Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Представленные новейшие серверные процессоры Intel Xeon E5-2600 поддерживают набор команд Intel Advanced Vector Extensions (Intel AVX). Этот набор существенно увеличивает скорость работы ресурсоемких приложений. В некоторых случаях этот рост может быть двухкратным.

Технологии Intel Turbo Boost 2.0, Intel Hyper-Threading и Intel Virtualization предоставляют дополнительные возможности для увеличения производительности.

Оценивая средства повышения производительности, реализованные в новейших серверных процессорах, необходимо отметить, что благодаря интегрированным функциям и реализованным технологиям серверные процессоры Intel Xeon E5-2600 установили 15 новых мировых рекордов для двухпроцессорных систем с архитектурой x86.

Мировые рекорды для двухпроцессорных систем с архитектурой x86

Необходимо отметить, что с учетом постоянно растущего объема трафика современные серверы должны обеспечивать не только очень высокую скорость вычислений, но и быстрее передавать данные для поддержки работы ресурсоемких приложений и увеличения пропускной способности центров обработки данных (ЦОД).

Семейство процессоров Intel Xeon E5-2600 решает эту задачу с помощью технологий Intel Integrated I/O (Intel IIO) и Intel Data Direct I/O (Intel DDIO).

Intel IIO позволяет переместить контроллер подсистемы ввода-вывода с отдельной микросхемы на системной плате непосредственно в процессор с поддержкой стандарта PCI Express 3.0 и технологии Intel DDIO. 

Intel DDIO позволяет ethernet-контроллерам и адаптерам Intel направлять трафик подсистемы ввода-вывода непосредственно в кэш-память процессора, сокращая объем передачи данных в системную память и уменьшая объем энергопотребления и задержку подсистемы ввода-вывода.

Процессоры Intel Xeon E5-2600 — это первые серверные процессоры, которые имеют контроллер подсистемы ввода-вывода с поддержкой спецификаций PCI Express 3.0, интегрированный непосредственно в состав процессора. Это позволяет уменьшить уровень задержки до 30% по сравнению с решениями предыдущих поколений. А поддержка PCI Express 3.0 позволяет до трех раз увеличить скорость перемещения данных.

Современные ЦОД должны не только обеспечивать высокую производительность, но и сокращать энергопотребление и операционные расходы. Семейство процессоров Intel Xeon E5-2600 позволяет сократить стоимость владения за счет повышения энергоэффективной производительности более чем на 50% по результатам теста SPECpower_ssj*2008 при сравнении с предыдущим поколением процессоров Intel Xeon 5600.

Кроме того, они поддерживают инструменты для контроля энергопотребления, включая приложения Intel Node Manager и Intel Data Center Manager, которые в режиме реального времени и с высокой точностью передают на консоли управления информацию об энергопотреблении систем.

Таким образом, ЦОД могут увеличить производительность и сократить капитальные затраты и расходы на программные лицензии.

А еще выпуск процессоров Intel Xeon E5-2600 подтверждает стремление Intel создать более защищенную аппаратную платформу для современных ЦОД.

Набор инструкций Intel Advanced Encryption Standard New Instructions (Intel AES-NI) позволяет оперативно зашифровывать и расшифровывать данные различных приложений и транзакций, а технология Intel Trusted Execution Technology (Intel TXT) помогает более надежно бороться с вредоносными атаками.

Все эти новейшие разработки совместно с ведущими приложениями позволяют защитить ЦОД от атак и масштабировать производительность в соответствии с текущими потребностями.

В следующей части  данной статьи — заключение.
    

>>    Часть 4 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

В новых процессорах, созданных на основе новой микроархитектуры (рис. 5), по-прежнему присутствуют по 32 Кбайт кэша инструкций и данных первого уровня (L1), а также  256 Кбайт кэша второго уровня (L2) у каждого ядра. Однако микроархитектура Sandy Bridge включает теперь еще и кэш инструкций нулевого уровня (L0). Он содержит до 1500 декодированных микроопераций. Теперь, если декодер обнаруживает во входном потоке команд находящиеся в кэше уже перетранслированные ранее инструкции, он сразу заменяет их на внутренние микрокоманды без нового декодирования. Наличие кэша результатов декодирования позволяет существенно разгрузить декодер, который является достаточно энергоемкой частью процессора. В результате указанная модификация внутреннего устройства ядер позволяет экономить энергию и повышает пропускную способность.

Рис. 5.  Топология полупроводникового кристалла Sandy Bridge 

Еще одним важным усовершенствованием является улучшение блока предсказания ветвлений. Это важно, так как неправильное прогнозирование ветвления приводит к необходимости остановки и полного сброса конвейера. В результате, ошибки предсказателя влекут за собой не только снижение производительности, но и необходимость дополнительных затрат энергии для повторного заполнения конвейера. Количество правильно прогнозируемых ветвлений выросло в Sandy Bridge по сравнению с предшественником более чем на 5 %, что с учетом высоких показателей предыдущих микроархитектур является очень значительным достижением.

На рис. 6 приведены основные характеристики Sandy Bridge — второго поколения Intel Core.

Рис. 6.  Основные характеристики второго поколения Intel Core 

Рассматривая реализованные в Sandy Bridge инновации и сравнивая их с предыдущей микроархитектурой, необходимо отметить, что изменения коснулись и блока переупорядочивания инструкций — одного из важнейших узлов современных процессоров. Следствием усовершенствований явились не только ликвидация лишних пересылок данных, но и устранение многократных дублирований содержимого регистров. Это существенно увеличило эффективность использования доступных ресурсов и повысило скорость обработки информации.

