лабораторию попала более новая предпродажная версия процессора Athlon 64, тестированию которой и будет посвящен настоящий материал. Напомним, что официально выход Athlon 64 запланирован на сентябрь этого года. В рамках этой статьи мы не будем углубляться в вопросы архитектуры Athlon 64, поэтому для лучшего понимания изложенного ниже рекомендуется оборотиться к специальной статье , посвященной Hammer и технологии x86-64.

Процессор

Разрабатывая свой процессор Athlon 64, AMD основывалась на успешной архитектуре Athlon. Поэтому получившийся процессор во многом походит на своего предшественника. Не вдаваясь в подробности, перечислим отличия ядра ClawHammer, лежащего в основе Athlon 64, от современных Athlon XP:

• Athlon 64 имеет улучшенные алгоритмы предсказания ветвлений и увеличенный объем TLB, что позволяет несколько увеличить производительность Athlon 64 по сравнению с Athlon XP на одинаковых тактовых частотах.
• Целочисленный конвейер Athlon 64 слегка удлинен для достижения более высоких тактовых частот. Так, целочисленный конвейер этого процессора имеет 12 стадий, а конвейер FPU – 17 стадий против 10 и 17 соответственно у Athlon XP.
• В Athlon 64 появилась поддержка набора инструкций SSE2. Таким образом, процессор этот будет поддерживать все существующие расширения к системе команд x86, что позволит ему быстрее работать с приложениями, оптимизированными для процессоров Intel Pentium 4.
• Athlon 64 имеет встроенный контроллер DDR SDRAM, что позволяет ему напрямую обращаться с памятью, значительно сокращая латентности при запросе данных.
• В качестве шины, соединяющей процессор и южный мост, в Athlon 64 используется шина HyperTransport, имеющая пропускную способность до 3.2 Гбайт в секунду в каждую сторону.
• Процессором Athlon 64 поддерживается технология x86-64, позволяющая выполнение специальных 64-битных приложений.

Посмотрим же на процессор, который побывал в наших руках.

Как видим, наш процессор промаркирован в соответствии с рейтингом, составляющим для него 2800+. Дата выпуска, написанная в следующей строке маркировки – начало этого года. Процессор Athlon 64 с таким рейтингом, по всей видимости, станет младшей моделью Athlon 64, когда он будет объявлен. Как видим, AMD не намерена отказываться от своей идеи маркировать процессоры при помощи рейтинга и не указывать их реальную тактовую частоту. Что ж, посмотрим, что скрывается за этой маркировкой.

Реальная тактовая частота этого процессора не так уж и высока – 1.6 ГГц. После того, как AMD встретилась с существенными проблемами при повышении тактовых частот ядра ClawHammer, компании пришлось увеличить кеш второго уровня для придания процессорам должной производительности. Поэтому, наш Athlon 64 2800+, хотя и имеет небольшую тактовую частоту, размер его кеша L2 составляет 1 Мбайт. Именно такую конфигурацию кеша второго уровня и будут иметь первые серийные Athlon 64. Позднее, AMD выпустит и более дешевую версию с 256-килобайтным L2 кешем. К слову, не следует забывать и о том, что кеш у Athlon 64, также как и у Athlon XP эксклюзивный. То есть, учитывая 128-килобайтный кеш первого уровня (по 64 Кбайта на код и данные), доставшийся по наследству от Athlon XP, общий объем кеш-памяти у Athlon 64 составляет 1128 Кбайт. Используемая для производства Athlon 64 технология 0.13 мкм с применением SOI позволяет уместить столь внушительную кеш-память на одном кристалле вместе с процессором. К слову, Intel реализует L2 кеш объемом 1 Мбайт только в процессорах Prescott, которые будут выпускаться по технологическому процессу 0.09 мкм. Что касается организации кеш-памяти, то L2 кеш Athlon 64 также как и кеш Athlon XP имеет 16 областей ассоциативности и строки длиной 64 байта.

