Технологии и инструкции,
используемые в процессорах

Люди обычно оценивают процессор по количеству ядер, тактовой частоте, объему кэша и других показателях, редко обращая внимание на поддерживаемые им технологии.

Отдельные из этих технологий нужны только для решения специфических заданий и в "домашнем" компьютере вряд ли когда-нибудь понадобятся. Наличие же других является непременным условием работы программ, необходимых для повседневного использования.

Так, полюбившийся многим браузер Google Chrome не работает без поддержки процессором SSE2. Инструкции AVX могут в разы ускорить обработку фото- и видеоконтента. А недавно один мой знакомый на достаточно быстром Phenom II (6 ядер) не смог запустить игру Mafia 3, поскольку его процессор не поддерживает инструкции SSE4.2.

Если аббревиатуры SSE, MMX, AVX, SIMD вам ни о чем не говорят и вы хотели бы разобраться в этом вопросе, изложенная здесь информация станет неплохим подспорьем.

В кратких описаниях ниже упор сделан только на практическую ценность технологий. Пройдя по приведенным ссылкам, можно получить более подробные сведения о каждой из них.

MMX

Аббревиатура образована от MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Это набор инструкций процессора, предназначенных для ускорения обработки фото-, аудио- и видеоданных. Разработан компанией Intel, используется в процессорах с 1997 года и на момент внедрения обеспечивал до 70% прироста производительности. Сегодня вам вряд ли удастся встретить процессор без поддержки этой технологии. Подробнее.

3DNow!

Технология впервые была использована в 1998 году в процессорах AMD и стала развитием технологии MMX, значительно расширив возможности процессора в области обработи мультимедийных данных. Ее презентацию совместили с выходом игры Quake 2, в которой 3DNow! обеспечивала до 30% прироста быстродействия. Но широкого распространения 3DNow! не получила. Сейчас она заменена другими технологиями и в новых процессорах не используется. Подробнее.

SSE

Аббревиатура от от Streaming SIMD Extensions. SIMD расшифровывается как Single Instruction Multiple Data, что значит "одна инструкция - множество данных".

SSE впервые использована в 1999 году в процессорах Pentium ІІІ и стала своеобразным ответом компании Intel на разработанную компанией AMD технологию 3DNow!, устранив некоторые ее недостатки. SSE применяется процессором, когда нужно совершить одни и те же действия над разными данными и обеспечивает осуществление до 4 таких вычислений за 1 такт, чем обеспечивает существенный прирост быстродействия.

SSE используется огромным числом приложений. Процессоров без ее поддержки сегодня уже не встретишь. Подробнее.

SSE2

Этот набор инструкций был разработан компанией Intel и впервые интегрирован в процессоры Pentium 4 (2000 - 2001 гг.).

Поддержка инструкций SSE2 является обязательным условием использования современного программного обеспечения. В частности, без этого набора команд не будут работать популярные браузеры Google Chrome и Яндекс-браузер. На компьютере без SSE2 также невозможно использовать Windows 8, Windows 10, Microsoft Office 2013 и др. Подробнее.

SSE3

Набор из 13 инструкций, разработанный компанией Intel и впервые использованный ею в 2004 г. в процессорах с ядром Prescott. Позволяет процессору более эффективно использовать 128-битные регистры SSE.

Инструкции SSE3 заметно упростили ряд DSP- и 3D-операций. Практическая польза от них больше всего ощущается в приложениях, связанных с обработкой потоков графической информации, аудио- и видеосигналов. Подробнее.

SSSE 3

Сокращение от "Supplemental SSE3", что значит "Дополнительный SSE3". Это набор дополнительных инструкций процессора, внедренных компанией Intel в 2006 году в продолжение развития предыдущих наборов команд SSE. По сути, это был четвертый по счету набор инструкций SSE. Но в Intel решили иначе, возможно, посчитав его лишь незначительным дополнением к предыдущему пакету.

Инструкции SSSE3 необходимы для нормальной работы многих современных приложений, в частности программ распознавания речи, используемых алгоритм DNN (Deep Neural Network). Подробнее.

SSE 4.1

Набор инструкций, разработанный компанией Intel. Используется в процессорах с 2006 года.

SSE 4.1 в значительной степени повышает эффективность процессора при компиляторной векторизации обработки данных, работе с трехмерной графикой и в играх, обработке изображений, видеоинформации и другого мультимедийного контента. Подробнее.

