Прошли те времена, когда процессоры имели фиксированную тактовую частоту, и сравнивать разные модели разных производителей было так же просто, как ранжировать их по частоте.
Современные процессоры имеют как базовые, так повышенные частоты. И это ещё не всё. У них несколько ядер и ещё больше потоков, и они могут автоматически разгонять и регулировать свою частоту в зависимости от таких вещей, как температура и подача энергии.
Производители гарантируют повышение тактовой частоты только в том случае, если процессор не имеет ограничений по температуре или мощности.
Вот несколько факторов, которые могут повлиять на тактовую частоту процессора:
- Качество кремния
- Эффективность охлаждения
- Качество термопасты
- Рабочие нагрузки, которые вы выполняете
И даже если ваш процессор разгоняется до заявленных повышенных частот, вполне может быть, что он удерживает эту частоту только пару миллисекунд то здесь, то там.
Достаточно долго, чтобы производители могли рекламировать тактовую частоту 5+ ГГц на упаковке ЦП и потенциально вводить в заблуждение ничего не подозревающих покупателей. Для поддержания устойчивых ускорений вам нужны решения для охлаждения премиум-класса (воздух/жидкость), которые могут достаточно быстро рассеивать тепло.
Конечно, эти новые функции приносят много пользы, но у нового покупателя они вызывают столь же много вопросов:
Например, что такое базовая и повышенная тактовая частота? Что лучше купить ЦП с более высокой базовой тактовой частотой или более высокой турбо частотой? Какие рабочие нагрузки больше зависят от одного или другого?
Мы рассмотрим эти и другие вопросы в этой статье и предоставим вам рекомендации о том, какие метрики частот центрального процессора важны для конкретной рабочей нагрузки.
Что такое тактовая частота процессора
Перво-наперво: что такое тактовые частоты? Являются ли они важной метрикой для сравнения или они почти не имеют значения с точки зрения практической производительности?
Скорость ЦП измеряется его внутренними часами в «тиках» или тактовых циклах. Чем быстрее он может «тикать», тем быстрее он может выполнить работу за установленный промежуток времени.
Каждый из этих циклов состоит из импульса включения или выключения транзисторов, который синхронизируется внутренним генератором (внутренними часами).
Максимальная частота этих импульсов измеряется в герцах (Гц), при этом современные процессоры работают в диапазоне гигагерц (каждый гигагерц отражает миллиард циклов в секунду).
Таким образом, процессор с тактовой частотой 4 ГГц способен выполнять 4 миллиарда тактов за одну секунду. Выполнение простой операции может занять всего пару циклов/тиков, в то время как более сложная операция может занять сотни или тысячи.
Однако, тактовые частоты – это только один из аспектов скорости процессора.
Другие факторы, такие как количество ядер, размер кэша и внутренняя архитектура ЦП, также играют ключевую роль в общей производительности.
Одна из наиболее распространенных причин, по которой процессор с более высокой тактовой частотой может уступать процессору нового поколения с более низкой частотой, связана с архитектурными улучшениями, которые приводят к увеличению IPC.
Что такое базовая тактовая частота процессора
Базовая тактовая частота ЦП относится к частоте, которую все ядра будут поддерживать в качестве базовой. Обычно это происходит при обработке типичных рабочих нагрузок низкого и среднего уровня.
По сути, это минимальная тактовая частота, на которой процессор должен работать при соответствующем охлаждении.
Не путайте это с тактовой частотой процессора в режиме ожидания, так как они могут снижать напряжение и понижать тактовую частоту намного ниже своей базовой частоты для экономии энергии.
Что такое повышенная (Boost) тактовая частота?
Когда рабочие нагрузки становятся более интенсивными и требуется повышение/всплеск производительности, ЦП увеличивает количество циклов, которые он обрабатывает в секунду (т.е. повышает свою частоту), в зависимости от конфигурации оборудования, теплового запаса и нормативов энергопотребления.
Это называется повышением тактовой частоты процессора (не путать с ручным разгоном).
Большинство современных процессоров имеют какую-то технологию повышения частоты с причудливыми названиями, например, Turbo Boost или PBO, которая автоматически разгоняет одно или несколько ядер до тех пор, пока не будут достигнуты установленные на заводе ограничения.
Конечно, многоядерным процессорам гораздо проще поднять частоту только одного ядра, чем поднять частоту всех ядер. Это связано с меньшими затратами энергии или выделением тепла и, следовательно, позволяет повысить частоту одного ядра до гораздо более высоких частот, чем было бы возможно увеличить частоту всех ядер.
