Intel Pentium 4 c Hyper-Threading
Евгений Рудометов, Виктор Рудометов.
authors@rudometov.com
Статья основана на материалах книг "Устройство мультимедийного компьютера" и "Материнские платы и чипсеты"
Для высокопроизводительных процессоров с архитектурой NetBurst, фирма Intel разработала перспективную технологию Hyper-Threading. Созданная первоначально для серверных решений, эта технология обработки данных в мультипроцессороном режиме была недавно реализована в процессорах, ориентированных для сектора настольных компьютеров. Поддержка технологии Hyper-Threading осуществляется моделями процессоров, начиная с недавно объявленного Intel Pentium 4 c рабочей частотой 3,06 ГГц.
Cпустя 31 год после выпуска первого в мире процессора, был объявлен новый лидер среди процессоров. Этот процессор архитектуры NetBurst является наиболее мощным представителем линейки Intel Pentium 4. Он создан по технологии 0,13 мкм, имеет ядро Northwood, кэш-память второго уровня (L2) 512 Кбайт, рабочую частоту 3,06 ГГц, рассчитан на работу в системах с процессорной шиной 533 МГц (тактовая частота FSB 133 МГц, что обеспечивает частоту передачи данных 533 МГц) и ориентирован на рынок настольных компьютеров (Desktop).
Являясь наиболее производительной моделью, этот процессор воплотил в себе все новейшие достижения специалистов Intel. Эти достижения в совокупности с потенциалом, заложенным в архитектуру NetBurst, позволили достичь столь высоких тактовых частот ядра, а также шин кэш-памяти L2 и процессорной FSB.
Но ни для кого не секрет, что разработка высокочастотных изделий является чрезвычайно сложной задачей, требующей разрешения многочисленных научно-технических проблем.
Действительно, еще каких-нибудь два-три десятка лет назад такие рубежи считались недостижимыми для полупроводниковой техники на основе традицинного кремния, но даже для считавшегося его преемником арсенида галлия. Гигагерцевые частоты были подвластны только специальным приборам, не имеющим ничего общего с устройством полупроводниковых транзисторов и мало похожих на радиолампы. Такими приборами были устройства, созданные на основе элементов типа клистронов, магнетронов, различных ламп, созданных на эффекте бегущей волны, резонаторов и т. п.
И только планомерное совершенствование электронных технологий и архитектуры микросхем позволяли постепенно уменьшать величину элементов, увеличивать рабочие частоты и производительность полупроводниковых изделий, состоящих нередко уже из десятков миллионов элементов. А в ближайшей перспективе, как объявил на Форумах IDF CEO Intel Крейг Баррет, ожидается появление устройств созданных из миллиардов транзисторов и работающих на частотах, превышающих 10 ГГц. Это в сотни тысяч раз больше частоты первого процессора i4004, считавшегося в момент своего выпуска вершиной совершенства и пределом существовавшей тогда технологии.
Но каждый следующий мегагерц, а теперь и гигагерц, даются все труднее, несмотря на кажущуюся простоту и регулярность появления новых все более высокочастотных и более производительных моделей процессоров.
Однако частотный рост является не единственным средством повышения производительности. Специалисты постоянно предлагают новые пути и средства. Ими стали, например, реализация новых, дополнительных команд и даже групп команда типа MMX, SSE и SSE2. Другим путем является использование многочисленных конвейеров и даже нескольких арифметико-логических устройств, реализующих одновременное исполнение нескольких команд.
Все это вместе с ростом тактовых частот ядра и шин способствовало значительному росту производительности процессоров.
Следующим, логическим путем развития архитектуры процессоров стала бы реализация в составе одной микросхемы нескольких ядер, что позволило бы создавать сложные системы, выполняющие команды параллельно на уровне нескольких процессоров. Этот путь собираются выбрать некоторые крупные корпорации, занимающиеся разработкой и выпуском процессоров.
Однако, не рассматривая всех сложностей этого решения, необходимо признать, что данный путь ведет к значительному увеличению цены изделий, по крайней мере, на цену разработки, производства, тестирования и корпусировки второго ядра процессора.
Специалисты Intel избрали другой, альтернативный путь. Они тщательно проанализировали работу всех внутренних структур ядра процессора архитектуры NetBurst. В результате они обнаружили, как это, впрочем и ожидалось, что нагрузка на некоторые важнейшие узлы процессора является неравномерной. Как следствие, в отдельные моменты некоторые подсистемы ядра процессора оказываются загруженными далеко не на 100%. Более того, в ряде случаев наблюдается простой процессора компьютера, ожидающего новых команд и данных. Все это связано с особенностями выполнения задач. Реализовать резерв мощности процессора можно за счет загрузки его новыми задачами. При этом оказалось, что для этого требуется сравнительно небольшое усложнение архитектуры ядра, что незначительно увеличивает площадь ядра: примерно на 5%. Но это относительно дешевое решение позволяет значительно увеличить производительность процессоров без существенного усложнения их архитектуры, а главное — себестоимости.
Загрузка исполняющих модулей в случае использования одной (обозначено красным цветом, пустые циклы обозначены белым цветом) и двух задач(обозначено красным и синим цветами, пустые циклы обозначены белым цветом)
Перейти к разрелу Процессоры