Processorns egenskaper

Fram tills för några år sedan talades det i konsumentsammanhang endast om processorer i datorer, men när smartphones blev populära uppstod också ett intresse för deras processorer. Eftersom vi vill kunna göra allt från att spela spel till att se på film på våra mobiltelefoner har deras processorer en minst sagt betydelsefull roll. Mobil­telefoner ­använder dock inte samma typ av processorer som vanliga stationära och bärbara ­datorer, utan de två produkttyperna använder processorer av olika så kallad "arkitektur". Här följer en sammanfattning av tre vanliga processorarkitekturer.

Egenskapen som framhävs mest för en dators processor är dess klockfrekvens. Klockfrekvensen mäts i hertz (Hz) och anger hur många klockcykler per sekund som processorn hinner med. 2,0 GHz innebär två miljarder klockcykler per sekund. Säg att en processor har klockfrekvensen 2,0 GHz och kan göra en beräkning per klockcykel. Det innebär att den hinner med två miljarder beräkningar per sekund. En liknande processor med klockfrekvensen 3 GHz hinner med ytterligare en miljard beräkningar varje sekund.

Under nittiotalet ökade processorernas klockfrekvenser successivt, vilket gjorde att de blev allt snabbare. Många minns säkert när den första processorn som hade en klockfrekvens på en hel gigahertz lanserades. Tidigare var vi vana vid att alla hastigheter mättes i megahertz. Efter det gick allting snabbt och det dröjde inte många år innan de hetaste datorerna var utrustade med 3,2 GHz-processorer. Dessa datorer var inte bara "heta" i vardagligt tal utan även fysiskt. Den höga klockfrekvensen gjorde att processorerna drog mycket ström och genererade mycket värme.

För att kunna fortsätta utvecklingen var processortillverkarna tvungna att hitta andra lösningar än att endast höja klockfrekvensen. Utvecklingen bytte därför fokus till att istället effektivisera processorn så att den kunde utföra så mycket som möjligt under en och samma klockcykel. Det gjorde att dagens processorer har betydligt högre prestanda än sina föregångare, även om de ibland har lägre klockfrekvenser. Klockfrekvensen är numera ofta missvisande då den inte berättar något om hur effektivt processorn arbetar utan endast hur snabbt. En äldre processor kan ibland behöva flera klockcykler för att utföra en beräkning, medan en modern modell kan göra samma jobb under en enda. En rättvis prestandajämförelse mellan två processorer utifrån deras klockfrekvenser kan därför endast göras om de är av samma modell och generation.

I jämförelsen ovan (mellan två Core i5-processorer) vinner modellen Core i5 3570K. Eftersom processorerna är nästan identiska och är av samma generation kan klock­frekvensen användas för att se vilken modell som vinner.

Om samma jämförelse skulle göras mellan Core i5-processorn 3450S och den på sin tid mycket populära Pentium 4 640, hade resultatet däremot sett annorlunda ut. Visserligen har Pentium 4-processorn en högre klockfrekvens men Core i5-processorn vinner ändå med hästlängder.

En processor behöver ibland behandla samma data flera gånger. Istället för att hämta informa­tionen från arbetsminnet varje gång, kan de nästkommande instruktionerna ligga i processorns eget minne. Mängden cacheminne har stor inverkan på datorns ­prestanda, då stor cache minskar antalet gånger som processorn behöver läsa från arbets­minnet.

Processorn har dessutom flera olika lager av cacheminne. De brukar benämnas L1, L2 och L3 (det är inte alla processorer som har alla lager). Skillnaden mellan dem ligger i storlek och åtkomsttid. Om det inte står vilket lager av minne som specificeras är det oftast L2- eller L3-cachen det handlar om eftersom L1-cachen alltid är liten.

Cacheminnet använder så kallat SRAM (Statiskt RAM) som är betydligt snabbare än DRAM som används av arbetsminnen (läs mer). Det vore prestandaeffektivt att använda mycket cacheminne istället för arbetsminne, men ju snabbare minnet är desto dyrare är det att tillverka. Det är därför endast premiumprocessorerna som utrustas med extra mycket cacheminne och det ger en tydlig avspegling på priset.

