Neden tüm cihazlarda en hızlı işlemcileri kullanmıyoruz?

• En hızlı işlemcilerin talimatları bu kadar hızlı yerine getirmesi şaşırtıcı, öyleyse neden her zaman en hızlı olanı kullanmıyoruz?
• En iyi ve en gelişmiş teknolojiyi kullanmanın nadiren mantıklı olmasının nedenlerini sıralıyoruz.
• Bazı nedenleri zaten biliyorsunuz (finansallar), ancak diğerlerini gözden kaçırmış olabilirsiniz.

Şunu hayal edin: buzdolabınız, saatiniz, hatta ekmek kızartma makineniz - hepsi şimdiye kadar yapılmış en hızlı işlemciyle çalışıyor.

Kulağa harika geliyor, değil mi? Bilimkurgu filmlerinden fırlamış gibi. Ama neden bu kadar çok Yapma. Aslında bunu yaptığımda, "daha hızlı olan daha iyidir "den çok daha karmaşık (ve ilginç!) olduğunu fark ettim.

İşlemci (CPU) performansını anlama

Özünde, bir işlemcinin görevi talimatları mümkün olduğunca verimli bir şekilde yürütmektir. Teoride, daha yüksek saat hızına ve daha fazla çekirdeğe sahip daha hızlı bir işlemci, tüm cihazlarımıza güç sağlamak için ideal bileşen gibi görünüyor. Ancak, ham hız bulmacanın yalnızca bir parçasıdır. Performans yalnızca saniyede kaç işlem yapılabildiğiyle değil, aynı zamanda bu işlemlerin gerçek dünya koşullarında ne kadar verimli gerçekleştirildiğiyle de ölçülür.

Örneğin, üst düzey masaüstü bilgisayarlar için tasarlanmış bir işlemci, ağır çoklu görevlerde ve yoğun uygulamalarda mükemmel olabilir. Ancak bu işlemciyi bir mobil cihaza taktığınızda, performans avantajlarından daha ağır basan sorunlarla karşılaşabilirsiniz.

Teorik maksimum hızlar ile pragmatik, sürdürülebilir performans arasındaki boşluk enerji verimliliği, ısı üretimi ve iş yükü gereksinimleri gibi faktörlerle kapatılır. Tasarıma yönelik bu incelikli yaklaşım, en hızlı işlemcilerin neden herkese uyan tek bir çözüm olmadığını açıklamaya yardımcı olur. Ve bu sorun değil.

Fiziğin zorbalığı: ısı ve güç

Yarı iletken fiziğinin kalbinde temel bir değiş tokuş yatar: saat hızı ve ısı dağılımı. Bir transistör her anahtarlama yaptığında enerji tüketir ve ısı üretir. Saat frekansını artırın ve ihtiyaç duyulan güç kabaca bu frekansın karesi ile büyür.

Dev ısı alıcıları ve birden fazla fan için yer olan bir masaüstü kulesinde, düzinelerce, hatta yüzlerce watt termal çıkışı kaldırabilirsiniz.

Ancak bu tür bir termal bütçeyi sadece birkaç milimetre kalınlığındaki bir akıllı telefon kabuğuna sığdırmaya çalıştığınızda elinizde gerçek anlamda sıcak bir tuğla tutmuş olursunuz. Daha da kötüsü, aşırı ısı yalnızca cihazlara dokunmayı rahatsız etmekle kalmaz, aynı zamanda silikonun aşınmasını hızlandırarak çalışma ömrünü kısaltır.

Çoğu zaman, ürün ve çip tasarımcıları, termal tasarım gücü (TDP) dar termal zarflara uyan işlemcileri seçmeli ve performansı güvenilir ısı dağılımı ile dengelemelidir.

Çok fazla ısı sadece performansı düşürmekle kalmaz, aynı zamanda bir bileşenin ömrünü kısaltabilir ve kullanıcı güvenliğini tehlikeye atabilir. Sonuç olarak, tasarımcılar genellikle aşırı ısı üretmeden "yeterince iyi" performans sağlayan işlemcileri tercih etmektedir.

Bu, en hızlı işlemcilerin laboratuvar ortamlarında (bunu hız aşırtma yarışmaları olarak okuyun) var olabileceği, ancak alanın çok önemli olduğu ve termal yönetimin kritik bir zorluk olduğu cihazlar için her zaman en uygun olmadığı anlamına gelir. Buradaki denge, cihazın serin, güvenli ve rahat bir şekilde kullanılmasını sağlarken performansı optimize etmektir.