По этой же причине заявленные повышенные тактовые частоты (например, 5,3+ ГГц) часто могут быть достигнуты только на одном ядре, а не на всём пакете ЦП. Температурные ограничения (то есть тепло, которое ваш кулер способен эффективно рассеивать) являются причиной того, что такие автоматические тактовые импульсы часто могут быть достигнуты только всплесками и удерживаются только в течение очень коротких периодов времени.
Повышение тактовой частоты против разгона
Хотя повышенные частоты ЦП являются формой (автоматического) разгона, его не следует путать с ручным разгоном вашего ЦП, который относится к ручному увеличению этих множителей (и напряжения) с интервалами, чтобы найти максимальную стабильную частоту ЦП. Это то, что делают энтузиасты, чтобы извлечь каждую унцию производительности из своих процессоров.
Повышенные тактовые частоты устанавливаются производителем и постоянно регулируются системой без какого-либо вмешательства со стороны конечного пользователя.
Почему процессор не может всегда работать на повышенных частотах
Из-за термических показателей, ограничений мощности и эффективности, а также риска повреждения.
Чем выше тактовая частота процессора, тем менее эффективным он становится. Он производит непропорционально больше тепла и потребляет экспоненциально больше энергии с каждым новым толчком к более высокой тактовой частоте процессора. Чем дальше вы заходите, тем более выраженным становится энергопотребление и тепловыделение.
Вот почему экстремальные оверклокеры обычно работают с жидким азотом, чтобы установить мировой рекорд тактовой частоты без потери стабильности.
Тем не менее, вы можете вручную разогнать свой процессор, чтобы он работал на или даже выше его повышенной тактовой частоты во время использования. Пока ваш процессорный кулер и воздушный поток корпуса достаточно надёжно справляются с рассеиванием выделяемого тепла.
Слишком активное использование процессора может сократить срок его службы. Термопаста высыхает быстрее, а ошибки внутри кремниевого ядра становятся более регулярными.
Кроме того, есть тепловые характеристики: ваш процессорный кулер является огромным узким местом, которое необходимо учитывать. Более холодный радиатор может поглощать и рассеивать гораздо больше тепла, чем горячий радиатор. Таким образом, можно достичь более высоких тактовых импульсов, если ваш процессор работал на низкой тактовой частоте и производил лишь небольшое количество тепла до того, как он был ускорен. Но, если процессорный кулер уже доведён до предела на базовой частоте или около неё, у него не будет большого запаса для разгона до желаемого/рекламируемого уровня.
Какие факторы влияют на повышение тактовой частоты
Как долго ЦП может удерживать свою повышенную тактовую частоту, а также то, насколько высоко может подняться эта частота, зависит от следующих факторов:
-
Его аппаратными возможностями, определенными производителем
Точная частота разгона, заявленная производителем, не всегда соответствует действительности. Это базовое измерение того, насколько высокой может быть максимальная тактовая частота Boost в идеальных условиях.
Каждое ядро ЦП тщательно тестируется перед выпуском, а алгоритмы повышения производительности сосредоточены на ускорении лучших, почти идеальных ядер, поскольку они могут достигать более высоких тактовых частот при наименьшем энергопотреблении по сравнению с другими ядрами.
Незначительные дефекты могут влиять на тактовую частоту других ядер, поэтому повышенная и базовая тактовые частоты всех ядер могут заметно отличаться.
-
Количество форсированных ядер
Чтобы повысить производительность одного или нескольких используемых ядер, ЦП может снизить тактовую частоту других ядер. Это создаёт некоторый тепловой и энергетический запас, который можно перенаправить на усиление ядер, которым необходимо работать на более высоких частотах.
Чем больше число ядер, тем ниже усиление каждого ядра.
Возьмем, к примеру, процессор Intel 11-го поколения – Core i9 11900K. Хотя он может увеличить частоту до 5,3 ГГц на двух ядрах, он может достигать только 4,7 ГГц при использовании всех ядер.
-
Тепловые возможности процессорного кулера
Возможно, наиболее важным фактором с точки зрения поддержания повышенной тактовой частоты процессора является решение для охлаждения процессора и корпуса в целом.
Чем больше тепловой запас у процессора, тем больше он может увеличивать свои частоты по сравнению с базовыми уровнями.
Помните, что в отличие от ручного разгона, когда вы можете установить тактовую частоту на небезопасный уровень, повышение тактовой частоты увеличивает тактовую частоту до максимально безопасного уровня работы, определенного производителем.