Kärnan (eng. core) är den del i en processor som utför beräkningarna. Förr i tiden användes enkärniga processorer som endast kunde utföra en beräkning åt gången. Det gjorde att köer uppstod när många processer var igång samtidigt. Ett bekant problem var när exempelvis musikspelaren kördes samtidigt som ett annat krävande program. Musiken kunde då hacka till eller stanna av när processorn utsattes för hög belastning från det andra programmet.

En enkärnig processor som sitter i en dator med två program igång (märkt blå respektive orange). Det uppstår köbildning mellan det orangea programmet och det blå programmet.

Processorn ovan är lite snabbare än den förra men den har fortfarande problem med att hantera flera samtidiga processer.

Intel hittade en lösning på problemet med köbildningen. När en processor med deras så kallade multi-threading-teknik (Intel Hyper-Threading) väntade på information från minnet kunde den beräkna något annat undertiden och på så sätt varva uppgifterna. En processor med multi-threading-teknik blev därför snabbare vid hög belastning än en vanlig processor som saknade tekniken.

En processor med multi-threading-tekniken simulerade två kärnor. Den "lurade" operativsystemet att tro att den hade två kärnor som kunde dela på uppgifterna. Riktigt så bra var det inte eftersom det i slutänden ändå var en kärna som utförde jobben.

Nästa steg i utvecklingen blev att addera fler riktiga kärnor, så att processorerna kunde uppnå ännu större prestandavinster.

En processor som kan utföra två uppgifter samtidigt (dual core).

En nackdel med användandet av flerkärniga processorer är att programmen måste ­anpassas för att kunna dra nytta av alla kärnor. Det är än så länge långt ifrån alla ­program som är bra på det. Tidigare fanns det ett klart samband där en snabbare ­processor alltid gav bättre prestanda, men så är det inte längre.

Aktivitetshanteraren visar att den aktuella datorn har fyra kärnor.

På nyare processorer har Intel byggt in multi-threading-tekniken i alla kärnor. Med den kan till exempel åtta kärnor simuleras på en fyrkärnig processor. Detta beskrivs som att processorn har fyra kärnor och åtta trådar eller åtta logiska kärnor.

Aktivitetshanteraren visar att den aktuella datorn har åtta kärnor (egentligen fyra kärnor med multi-threading-teknik).

Här följer en översikt över namnen som brukar användas för processorer med olika antal kärnor

Turbo Boost är en teknik som Intel har implementerat i flera av sina Core-processorer. Tekniken går ut på att ge extra kraft till processorn när den behöver det som mest. När datorn arbetar extra hårt kan processorns alla kärnor få en liten "Turbo Boost" för att utföra jobbet.

De fyra kärnorna arbetar på normal hastighet...

Sedan startas en krävande process och alla kärnor får då en Turbo Boost.

Om det inte är alla kärnor som arbetar hårt utan bara några av dem kan Turbo Boost-funktionen hjälpa dem individuellt också. Turbo Boost är därmed en mycket användbar teknik för att snabba upp program som inte är optimerade för flerkärniga processorer.

Enskilda kärnor kan få en större Turbo Boost.

En enda kärna kan få en ännu större Turbo Boost.

AMD har en motsvarande teknik vid namn Turbo Core. Båda dessa tekniker är en form av automatisk dynamisk överklockning.

Ett stort arbetsminne gör att datorns prestanda ökar och att den upplevs snabbare. Samtidigt har programmens behov av arbetsminne ökat rejält de senaste åren. Det ställer till problem för gamla datorer som kör så kallade 32-bitarssystem, eftersom de inte kan ha större arbetsminne än fyra gigabyte. Läs mer om denna begränsning här. För att komma runt begränsningen introducerades 64-bitarssystem. I en 64-bitarsdator med Windows 8 kan arbetsminnet vara 512 GB stort!

För att en dator ska kunna köra ett 64-bitarssystem krävs följande:

• En 64-bitarsprocessor
• Ett 64-bitarsoperativsystem
• 64-bitarsdrivrutiner för all ansluten hårdvara

Det är lätt att undersöka om ens dator kör ett 32-bitars- eller 64-bitarssystem. I ­Windows räcker det med att högerklicka på Dator på Startmenyn eller Startskärmen och välja Egenskaper.