SSE 4.2

Набор инструкций процессора, включающий 7 команд обработки строк, подсчета CRC32 и популяции единичных бит, а также работы с векторными примитивами. Впервые использован компанией Intel в 2008 году.

На практике инструкции SSE 4.2 повышают производительность при сканировании вирусов, поиска текста, строковой обработки библиотек (ZLIB, базы данных и др.), обработки 3D информации. Подробнее.

SSE4A (SSE128)

Набор инструкций, используемый в процессорах AMD с 2007 года. Включает всего 4 команды (инструкции, ускоряющие подсчет числа нулевых/единичных битов, комбинированные инструкции маскирования и сдвига, а также скалярные инструкции потоковой записи).

Аналогичные инструкций есть также в наборе SSE 4 (4.1, 4.2.) от Intel, который является значительно более эффективным (в общей сложности 54 инструкции), см. выше. Подробнее.

AES

Расширение системы команд процессора, разработанное в 2008 году компанией Intel с целью ускорения работы и повышения уровня защищенности программ, использующих алгоритм шифрования AES (Advanced Encryption Standard).

В США и некоторых других странах AES является официальным стандартом шифрования. Используется операционной системой Windows и многими популярными программами для защиты конфиденциальной информации (The Bat!, TrueCrypt и др.). Если процессор поддерживает инструкции AES, прирост производительности приложений, использующих этот алгоритм, может достигать 1200 %. Подробнее.

AVX

Аббревиатура образована от Advanced Vector Extensions. Это расширение системы команд процессора, разработанное компанией Intel в 2008 году. Оказывает большое влияние на мультимедийные и вычислительные возможности процессора.

Кроме набора новых инструкций, эта технология предусматривает двукратное увеличение размеров SIMD-регистров процессора, благодаря чему в интенсивных вычислениях за каждый такт он может обрабатывать до 2 раз больше информации.

Значительный прирост производительности наблюдается при работе с фото-, видеоконтентом, решении научных задач и др.). Но для этого требуется также использование соответствующей операционной системы и адаптированного программного обеспечения. В Windows поддержка AVX появилась, только начиная с Windows 7 SP1. Подробнее.

AVX 2

Набор инструкций, ставший развитием технологии AVX. Впервые использован в 2013 г. в процессорах Intel на ядре Haswell.

Практическая польза для рядового пользователя - прирост производительности при работе с видео, фотографиями, звуком, а также с программами, использующими алгоритмы распознавания голоса, лиц, жестов (при условии использования соответствующего программного обеспечения). Подробнее.

FMA

Набор инструкций процессора, ускоряющий операции умножения-сложения чисел с плавающей запятой. Аббревиатура FMA образована от англ. Fused Multiply-Add, что переводится как умножение-сложение с однократным округлением.

Операции умножения-сложения очень распространены и играют важную роль в работе вычислительной техники. Особенно, когда речь идет о цифровой обработке аналоговых сигналов (двоичное кодирование видео, звука и другие подобные операции). В связи с этим, поддержка инструкций FMA внедрена не только в центральные процессоры, но и в графические процессоры многих современных видеокарт. Подробнее.

NX (XD), EVP

Технологии NX (XD) и EVP, не смотря на разные названия, являются одним и тем же - важным компонентом любого современного процессора, обеспечивающим повышенную защиту компьютера от вирусов и хакерских атак, основанных на механизме переполнения буфера.

Названия NX (No Xecute) и XD (eXecute Disable) характерны для процессоров Intel. EVP (Enhanced Virus Protection) - для процессоров AMD. Подробнее.

AMD64, Intel64

AMD64, Intel64, EM64T, x86-64, x64, Hammer Architecture - все эти термины обозначают одно и то же - 64-битную архитектуру центрального процессора, разработанную и внедренную в 2003 году компанией AMD. До этого процессоры были 32-битными.

Для обычного пользователя главным преимуществом 64-битного процессора является возможность использования в компьютере 64-битного программного обеспечения и большого объема оперативной памяти (теоретически, до 16777216 терабайт). Максимальное количество оперативной памяти, которое может адресовать 32-битный процессор - 4 ГБ. Подробнее.

XOP

XOP (от англ. eXtended operation - "расширенная операция") - это набор инструкций микропроцессора, повышающих его быстродействие при работе с мультимедиа, а также при решении научных задач.