-
VRM материнских плат и мощность блока питания
Ускоренный процессор может потреблять гораздо больше энергии, чем когда он работает на базовых тактовых частотах. Хотя AMD практически не выходит за заявленные пределы мощности, Intel регулярно превышает их в 2-3 раза. Однако это больше связано с тем, как производители материнских плат используют настройки авторазгона по умолчанию в BIOS. Это даёт вам большую производительность, но за счёт энергии и тепла.
Вся эта дополнительная мощность должна обеспечиваться блоком питания и направляться через материнскую плату и её VRM. Если какой-либо из этих компонентов не соответствует задаче, процессор не сможет достичь заявленных тактовых импульсов.
Почему сильно различаются базовая и повышенная частота
Базовая и ускоренная тактовая частота могут различаться как в пределах одного ЦП, так и в разных моделях ЦП.
Вариации моделей часто являются целью сегментации рынка, в основном для того, чтобы узаконить различные ценники ЦП и сделать их доступными для широкого круга пользователей и ценовых категорий.
Тактовые частоты (среди прочего, например, количество ядер/потоков) устанавливаются производителем с использованием процесса, называемого биннингом.
Весь производимый кремний не идеален. Некоторые, более совершенные чипы могут работать на более высоких тактовых частотах в рамках установленного «бюджета мощности», в то время как другие могут работать только на более низких тактовых частотах в пределах того же диапазона мощности. Первые могут быть превращены в процессоры с отличными базовыми и повышенными частотами, а вторые относятся к более дешевым SKU, которые снижают тактовую частоту.
Что касается базовых и повышающих тактовых частот в пределах одного процессора, они различаются из-за температурных режимов, температуры окружающей среды, подачи питания и рабочей нагрузки.
Процессор ноутбука будет иметь гораздо более низкие базовые частоты, поэтому он может потреблять меньше энергии и не разряжать аккумулятор ноутбука мгновенно.
Процессоры для настольных ПК будут иметь более высокие базовые и форсированные частоты, потому что у них более мощные блоки питания, не ограниченные аккумулятором. У них также есть место, необходимое для размещения гораздо более мощных и громоздких процессорных кулеров, которые легко справляются с более высокими тактовыми частотами.
Серверные и HEDT-процессоры с гораздо большим количеством ядер ориентированы на стабильность и обычно не работают так высоко, как обычные потребительские процессоры. Их основная цель – обеспечить большое количество ядер и производительность при разумном бюджете мощности без ущерба для стабильности.
Тактовые частоты процессоров Intel и AMD
У Intel и AMD разные архитектуры ЦП, что также отражается в их разных маркетинговых стратегиях.
Процессоры AMD достигают большего количества ядер, лучшего IPC и большего кэша (на момент написания), в то время как процессоры Intel могут похвастаться более высокой одноядерной и повышенной тактовой частотой.
Почему тактовая частота Intel Boost намного выше?
Intel позиционирует свои процессоры как имеющие самую высокую одноядерную производительность на потребительском рынке. Intel специально продвигает архитектуру, предназначенную для задач, которые выигрывают от одноядерной производительности.
В качестве примера давайте сравним текущий процессор Intel i9-11900K с процессором AMD Ryzen 9 5900X по аналогичной цене.
ЦП Intel 11-го поколения имеет базовую частоту 3,5 ГГц и повышенную частоту 5,3 ГГц по сравнению с базовой частотой 3,7 ГГц и повышенной частотой 4,8 ГГц у R9 5900X.
Однако, процессор AMD имеет на 50% больше ядер и потоков, в четыре раза больше кэш-памяти и требует на 16% меньше энергии для работы.
Поскольку тактовые частоты не говорят вам точно, насколько быстр процессор, и должны быть умножены на то, сколько данный ЦП способен делать за такт (IPC), процессоры Intel часто продаются так, чтобы быть лучше, чем AMD, что не всегда так.
В конце концов, чтобы найти самый быстрый процессор, вам всегда нужно сравнивать их в соответствующих тестах и реальных приложениях, а не поддаваться маркетинговым заявлениям и кричащим цифрам.
Intel Turbo Boost
Что позволяет процессорам Intel достигать таких высоких тактовых частот, так это встроенные технологии, оптимизированные для этой задачи. Intel называет их технологиями Turbo Boost.
Полученные в результате максимальные скорости Turbo Boost повышаются за счёт технологии Intel Turbo Boost Max 3.0 и частоты Intel Thermal Velocity Boost (оба применяются автоматически в зависимости от рабочей нагрузки).
Наивысшая метрика, достигнутая этими технологиями, называется в Intel максимальной турбочастотой процессора.