Что касается поддержки процессором различных технологий, то полное представление об этом может дать показания программы SiSoft Sandra 2003:

Как и следовало ожидать, процессором поддерживаются старые системы команд MMX, 3DNow! и SSE, а также новые для процессоров от AMD SSE2 и x86-64. Заметьте также, в процессоре присутствует термальный сенсор. Будем надеяться, что Athlon 64 не так-то легко спалить. Также, наконец-то AMD вняла просьбам пользователей, и закрыла хрупкий кристалл медной крышкой с никелированным покрытием. Процессор, который мы тестировали, имел ревизию ядра B0. Это – более новое ядро, по сравнению с первыми образцами, работавшими на частотах 800 МГц и 1.2 ГГц. В этом ядре AMD сделала редизайн для увеличения тактовых частот, а также слегка усовершенствовала встроенный контроллер памяти. Благодаря этому, наш процессор поддерживал не только DDR266/DDR333 SDRAM, но и DDR400 SDRAM. Впрочем, в отличие от серверного процессора Opteron, контроллер памяти в Athlon 64 – одноканальный, поэтому максимальная пропускная способность памяти в системах на базе Athlon 64 составит 3.2 Гбайта в секунду. Что касается шины HyperTransport, по которой Athlon 64 соединяется с чипсетом, то наш CPU имел одну 16-битную шину, работающую с частотой 800 МГц, что обеспечивает пропускную способность 3.2 Гбайта в секунду в каждую сторону. Однако мы сомневаемся в необходимости для Athlon 64 столь высокоскоростной шины. Ведь, по ней, в отличие от процессорных шин других CPU, процессор не обменивается данными с памятью. Впрочем, лишняя пропускная способность еще никому не мешала. Подытоживая сказанное, приведем небольшую табличку, в который сведены характеристики основных процессоров для настольных PC:

Платформа

Процессоры Athlon 64, поскольку имеют новую шину, устанавливаются в собственный процессорный разъем Socket 754 с 754 контактами и размером приблизительно 4 на 4 сантиметра.

Поэтому, для установки Athlon 64 потребуются собственные материнские платы с собственными чипсетами. Для тестирования нашего Athlon 64 2800+ мы раздобыли материнскую плату одного из известных тайваньских производителей. К сожалению, мы не можем привести фото данной платы, однако про нее писалось уже не один раз, в том числе и на страницах нашего сайта. Эта плата произвела на нас впечатление финального образца – она функционировала вполне стабильно и не вызывала никаких нареканий к своей работе. В основе платы лежал набор логики VIA K8T400M.

Данный чипсет имеет вполне приемлемые характеристики: поддерживает AGP 8x, ATA-133, USB 2.0 и т.д.

В соответствии с возможностями чипсета наша материнская плата имела два слота DDR DIMM для DDR400/DDR333/DDR266 SDRAM, слот AGP 8x, пять слотов PCI и шесть портов USB. Также, для поддержки Serial ATA производитель установил дополнительный Serial ATA/RAID контроллер от Promise, что добавило на плату еще пару Serial ATA-150 разъемов. Система из данной материнской платы и Athlon 64 2800+ смогла вполне успешно функционировать в нашей лаборатории. Вот, например, сообщение BIOS, выдаваемое системой при загрузке:

А вот сообщение Windows XP о типе используемого процессора:

Кстати, BIOS Setup данной материнской платы имел несколько достаточно любопытных моментов. Например, экран для конфигурирования параметров шины HyperTransport:

или экран для управления встроенным в процессор контроллером памяти:

Были в BIOS Setup платы и возможности для разгона процессора. Можно было менять частоту шины и множитель. Трудно сказать, будут ли серийные Athlon 64 поставляться с незаблокированным коэффициентом умножения. Но наш образец был именно таким.

Как мы тестировали

В первую очередь необходимо отметить тот факт, что все наше тестирование выполнялось под 32-битной операционной системой Windows XP и с 32-битным набором приложений. К сожалению, в настоящее время 64-битные операционные системы и приложения с поддержкой x86-64 недоступны. К моменту же выхода Athlon 64 мы имеем все основания ожидать появления 64-битной версии Windows XP, как и нескольких 64-битных приложений, например игры Unreal Tournament, о готовящемся выходе которой уже заявила Epic. Применение 64-битных приложений может дать существенный прирост в производительности Athlon 64 за счет использования как дополнительных регистров, так и за счет их расширения. Впрочем, вполне вероятно, что большого количества программного обеспечения поддерживающего x86-64 в этом году не будет. Сама AMD оценивает свои перспективы в деле продвижения 64-битных приложений следующим образом:

То есть, результаты, показанные Athlon 64 2800+ в рамках этого тестирования, не могут продемонстрировать тот уровень производительности, который мы будем иметь после появления 64-битных операционных систем и приложений.