Huruvida datorn använder ett 32- eller 64-bitarsoperativsystem visas i systemöversikten. Klicka för förstoring.

Dagens nya datorer kör i princip alltid 64-bitarsoperativsystem. För fem år sedan var det betydligt ovanligare eftersom 64-bitarsrelaterade kompatibilitetsproblem då var vanligt förekommande. Grundregeln säger att i ett 64-bitarssystem går det att köra både 64-bitars­program och 32-bitarsprogram. Det finns dock vissa undantag, framför­allt när det gäller drivrutiner. De måste vara skrivna för 64-bitarssystem för att fungera i sådana.

Vid manuell installation av en drivrutin brukar användaren få välja mellan två olika versioner, beroende på om drivrutinen ska installeras på ett 32-bitarssystem eller ett 64-bitarssytem. Drivrutinerna för 32-bitars­system brukar vara märkta 32-bit, x86 eller i386, medan 64-bitarsdrivrutinerna brukar vara märkta 64-bit, x64 eller x86-64.

Vissa tillägg (plug-ins) kan också ha problem med 64-bitarssystem. Exempelvis kan inte 64-bitarsversioner av webbläsare använda 32-bitarstillägg. Samma sak gäller 32-bitarstillägg till 64-bitarsversionerna av Microsoft Office. Som tur är går det att installera 32-bitarsversioner av de nämnda programmen på 64-bitarsystem, vilket i sin tur gör det möjligt att använda 32-bitarstillägg.

Det råder inga tvivel om att det är 64-bitarssystem som kommer att användas i fram­tiden. Det ryktas att de första spelen som endast fungerar på 64-bitarssystem kommer att släppas under 2013. Adobes populära program Premiere Pro CS6 och After Effects CS6 har redan 64-bitarssystem som ett krav.

Att byta till en 64-bitarsversion av Windows kan göras i samband med uppgradering till Windows 8. Det går att exempelvis gå från Windows 7 32-bitar till Windows 8 64-­bitar. Uppgraderingen kräver dock en anpassad installation, vilket gör att det inte går att behålla installerade program och lagrade filer. En sådan uppgradering måste dessutom göras med en fysisk uppgraderingsskiva och kan därmed inte genomföras med Microsofts uppgraderingsassistent.

Mac OS X fick riktigt stöd för 64-bitar i samband med lanseringen av Mac OS X Snow Leopard (10.6). Till skillnad från Windows som antingen är installerat i en 32- eller 64-bitarsversion kan en Mac med Mac OS X Snow Leopard (10.6) eller Lion (10.7) startas i antingen 32- eller 64-bitarsläge. Enda nackdelen med att starta Macen i 64-­bitarsläge är att ett fåtal äldre program inte fungerar. Eftersom sådana program ­blivit allt färre valde Apple att från och med Macmodellerna lanserades i början av 2011 ha 64-bitarsläget aktiverat som standard.

Från och med Mac OS X Mountain Lion (10.8) går det endast att starta Macar i 64-­bitarsläge, men precis som i Windows finns stödet för 32-bitarsprogram kvar.

BYTE MELLAN 32-/64-BITARSLÄGE I MAC OS X

Obs! Denna information gäller endast Mac OS X Snow Leopard (10.6) och Mac OS X Lion (10.7).

Valet av 32- eller 64-bitarsläge väljs vid uppstarten av Macen. Om datorn är för­inställd på att starta i 32-bitarsläge går det att aktivera 64-bitarsstödet genom att trycka ned tangenterna 6 och 4 på tangentbordet under uppstarten (under förutsättning att Macen har 64-bitarsstöd). På motsvarande sätt går det att tvinga ned en 64-bitarsdator till 32-bitarsläge (för bättre kompa­tibilitet) genom att trycka ned tangenterna 3 och 2 under uppstarten. Det går även att ändra standardalternativet. Om datorn alltid ska starta i 64-bitarsläge skrivs följande kommando i Terminalen⁴:

sudo systemsetup -setkernelbootarchitecture x86_64

Om datorn alltid ska starta i 32-bitarsläge skrivs istället följande kommando i Terminalen:

sudo systemsetup -setkernelbootarchitecture i386

Efter att inställningen är gjord går det fortfarande att tillfälligt växla mellan 32- och 64-bitarsläge genom de nämnda tangenttryckningarna.