Üreticiler özel mimariler geliştirdiler, örneğin ARM'ın big.LITTLEE yapılandırmasıyüksek güçlü çekirdeklerin enerji tasarruflu çekirdeklerle eşleştirildiği bir sistemdir. Sistem, bilgi işlem taleplerine göre bu çekirdekler arasında akıllıca geçiş yaparak gerektiğinde yüksek performans ve görevler daha az yoğun olduğunda pil ömrünü koruma arasında bir denge sağlar. Bu tür bir dinamik güç yönetimi, modern mobil bilgi işlem için kilit öneme sahiptir.

Taşınabilir cihazlar söz konusu olduğunda en önemli şey pil ömrüdür

Termal kısıtlamalarla doğrudan bağlantılı olan konu pil ömrüdür. Modern kullanıcılar akıllı telefonların tek bir şarjla tüm gün dayanmasını, dizüstü bilgisayarların sekiz saat veya daha uzun süre dayanmasını ve giyilebilir cihazların günlerce veya haftalarca çalışmasını beklemektedir.

Yüksek hızlı işlemciler, maksimum saatlerine yakın çalışırken genellikle yüzlerce watt güç tüketir. Buna karşılık, iyi tasarlanmış bir mobil SoC, "tüm gün" vaadine ulaşmak için yoğun kullanımda genellikle 5 W'tan daha az bütçe ayırır ve tipik, daha az yorucu kullanım senaryoları altında genellikle sadece birkaç milivolt tüketir.

Bu ödünler olmasaydı, telefonunuz ya bir saat içinde ölecek ya da mevcut pilin yarısı kadar kalın ve ağır bir pile ihtiyaç duyacaktı. Bu pek de kazançlı bir değiş tokuş değil. Hem güçlü hem de verimli işlemciler tasarlamak hiç de kolay değil.

Azalan getiriler: eklenen her megahertzin maliyeti

Bir araba galerisinde olduğunuzu ve son hızı 1 mil artırdığınızda fiyatların hızla yükseldiğini düşünün. Benzetme silikon için de geçerlidir: saat hızlarını 4,0 GHz'den 4,5 GHz'e çıkarmak üretimde yalnızca küçük bir değişikliğe mal olabilir, ancak 5,0 GHz'den 5,5 GHz'e geçmek genellikle önemli tasarım değişiklikleri, daha yüksek dereceli silikon (daha fazla voltaj ve ısıyı kaldırabilen yongalar için bölme) ve daha titiz testler gerektirir.

Belirli bir noktanın ötesindeki her ek megahertz, özellikle ham tek iş parçacığı performansını tam olarak kullanamayan uygulamalarda daha küçük gerçek dünya hızları sağlar. Bu arada, ek mühendislik riski, daha yüksek hata oranları ve artan üretim maliyetleri hem üretici marjlarını hem de son kullanıcı fiyat noktalarını tüketmektedir.

Hepimiz en hızlı CPU'yu istiyoruz *karşılayabileceğimiz. Ve bu yıldız işareti büyük bir fark yaratıyor.

Form faktörü kısıtlamaları: boyut, ağırlık ve malzemeler

Silikonun ötesinde, cihazınızın kasası, ısı emici malzemeleri ve soğutma çözümleri de sınırlamalar getirir. Bir akıllı telefon ince bakır ısı dağıtıcılar kullanır ve ısıyı yaymak için kısmen metal çerçeveye ve cam arka kısma güvenir. Bir oyun dizüstü bilgisayarı buhar odaları ve fanlar içerebilir, ancak yine de bir masaüstünün hava akışı için optimize edilmiş kasasının soğutma kapasitesiyle eşleşemez.

Giyilebilir cihazlar ve IoT aygıtları sınırı daha da daraltıyor: aktif soğutma için genellikle hiç yer yok. Tasarımcılar, ham işlem gücü ile cihazın şekli, ağırlığı ve yapı malzemelerinin fiziksel gerçekleri arasında ödünleşim yapmak zorundadır.

Çoğu zaman, bir cihazın boyutu ve ağırlığı hangi CPU'ları kullanabileceğinizi belirler. Ve daha güçlü bir şey kullanmak cesurca değil, daha çok kötü bir tasarım kararıdır.