В соперники Athlon 64 2800+ мы выбрали:

• Процессор Athlon XP 2800+ на ядре Barton (L2 кеш – 512 Кбайт, шина – 333 МГц). Этот процессор имеет тот же рейтинг, что и наш Athlon 64, однако работает на гораздо большей частоте – 2083 МГц. Использование этого CPU позволит нам изучить правомерность рейтинга, примененного для маркировки Athlon 64.
• Процессор Athlon XP на ядре Thoroughbred, работающий на частоте 1.6 ГГц при частоте шины 400 МГц. Использование такого процессора позволит нам оценить влияние архитектурных усовершенствований Athlon 64 на его производительность.
• Процессор Pentium 4 2.8C. Этот процессор, работающий на 800-МГц шине и поддерживающий технологию Hyper-Threading, будет являться одним из основных конкурентов Athlon 64 2800+ на момент его выхода.
• Процессор Pentium 4 2.53 без поддержки Hyper-Threading и с шиной 533 МГц. Этот процессор осенью этого года будет являться одной из младших моделей в линейке Pentium 4 и даст нам возможность оценить относительную производительность Athlon 64 несколько полнее.

Таким образом, мы имели следующие системы для сравнения:

Тестирование выполнялось под операционной системой MS Windows XP SP1, BIOS Setup систем настраивался на максимальную производительность.

И, перед тем, как вы, перелистнув страницу, погрузитесь в изучение результатов тестов, хотелось бы напомнить, что Athlon 64 – еще не выпущенный продукт, поэтому все приведенные результаты носят предварительный характер. AMD может доработать свой CPU, производители плат – BIOS, а VIA – чипсет. Поэтому, производительность серийных систем на базе Athlon 64, когда они будут выпущены, может возрасти.

Результаты тестов

Первым делом мы решили проанализировать производительность встроенного в процессор контроллера памяти. Все-таки контроллер DDR SDRAM, встроенный в CPU, нам еще не встречался, хотя подобную технологию используют некоторые производители в своих SoC решениях.

В первую очередь взглянем на цифры, получаемые в программе Cachemem, к услугам которой мы прибегаем всякий раз при анализе нового контроллера памяти:

В этой таблице сведены данные, полученные на трех контроллерах памяти: встроенном в Athlon 64, из чипсета nForce2 и из чипсета i875P. Все контроллеры использовались с DDR400 SDRAM, nForce2 и i875P работали в двухканальном режиме.

Как видим, одноканальный контроллер памяти Athlon 64 сильно превосходит двухканальный контроллер чипсета nForce2, который не может «развернуться» из-за ограничений по пропускной способности процессорной шины. В то же время, бороться с двухканальным контроллером i875P по пропускной способности Athlon 64 тяжело. Однако когда дело доходит до латентности – Athlon 64 оказывается лидером с большим отрывом. Благодаря тому, что этот CPU может работать с памятью «напрямую», латентность при работе с памятью получается крайне низкая.

Примерно такие же выводы можно сделать на основании теста памяти из пакета ScienceMark 2.0

Тут на диаграммах приведены результаты, полученные на системе с Athlon 64 (сверху) и с Athlon XP (снизу). Оба процессора работают на одинаковой частоте – 1.6 ГГц. Помимо возросшей пропускной способности памяти и уменьшившейся латентности, на скриншотах видно, что в Athlon 64 стала работать быстрее и кеш-память. В свое время ходили слухи, что AMD в Athlon 64 собирается расширить шину, связывающую процессорное ядро с кеш-памятью L2. Возможно, увеличившаяся производительность кеш-памяти – результат этого преобразования.

Еще один инструмент, используемый нами для исследования эффективности подсистемы памяти – бенчмарк SiSoft Sandra 2003:

Такой эффективности контроллера памяти мы еще не видели. Практическая пропускная способность DDR400 SDRAM, измеренная тестом Sandra 2003 составляет 96% от теоретической. Преимущество встроенного контроллера памяти – налицо.

Посмотрим на этот результат в сравнении с другими участниками нашего тестирования:

Двухканальный i875P с 800-мегагерцовой шиной Athlon 64 не обгоняет, но превзойти nForce2 ему оказывается вполне по плечу, несмотря на единственный канал памяти.