Инструкции XOP впервые использованы в 2011 году в процессорах AMD архитектуры Bulldozer. В этот набор входит несколько различных типов векторных инструкций, большинство из которых являются целочисленными. Однако, есть среди них также инструкции для перестановки чисел с плавающей запятой и инструкции экстракции дробной части. Подробнее.

HT, SMT

В процессорах Intel технология многопоточности называется Hyper-Threading (HT), в процессорах AMD - Simultaneous MultiThreading (SMT).

Кроме названий, эти технологии отличаются еще и многими аспектами реализации. Однако, суть их одинакова. HT и SMT повышают эффективность использования вычислительных возможностей процессора (в среднем, на 20 - 30 %) за счет параллельного выполнения каждым его ядром двух потоков вычислений. Подробнее.

Аппаратная виртуализация (VT-x, VT-d, AMD-V)

Аппаратная виртуализация значительно расширяет возможности работы компьютера с виртуальными машинами, позволяя использовать гостевые операционные системы изолировано от основной (хостовой) системы.

Кроме того, появляется возможность "проброса" в гостевую систему устройств ввода-вывода, подключаемых к компьютеру через шину PCI и некоторые другие шины (видеокарты, звуковые карты, сетевые адаптеры и др.). Подробнее.

Turbo Boost, Turbo Core

Turbo Boost и Turbo Core - похожие по своей сути технологии, автоматически повышающие тактовую частоту процессора выше номинальной, когда в этом есть необходимость. Turbo Boost используется в процессорах Intel, Turbo Core - в процессорах AMD. В целом, они обеспечивают значительный прирост быстродействия в большинстве приложений.

Несмотря на одинаковое предназначение, Turbo Boost и Turbo Core существенно отличаются. Подробнее.

TXT

TXT (англ. Trusted eXecution Technology - технология доверенного выполнения) - разработанная компанией Intel и используемая в ее процессорах технология, обеспечивающая аппаратную защиту компьютера от вредоносных программ.

Это абсолютно новая концепция безопасности. В ее основе лежит эксклюзивное использование части ресурсов компьютера каждым конкретным приложением. Она охватывает практически все подсистемы компьютера: выделение памяти, мониторинг системных событий, связь чипсета и памяти, хранение данных, устройства ввода (клавиатура и мышь), вывод графической информации. Подробнее.

TSX

TSX (Transactional Synchronization eXtensions) - набор инструкций многоядерного процессора, разработанный компанией Intel, который повышает эффективность взаимодействия ядер между собой при осуществлении общего доступа к одним и тем же данным и, в конечном счете, увеличивает общую производительность компьютера. Подробнее.

SpeedStep, PowerNow!, Cool’n’Quiet

Принцип действия этих технологий состоит в автоматическом снижении частоты процессора, а вследствие - потребляемой им энергии и выделяемого тепла, в периоды, когда компьютер не выполняет никаких задач или когда сложность этих задач является незначительной.

Это особенно важно для мобильных устройств, расход заряда аккумулятора которых существенно уменьшается. В настольных системах самым ощутимым моментом является снижение шума системы охлаждения процессора. Подробнее.

MPX

Memory Protection Extensions - технология, обеспечивающая повышенную защиту компьютера от вирусных и других угроз, использующих механизм переполнения буфера.

Процессор получает возможность дополнительно проверять границы буферов стека и буферов кучи перед доступом к памяти, чтобы приложение, обращающееся к памяти, имело доступ лишь к той ее области, которая ему назначена. Вследствие этого хакеру или вредоносной программе становится значительно сложнее через память "подставлять" процессору свой код. Подробнее.

SGX

Software Guard Extensions (SGX) - набор инструкций, разработанный компанией Intel и используемый в ее процессорах, начиная с архитектуры Skylake.

SGX позволяет организовать защищённые участки кода и данных (так называемые "анклавы"), обеспечивающие высокий уровень защиты работающих с ними программ от вредоносных приложений и хакерских атак. Подробнее.

Intel SHA

Intel Secure Hash Algorithm extensions (SHA) - набор инструкций процессора, разработанных компанией Intel для ускорения работы приложений, используемых алгоритмы шифрования SHA. Включает 7 инструкций, 4 из которых ускоряют работу SHA-1, остальные 3 - SHA-256. Ускорение может составлять 150-200 % и более (в зависимости конкретного приложения).

Эти алгоритмы используются в системах контроля версий и электронных подписей, а также для построения кодов аутентификации. SHA-1 является более распространённым и применяется в самых разнообразных криптографических программах. Подробнее.