AMD Precision Boost Overdrive
Хотя AMD использует метод, аналогичный технологии Intel Turbo Boost, для повышения тактовой частоты (хотя, возможно, не такой продвинутый, как их Thermal Velocity Boost), они называют этот процесс Precision Boost Overdrive и Precision Boost 2.
Опять же, датчики ЦП используются для контроля температуры, количества активных ядер и энергопотребления (среди прочих факторов), чтобы в случае необходимости увеличить базовую тактовую частоту до максимально возможного значения.
Приведенный выше график также иллюстрирует, как повышенные частоты могут стать менее мощными, если требуется разгон больше числа ядер.
Что важнее – базовая или повышенная частота процессора
Что важнее для вас – базовая или ускоренная тактовая частота – зависит от ваших рабочих нагрузок, вашего бюджета и системы охлаждения ПК. Конечно, более высокая тактовая частота также подразумевает более высокую одноядерную производительность.
Какие рабочие нагрузки зависят от базовой тактовой частоты?
Эмпирическое правило таково: всё, что требует многоядерной обработки и стабильной/постоянной скорости, будет лучше с более высокими базовыми тактовыми частотами.
Это означает, что любые пассивные рабочие нагрузки, такие как рендеринг на ЦП, 3D-рендеринг, рендеринг видео и задачи обработки эффектов, в конечном итоге выиграют от повышения базовой тактовой частоты.
Следует отметить, что более высокие базовые тактовые частоты обычно требуют большей мощности (имеют более высокий TDP) и, следовательно, потребляют больше времени автономной работы на мобильных устройствах, таких как ноутбуки.
Какие рабочие нагрузки выигрывают от повышенных частот?
Именно активные рабочие нагрузки больше всего выиграют от более высокой одноядерной производительности в турбо-режиме. Такие приложения попадают в группу так называемых пакетных рабочих нагрузок, которым требуются очень короткие всплески производительности ЦП, чтобы обеспечить заметный скачок производительности / плавности.
Любые приложения для создания контента в 3D-моделировании, редактировании фотографий, иллюстрировании, САПР и т.д. практически не требуют производительности в режиме ожидания, но нуждаются в коротких всплесках производительности при взаимодействии с вашим окном просмотра и пользовательским интерфейсом.
Использование кистей, преобразование объектов, воспроизведение 3D-анимации, изменение кривой CAD или редактирование некоторых кадров на временной шкале – вот некоторые задачи, которые зависят от производительности одного ядра.
Активные рабочие нагрузки, которые выиграют от высокой тактовой частоты, включают активную работу по дизайну движения (After Effects, Cinema 4D, 3ds Max, Blender), активное 3D-моделирование (Autocad, Solidworks, Revit, Inventor), активное редактирование видео (Premiere Pro, DaVinci Resolve ) и игры, среди прочего.
Другие факторы, которые следует учитывать
Как упоминалось ранее, тактовые частоты ЦП не всегда напрямую связаны с производительностью процессора.
В зависимости от вашей рабочей нагрузки другие факторы, такие как IPC (количество инструкций за цикл), архитектура или кэш-память ЦП, могут дать ЦП с более низкой тактовой частотой преимущество над процессором с гораздо более высокой тактовой частотой.
Возьмём, к примеру, игры 1080p. Теоретически Intel Core i9-11900K должен превзойти Ryzen 7 5800X, учитывая, что он имеет огромное преимущество в повышении тактовой частоты, несмотря на идентичное количество ядер и потоков.
Однако тесты показывают, что i9-11900K отстаёт от R7 5800X на 5 кадров в секунду, в среднем, по 10 играм. Подобные результаты были получены для других процессов, начиная от Photoshop и заканчивая Premiere Pro и даже After Effects.
Всегда ищите эталонные тесты для своих рабочих нагрузок/приложений и сравнивайте производительность ЦП, которые вы рассматриваете для своей следующей рабочей станции, а не просто просматривайте их спецификации на бумаге.
Вывод
Базовая и повышенная тактовые частоты и количество ядер могут дать вам представление о том, для каких типов рабочих нагрузок предназначен ЦП. Вы также можете использовать тактовые частоты для сравнения процессоров одного поколения.
Однако, одних только тактовых частот недостаточно для сравнения процессоров разных производителей или разных поколений. Всегда используйте бенчмарки и реальные тесты, чтобы найти лучший процессор для ваших нужд.
Базовая тактовая частота говорит вам только о том, что процессор может выдержать при надлежащем охлаждении всех ядер, а ускорение говорит вам, чего он может достичь, если есть некоторый запас мощности и охлаждения.
Всё остальное зависит от тестов и независимых тестировщиков.