Посмотрим теперь на «чистую» производительность различных блоков Athlon 64. Бенчмарк из пакета SiSoft Sandra 2003 вполне может позволить нам это сделать. Результаты, выдаваемые измерительными модулями этого пакета, не зависят от производительности L2 кеша или подсистемы памяти.

Здесь есть над чем задуматься. Например, производительность ALU в Athlon 64 возросла по данным этого теста на 8% по сравнению с Athlon XP той же частоты за счет улучшенного предсказания переходов и TLB.

Однако, этого явно недостаточно для соперничества с Pentium 4, в котором ALU вообще работает на удвоенной частоте. Что касается производительности FPU, то поскольку в этом блоке ничего не изменилось, у Athlon 64 она точно такая же, как и у Athlon XP. И этого вполне хватает для обгона Pentium 4 2.8C, несмотря на присутствующую в нем технологию Hyper-Threading. Все-таки, блок FPU в Athlon изначально был сделан очень «сильным». Что же касается скорости SSE2 блока Athlon 64, то она разочаровывает. Наш Athlon 64 2800+ сильно отстает по этому параметру даже от Pentium 4 2.53.

Сможет ли Athlon 64 2800+ показывать хотя бы такую же производительность как Athlon XP 2800+?

Наверное, сможет. Хотя все будет зависеть от конкретной задачи. Athlon 64 2800+ из-за невысокой частоты (1.6 ГГц) отстает от Athlon XP 2800+ (реальная частота 2.083 ГГц) по вычислительной мощности, но зато сильно обгоняет его когда дело доходит до операций с памятью. Посмотрим, как такое положение дел отразится на производительности в реальных приложениях.

Комплексный тест Business Winstone 2002, показывающий среднюю производительность в типовых офисных приложениях, демонстрирует превосходство старого Athlon XP 2800+ над новым Athlon 64 2800+ на уровне 8.5%. Объясняется это на 30% более высокой частотой у Athlon XP 2800+, которую Athlon 64 не может компенсировать в полной мере ни своим гигантским кешем, ни быстрой подсистемой памяти. В то же время Athlon 64 2800+ превосходит Athlon XP 1.6 ГГц, работающий на той же частоте, на 8%.

К сожалению, мы не смогли прогнать на системе на базе Athlon 64 тест Multimedia Content Creation Winstone 2003. Во время прохождения этого теста возникала ошибка, к счастью, не связанная с проблемами самой тестовой платформы.

AMD не очень жалует SYSmark 2002, считая, что методология примененная в этом тесте, дает преимущество процессорам конкурента. Возможно, так оно и есть. На что же мы хотим обратить внимание, так это на повторяющееся отставание Athlon 64 от Athlon XP равного с ним рейтинга. Впрочем, здесь оно не столь сильное, как в Business Winstone 2002, и составляет всего на всего 2-3%.

При кодировании mp3 файлов кодеком lame новый Athlon 64 терпит полное фиаско. Кодирование звуковых файлов – задача, требующая от процессора высокой «чистой» производительности, которую Athlon 64 обеспечить не в состоянии ввиду низкой тактовой частоты. И действительно, как можно видеть, результат Athlon 64 2800+ близок к результату Athlon XP 1.6 ГГц.

А вот при сжатии информации архиватором Winrar Athlon 64 демонстрирует все свои преимущества. Благодаря большому кешу, в который умещается значительная часть словаря, а также малой латентности подсистемы памяти Athlon 64 2800+ легко обходит не только Athlon XP 2800+, но и Pentium 4 2.8C с 800-мегагерцовой шиной и технологией Hyper-Threading.

Кодирование видео в формат mpeg-4 вновь изменяет расстановку сил. Впереди благодаря технологии Hyper-Threading Pentium 4 2.8C. А Athlon 64 2800+ вновь отстает от Athlon XP 2800+, пусть и не так сильно.

Windows Media Encoder 9 – не лучшее применение сил Athlon 64. Его производительность здесь приближается к скорости Pentium 4 2.53, что вряд ли можно назвать высоким результатом.

Посмотрим, как же изменится расстановка сил в игровых приложениях.

В 3DMark03 Athlon 64 2800+, наконец, обгоняет Athlon XP 2800+. Однако лидирует со значительным отрывом все же процессор Intel Pentium 4 2.8C.