För att göra det enkelt för konsumenter att välja processor har både Intel och AMD satt marknadsnamn på sina processorer. Marknadsnamnen avslöjar egentligen mycket lite om tekniken i processorerna. De är snarare ett sätt att beskriva processorernas tids­enliga prestanda. Till exempel har dagens Pentiumprocessorer få likheter med tre år gamla ­modeller med samma namn. Dagens Pentiummodeller är avskalade Core i5-processorer med bland annat lägre klockfrekvenser och mindre cacheminnen. Pentiummodellerna från 2009 var avskalade Core 2-processorer, vilket var den tidens motsvarigheter till ­dagens Core i5-modeller. Det innebär att tekniken i Pentiumprocessorerna har förändrats med tiden så att de har behållit sin relativa prestandanivå på marknaden.

Antalet transistorer ligger till grund för processorns prestanda. Gordon Moore, en av ­Intels grundare, observerade 1965 att antalet transistorer i en processor hade ­fördubblats var 24:e månad. Han menade att den snabba utvecklingen skulle fortsätta i samma takt. Påståendet håller än idag och kallas Moores lag.

Ett av de största framstegen i processorvärlden är att transistorn har minskat radikalt i storlek. På sjuttiotalet tillverkades processorer med transistorer av storleken 10 mikrometer (0,01 mm). Idag är det 22 nanometerstransistorer (0,000022 mm) som används i de senaste Intel-processorerna. Jämför det med ett hårstrå som är 90000 nm brett, eller en bakterie som är 2000 nm. En kiselatom är 0,24 nm stor⁵.

Mindre transistorer kan växla av- och på-läge snabbare, vilket i sin tur höjer processorernas kapacitet. Det är inte bara jakten på prestanda som skyndat på förminskningen, utan även att processorer med mindre komponenter utvecklar mindre värme och drar mindre ström. Processortillverkarna arbetar därför hårt för att så ofta som möjligt ­lyckas krympa tillverkningsprocesserna.

I specifikationer för datorer med Intel-processorer står det ofta huruvida de använder exempelvis den andra eller tredje generationens Intel Core-processor. Det beror på att Intel under de senare åren har valt att behålla Core-namnen för att beskriva sina processorers tidsenliga prestanda, samtidigt som de vill betona vikten av att välja en modern processor. De olika generationerna av Intel Core-processorerna bygger ­nämligen på ­olika så kallade mikroarkitekturer, vilket gör att en tredjegenerations Core i5-processor är ­avsevärt mycket snabbare och strömsnålare än en förstagenerations Core i5-­processor.

Intels processorutveckling följer en princip som kallas "tick-tack" (se bild). Ungefär vartannat år släpper de en ny mikroarkitektur och vartannat år krymper de den ­befintliga mikroarkitekturen. Det gör att det varje år sker en stor förändring i Intels processortillverkning.

Översikt över de senaste årens tick-tack-utveckling.

2011 lanserade Intel den i skrivande stund senaste mikroarkitekturen. Den går under namnet Sandy Bridge och byggde från början på 32 nm-tillverkningsteknik. Det är dessa processorer som kallas "andra generationens Intel Core-processorer". Under 2012 krympte Intel arkitekturen och skapade den tredje generationens Intel Core-processorer. Dessa går under kodnamnet "Ivy Bridge" och bygger på en 22 nm-tillverkningsprocess. Under 2013 kommer Intel att släppa den fjärde generationens Intel Core-processorer som bygger på den helt nya 22 nm-mikroarkitekturen "Haswell".

Översikt över de senaste årens tick-tack-utveckling.

Intel brukar uppdatera sina processorers logotyper i samband med byte av mikro­arkitektur. Det gör det lättare för datorköpare att se hur pass ny processor de köper. ­Intel bytte visserligen inte logotyper vid övergången från Sandy Bridge till Ivy Bridge, men troligtvis kommer årets Haswell-baserade processorer att få nya logotyper. Ivy Bridge var trots allt endast en krympning medan Haswell är en helt ny arkitektur.