ACPI

Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) - стандарт, разработанный компаниями HP, Intel, Microsoft, Phoenix и Toshiba. Используется в компьютерной технике с 1996 года, постепенно дополняясь и совершенствуясь. Определяет общий подход к управлению питанием и обеспечивает взаимодействие между устройствами компьютера, его операционной системой и BIOS/UEFI в целях снижения уровня энергопотребления.

Стандарт ACPI предусматривает несколько режимов работы процессора. В зависимости от модели, они могут поддерживаться процессором в полном объеме или только какая-то их часть. Подробнее.

SMM

System Management Mode (SMM) - режим, при котором процессор приостанавливает исполнение любого кода (в том числе и операционной системы) и запускает специальную программу, хранящуюся в зарезервированной области оперативной памяти.

Процессор переводится в режим SMM не программным обеспечением, а после поступления сигнала, генерируемого при наступлении определенных событий специальными схемами материнской платы. Нужен для решения некоторых важных задач, таких как обработка ошибок памяти и чипсета материнской платы, защита процессора от перегрева путем выключения компьютера и др. Подробнее.

DFFS

Dynamic Front Side Bus Frequency Switching (DFFS) - одна из технологий снижения энергопотребления компьютерных систем. Она позволяет операционной системе компьютера, в зависимости от нагрузки, которую он испытывает, понижать частоту системной шины FSB, что влечет за собой также и снижение частоты процессора. Подробнее.

SenseMI

SenseMI - технология, разработанная компанией AMD и впервые использованная в процессорах серии Ryzen. Она представляет собой комплекс из нескольких взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих оптимальную производительность и энергоэффективность путем прогнозирования программного кода, а также динамического изменения частоты процессора в соответствии с решаемыми задачами в каждый конкретный момент времени (Smart Prefetch, Neural Net Prediction, Pure Power, Precision Boost, Extended Frequency Range).

Некоторые из упомянутых компонентов, по сути, являются усовершенствованными вариантами технологий, используемых в предыдущих моделях процессоров AMD. Подробнее.

AMD CoolCore

AMD CoolCore - технология, осуществляющая временное отключение неиспользуемых блоков процессора в целях снижения энергопотребления и выделяемого им тепла. Впервые использована в процессорах Phenom. Подробнее.

AMD CoolSpeed

AMD CoolSpeed - технология, разработанная компанией AMD для защиты процессора от перегрева путем понижения частоты и напряжение питания. Подробнее.

AMD Enduro

AMD Enduro - технология, позволяющая переключать компьютер, оснащенный двумя графическими решениями, с одного устройства на другое, в зависимости от решаемых в конкретный момент времени задач. Поддерживается видеокартами AMD, а также гибридными (имеющими встроенное графическое ядро) процессорами этой компании.

Ценной Enduro является для мобильных компьютеров, поскольку позволяет существенно экономить заряд аккумулятора. Подробнее.

BMI, TBM, ABM

Bit Manipulation Instructions (BMI) - наборы инструкций, используемые в процессорах Intel и AMD для ускорения операций, связанных с манипулированием битами.

Операции манипулирования битами чаще всего используется приложениями, предназначенными для низкоуровневого управления устройствами, обнаружения и исправления ошибок, оптимизации, сжатия и шифрования данных. Использование BMI программами значительно ускоряет эти операции (иногда в несколько раз), однако, код программ становится более сложным для написания программистами. Подробнее.

DPM, DDPM

Dynamic Power Management и Dual Dynamic Power Management- технологии автоматического динамического изменения питания процессора. В совокупности с другими энергосберегающими технологиями, они значительно повышают его энергоэффективность, снижая уровень питания в периоды простоя или незначительных загрузок и повышая его, когда это необходимо. Подробнее.

SMEP, SMAP

Supervisor Mode Execution Prevention и Supervisor Mode Access Prevention - технологии, разработанные компанией Intel для защиты компьютера от хакерских атак и других угроз, использующих так называемый "режим супервизора". Подробнее.

F16C

F16C - набор инструкций, используемый в процессорах архитектуры x86 для ускорения преобразований между двоичными числами половинной точности (16 bit) и стандартными двоичными числами с плавающей запятой одинарной точности (32 bit).

F16C используется как в процессорах AMD, так и в процессорах Intel, значительно расширяя их возможности в плане работы с мультимедийными данными, а также данными других типов. Подробнее.