CPU Score – это показатель, получаемый при эмуляции вершинных шейдеров силами CPU. Поэтому в данном тесте имеет большое значение быстрое ALU вкупе с высокой пропускной способностью подсистемы памяти. В результате, Athlon 64 2800+ вновь отстает не только от Pentium 4 2.8С, но и от Athlon XP 2800+.

В 3DMark2001 SE Athlon 64 2800+ удается почти нагнать Pentium 4 2.8C и значительно превзойти Athlon XP 2800+.

Аналогичная картина наблюдается и в игре Return to Castle Wolfenstein, построенной на движке Quake3.

Unreal Tournament 2003 быстро работал и на процессорах семейства Athlon XP. Однако ж на Athlon 64 он работает еще быстрее. Athlon 64 2800+ - в лидерах.

Взглянем теперь на результаты научного теста ScienceMark 2.0

Athlon XP по справедливости считался лучшим процессором для научных расчетов благодаря своему мощному трехконвейерному блоку FPU. В Athlon 64 этот блок не изменился. А вот тактовая частота понизилась. В результате, новичок не может повторить высоких результатов своего предшественника.

Посмотрим теперь, что же будет в задачах 3D рендеринга.

Рендеринг в 3ds max 5 – типично вычислительная задача. Архитектурные улучшения Athlon 64 не могут тут компенсировать его низкой частоты, как и в научных тестах. В итоге, Athlon XP 2800+ обходит по скорости рендеринга Athlon 64 2800+ на 12%. Тем не менее, определенные дивиденды усовершенствования в Athlon 64 в этом тесте приносят – ведь отставание в тактовой частоте составляет целых 30 процентов, а разница в результатах – много меньше.

В Lightwave 7.5 скорость рендеринга сильно зависит от типа сцены. Где-то Athlon 64 может продемонстрировать себя с лучшей стороны благодаря большому кешу, поддержке SSE2 и низкой латентности при обращениях к памяти, а где-то его производительность приближается к скорости Athlon XP 1.6 ГГц.

Вновь, дело касается большого количества вычислений и Athlon 64 пасует перед ними. Кстати, после того, как Intel ввел в своих процессорах поддержку технологии Hyper-Threading, Pentium 4 стали показывать при рендеринге очень высокую производительность.

Выводы

Основным выводом, который можно сделать из результатов данного тестирования, следует считать то, что процессоры Athlon 64, несмотря на имеющиеся сходства в архитектуре с Athlon XP, отличаются от своих предшественников с практической точки зрения очень сильно. Мы не можем однозначно ответить на вопрос, стал ли Athlon 64 быстрее, чем Athlon XP, или не стал. По сути, это просто другой процессор. Кроме того, ничего мы не можем сказать и о производительности Athlon 64 в 64-битных приложениях или хотя бы в 64-битных операционных системах при работе с 32-битными приложениями. Возможно, использование расширений x86-64 даст значительный прирост в производительности, также как вполне возможно и то, что продвижение x86-64 натолкнется на сопротивление производителей программного обеспечения. AMD однажды уже пыталась продвигать собственные наборы инструкций, и этот опыт вряд ли можно назвать удачным. Набор команд 3DNow!, несмотря на его удобство, так и не получил повсеместного распространения. Поэтому, тут нам остается только ждать и смотреть. Что же касается производительности Athlon 64 в традиционных 32-битных задачах, то тут можно сказать следующее. У этого нового процессора есть несколько сильных сторон – большой L2 кеш, производительная подсистема памяти и поддержка набора инструкций SSE2. На другой чаше весов находится относительно низкая тактовая частота. В итоге, в зависимости от того, к какому фактору оказывается наиболее критично данное приложение, мы видим либо взлет производительности Athlon 64, либо ее падение. Например, в классических счетных задачах, типа научных расчетов или 3D рендеринга Athlon 64 показывает себя не очень хорошо. Зато, например, в играх или при архивировании информации ему просто нет равных. В целом же, если сравнивать скорость Athlon 64 2800+ со скоростью Athlon XP 2800+, то надо признать, что последний смог обойти Athlon 64 все же в большем числе тестов. Ну и в заключение остается только напомнить, что данный материал предоставляет лишь предварительный взгляд на быстродействие Athlon 64. К моменту его официального выхода осенью этого года многое может измениться. Например, AMD может поднять тактовые частоты этого семейства.