Logotyperna för första generationens Core-processorer

Logotyperna för andra generationens Core-processorer

AMD använder också marknadsnamn för att beskriva sina processorers tidsenliga ­prestanda, vilket gör att samma marknadsnamn används till processorer av olika mikro­arkitekturer. De första FX-processorerna baserades på mikroarkitekturen Bulldozer. De i skrivande stund senaste FX-processorerna baseras däremot på en uppgradering av Bulldozer-arkitekturen vid namn Piledriver. De kan därför ses som "andra genera­tionens FX-processorer".

Likt Intels Core-processorer finns det flera generationer av AMD:s FX-processorer.

En av de synliga skillnaderna mellan Intels och AMD:s processorer är att de använderhelt olika socklar (en sockel är en hållare som processorn sitter monterad i). Det gör attett moderkort som är anpassat för AMD:s processorer inte kan användas till en Intelprocessor. I takt med utvecklingen har även socklarna uppgraderats. Det går att se medblotta ögat eftersom antalet kontaktpunkter har ökat. På grund av sockelbytena är det sällan möjligt att uppgradera en processor i en gammal dator utan att samtidigt behöva byta moderkortet.

Det blir allt vanligare med inbyggda grafikkretsar i dagens processorer. De flesta ­Intel Ivy Bridge-processorer har en inbyggd grafikkrets vid namn HD Graphics 4000. Tack vare den behöver datorn inte utrustas med något grafikkort, så länge den endast ska användas för mindre grafiskt krävande uppgifter. Det går exempelvis inte att spela ­moderna spel på den, utan då krävs det fortfarande ett separat grafikkort. Obs! För att kunna använda den inbyggda grafikkretsen krävs ett moderkort med stöd för processorintegrerad grafik, eftersom de fysiska bildskärmsanslutningarna sitter på moderkortet även om signalen kommer från processorn.

Många bärbara datorer i premium­segmentet har idag två grafikkretsar. Den processor­inbyggda Intel HD Graphics-kretsen används vid lättare datorarbeten för att spara ström, medan den separata grafikkretsen (från Nvidia eller AMD) används vid gaming och grafikintensiva uppgifter för att ge bra prestanda. Bytet mellan de två grafik­kretsarna kan ske helt automatiskt i både Windows och Mac OS X.

Medan Intel under de senaste åren främst har satsat på rå processorstyrka i sina ­processorer har AMD satsat på sitt Fusion-koncept. Det går ut på att fusionera den ­vanliga processorn med grafikkort. I Fusion-konceptet ingår bland annat AMD:s A4-, A6-, A8- och A10-processorer. AMD väljer dock att inte klassificera dessa som CPU:er utan kallar dem istället APU:er (Accelerated Processing Units). Det beror på att de ­snarare ska ses som hybrider mellan vanliga processorer och grafikkort än som processorer med inbyggda grafikkretsar. Det går till och med att spela moderna spel i låga upplösningar med dem.

AMD Fusion tar integrerad grafik till en ny nivå.

Prestandamässigt är det svårt att jämföra APU:erna med något annat. De kan grafikmässigt prestera bättre än de flesta andra processorer med inbyggd grafik, men sam­tidigt presterar de generellt något sämre vid traditionella processorjobb (vid jämförelse mellan processormodeller i samma prisklass). Grafikkretserna i dagens datorer börjar dock spela en allt viktigare roll, inte endast inom gaming utan även i till exempel avancerade bildbehandlings- och videoredigeringsprogram som kan dra nytta av GPGPU (läs mer). Det gör att bedömningen av hur AMD:s APU:er står sig mot traditionella CPU:er måste göras utifrån vad datorn används till.

⁴ Apple (2010). Mac OS X v10.6: Starting up with the 32-bit or 64-bit kernel. Supportartikel senast uppdaterad 2010-08-16, hämtad 2011-07-16. support.apple.com/kb/ht3773

⁵ Intel. Fun facts: Exactly how small (and powerful) is 45 nanometers? Faktablad hämtat 2011-07-17. www.intel.com/pressroom/kits/45nm/Intel45nmFunFacts_FINAL.pdf