Özel ve genel amaçlı işlemciler

Pek çok alanda, "hız" konusundaki üstünlük uzmanlaşmadan gelmektedir. Örneğin GPU'lar, yüzlerce veya binlerce küçük çekirdeğin yanı sıra geniş SIMD birimleri ve yüksek bant genişliğine sahip belleği grafik işleme veya bilimsel hesaplama gibi görevlere ayırır. Google'ın TPU'ları ve diğer yapay zeka hızlandırıcıları, derin öğrenme iş yüklerini hızlandırmak için matris çarpma motorları ekliyor.

Ancak bu mimariler dar, çok özel görevler için optimize edilmiştir, paralel kayan nokta matematiğinde mükemmeldirler ancak genel hesaplama için o kadar esnek değildirler.

Bu tür özelleşmiş silikonları her cihaza yerleştirmek, web'de gezinme veya e-posta gibi günlük görevler için aşırı (ve savurgan) olacaktır. Bunun yerine cihazlar, önemli olan yerlerde verimliliği artırmak için genel amaçlı yetenekleri göreve özgü hızlandırıcılarla (ör. video kod çözme, yapay zeka çıkarımı) dengeleyen "tam doğru" işlemciler kullanır.

Yazılım ve iş yükü gerçekleri

Ham saat hızı, performans hikayesinin yalnızca bir parçasıdır. Modern işlemciler, boru hatlarının veri ile beslenmesini sağlamak için büyük ölçüde önbellek hiyerarşilerine, dallanma tahminine, sıra dışı yürütmeye ve çoklu iş parçacığına güvenir.

Birçok gerçek dünya uygulamasında, özellikle de çok sayıda işaretçi takibi, düzensiz bellek erişimi veya ağır G/Ç içerenlerde, daha yüksek saat hızları yalnızca mütevazı kazançlar sağlar.

Geliştiriciler ve sistem mimarları genellikle veri yerelliği, paralellik ve algoritmik verimlilik için yazılımı optimize etmenin, fazladan her birkaç yüz megahertz donanım hızını kovalamaktan çok daha iyi getiri sağladığını keşfederler. Aslında, birçok cihaz "yazılım eğrisinin" düzleşmeye başladığı yerde CPU performansını sınırlar ve bunun yerine derleyicilere, kütüphanelere ve çalışma zamanı sistemlerine ince ayar yapmayı seçer.

Yani evet, "en hızlı "yı nasıl tanımladığınız da önemlidir, çünkü iş yüküne bağlı olarak tamamen farklı şeylere bakıyor olabilirsiniz.

Çipleri çok fazla zorlamazsanız güvenilirlik ve uzun ömür artar

Sunucular ve kritik görev sistemleri bazen tam olarak güvenilirliği artırmak için maksimum değerlerinden biraz daha düşük saatlerde çalışan işlemciler kullanır. Yongaları düşük voltaj/frekans noktalarında çalıştırmak (undervolting/underclocking adı verilen bir teknik) kaçak akımları ve termal stresi önemli ölçüde azaltarak bileşen ömrünü uzatabilir ve sessiz veri bozulması veya ani arıza olasılığını azaltabilir.

Tüketici elektroniği şirketleri iade oranlarına, garanti maliyetlerine ve marka itibarına büyük önem vermektedir. Her çipi mutlak sınırına kadar zorlamaktansa, her ünitenin tipik kullanıcı istismarına, uzun oyun oturumlarına, sıcak ortam sıcaklıklarına ve toza maruz kalmaya dayanacağını garanti etmek genellikle tercih edilir.

Düzenleyici ve çevresel hususlar

Kamuoyunun enerji tüketimi ve e-atık konusundaki endişeleri arttıkça, düzenleyiciler ve endüstri konsorsiyumları daha çevreci elektronikler için giderek daha fazla baskı yapıyor. Energy Star gibi standart kuruluşları cihazlar için güç verimliliği ölçütleri belirleyerek üreticileri daha düşük boşta çalışma ve yük gücü rakamlarına ulaşmaya teşvik ediyor. Kurumsal sürdürülebilirlik hedefleri, cihazın yaşam döngüsü boyunca karbon ayak izini en aza indiren tasarımları daha da teşvik ediyor.

Bu bağlamda, bu performansa gerçekten ihtiyaç duyulup duyulmadığına bakılmaksızın her cihazda mümkün olan en hızlı işlemciyi kullanmak, daha geniş çevresel hedeflere ters düşmektedir. Daha iyi, daha verimli silikon, uyarlanabilir güç yönetimi ve daha uzun cihaz ömürleri, en yüksek saat hızından daha önceliklidir.

Kullanıcı deneyimi zorunluluğu

Nihayetinde, çoğu tüketici ham CPU saat hızına daha az önem verir ve yanıt verme, pil ömrü, ısı, gürültü ve genel hissi daha çok önemser. Benchmark skorlarında biraz daha yavaş olan ancak serin kalan ve yoğun kullanımda 16 saat dayanan bir telefon, testlerde yarışan ancak iki saat sonra kapanan veya rahatsız edici derecede sıcak bir cep ısıtıcısına dönüşen bir telefondan çok daha kaliteli hissettirecektir.

Üreticiler, gerçek dünya koşullarında tutarlı bir şekilde sorunsuz bir deneyim sunmak için CPU hızını, GPU performansını ve sistem düzeyinde optimizasyonları dengeleyerek UX testlerine sayısız saat harcıyor.

Bu genellikle performansın hızlı hissedildiği, ısının kontrol altında tutulduğu ve pil ömrünün beklentileri aştığı tatlı bir noktaya ulaşmak için işlemcinin en yüksek saat hızını geri çevirmek anlamına gelir.

Yeterince hızlı CPU'lar genellikle "en hızlı" işlemcilere tercih edilir

İyi haber şu ki, bugün "yeterince hızlı" olan yarın "fazlasıyla hızlı" olacak. Çip tasarımcıları, doğru donanımı doğru görevle eşleştirmek için büyük, güce aç çekirdekleri daha küçük verimlilik çekirdekleriyle ve ayrıca özel yapay zeka, grafik ve video motorlarıyla birleştiren heterojen mimariye giderek daha fazla yöneliyor.

Bu, cihazların gerektiğinde performansı artırmasına ve boştayken ultra düşük güçte çalışmasına olanak tanır. Anında dinamik olarak yeniden yapılandırılabilen uyarlanabilir donanım, ara bağlantılar için silikon fotonikler ve 3D yığınlı çipler daha da fazla esneklik vaat ediyor.

Tek bir yekpare "en hızlı" işlemci yerine, yarının cihazları her biri kendi alanında mükemmel olan ve tek bir "büyük çekirdeği" geride bırakan genel performans sunan çok sayıda özel motoru bir araya getirebilir.

En hızlı olmanın sizin için ne anlama geldiğini öğrenmek ister misiniz? Aşağıdaki makalelerimizi okuyun bugün oyun oynamak için kaç CPU çekirdeğine ihtiyacınız var ve güce aç uygulamaları çalıştırmak için.

Özetlemek gerekirse

Peki, neden her cihazı mümkün olan en hızlı işlemcilerle donatmıyoruz? Çünkü "en hızlı" genellikle daha sıcak, güce aç, daha pahalı, daha kısa ömürlü ve daha az çevre dostu anlamına gelir ki bu özellikler mobil, gömülü ve tüketici elektroniğinin gerçek dünya ihtiyaçlarıyla çatışır.

Bunun yerine, sektör denge için çabalıyor: silikon yeteneklerini kullanım durumlarıyla eşleştirmek, yazılımı optimize etmek ve en iyi genel deneyimi sunmak için paketleme ve güç yönetiminde yenilik yapmak.

Sonuçta amaç, megahertz için anlamsız bir yarış değil, kullanıcıları akıcı performans, uzun pil ömrü, konforlu termal özellikler ve uygun fiyatlarla memnun eden cihazlar üretmektir. İşte bu yüzden "en büyük" ve "en hızlı" CPU'lar süper bilgisayarlarda ve amiral gemisi masaüstü bilgisayarlarda muhteşemdir, ancak günlük yaşamlarınızda gereksizdir (ve istenmez).

Ionuț-Alexandru Popa

BinaryFork'ta yazar ve Genel Yayın Yönetmeniyim. Teknoloji, bilim, uzay araştırmaları ve filmler konusunda tutkuluyum. Teknoloji hakkında yazmaya 20 yıldan fazla bir süre önce, Bilgisayar Bilimleri bölümünden mezun olduktan sonra başladım.