С целью повышения производительности был расширен и набор команд. Процессоры, созданные на основе новой микроархитектуры, являются первыми решениями с поддержкой улучшенных векторных вычислений Intel Advanced Vector Extension (Intel AVX) —256-разрядного набора инструкций к SSE. Intel AVX будут полезны для реализации целого ряда мультимедийных, финансовых или научных алгоритмов.

Принципиальное отличие новой разработки — Intel AVX от предыдущих наборов векторных инструкций семейства SSE заключается в увеличении разрядности операндов со 128 до 256 бит, так что для многих задач они дадут возможность обрабатывать большие объемы данных с меньшими затратами.

С целью дальнейшего повышения производительности модернизации подверглась и технология Intel Turbo Boost. Как и в предыдущих разработках, в случае загрузки не всех процессорных ядер она обеспечивает автоматическое увеличение тактовой частоты работы тех из них, которые остаются активными.

В следующей части  данной статьи приведено дальнейшее рассмотрение технологии Intel Turbo Boost, а также других инноваций, реализованных в Sandy Bridge.
    

>>    Часть 5  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

На основе новой микроархитектуры было объявлено о выпуске 29 моделей под кодовым именем Sandy Bridge, из которых 14 процессоров предназначены для настольных компьютеров и 15 — для мобильных ПК. 

Все они являются “наследниками” Westmere, оснащены двумя или четырьмя процессорными ядрами, а также встроенными контроллерами графических средства и оперативной памяти.

В названиях моделей сохранились привычные наименования Core i7/i5/i3. Но эти наименования дополнены соответствующими цифро-буквенными символами.

Новые процессоры получили цифру 2 в цифровом индексе. Обычно настольные варианты лишены буквенного суффикса. Тем не менее, в ряде случаев он присутствует: «К» указывает на разблокированный множитель, «S» — экономичные модели, «T» — еще более экономичные модели. Суффикс «М» — мобильная модель, «QМ» обозначает, что в данной мобильной модели 4 вычислительных ядра, «XМ» — экстремальная (Extreme Edition) мобильная модель, у которой в ущерб тепловыделению достигается максимальные уровни производительности.

В новых процессорах, созданных на основе новой микроархитектуры, по-прежнему по 32 Кбайт кэша инструкций и данных первого уровня (L1). Эта память, как и в моделях предыдущей разработки, дополнена 256 Кбайт кэша второго уровня (L2) у каждого ядра и общей для всех моделей кэш-памятью третьего уровня (L3). Но у моделей Sandy Bridge к этим двум уровням добавлен небольшой кэш инструкций нулевого уровня (L0), повышающий скорость обработки команд при существенно экономии энергию.

Еще одним важным усовершенствованием является улучшение блока предсказания ветвлений. Количество правильно прогнозируемых ветвлений выросло в Sandy Bridge по сравнению с предшественником более чем на 5 %.

С целью повышения производительности был расширен и набор команд. Процессоры, созданные на основе новой микроархитектуры, являются первыми решениями с поддержкой улучшенных векторных вычислений Intel Advanced Vector Extension (Intel AVX) —256-битного набора инструкций к SSE. Набор Intel AVX будет полезен для реализации ряда мультимедийных, финансовых или научных алгоритмов.

С целью дальнейшего повышения производительности модернизации подверглась и технология Intel Turbo Boost. Как и в предыдущих разработках, в случае загрузки не всех процессорных ядер она обеспечивает автоматическое увеличение тактовой частоты работы тех из них, которые остаются активными. Однако если раньше это осуществлялось в пределах максимального энергопотребления, задаваемого параметром TDP, то новый вариант этой технологии — Intel Turbo Boost 2.0  предусматривает кратковременное превышение установленного предела.  В тех случаях, когда процессор работает в благоприятных температурных условиях, его энергопотреблению разрешается выходить за границу, задаваемую параметром TDP,  связанным с микроархитектурными и конструктивными особенностями процессоров. В некоторых случаях частота может подниматься на 40% от штатной.

Еще одним резервом увеличения производительности является поддержка технологии Intel Hyper-Threading (для ряда моделей). Использование данной технологии позволяет удвоить число одновременно обрабатываемых потоков. Это в большинстве случаев воспринимается операционной системой как удвоение числа ядер. Таким образом, у четырехъядерных ЦП с Intel Hyper-Threading информация обрабатывается восемью потоками, что, как правило, благотворно отражается на производительности.

Оценивая особенности процессора Sandy Bridge, следует отметить, что в отличие от моделей Clarksdale (Westmere), все узлы реализованы на едином полупроводниковом кристалле.

Для соединения вычислительных ядер и L3-кэша была использована специальная разработка — кольцевая шина, которая позволила существенно сократить количество внутрипроцессорных соединений, необходимых для маршрутизации сигналов.

Соответствующие изменения коснулись и встроенных видеосредств. В моделях Sandy Bridge они представлены двумя версиями графического ядра: Intel HD Graphics 3000 и Intel HD Graphics 2000. У первого варианта насчитывается 12 исполнительных блоков, у второго — 6.

Как и у предшественников, в новинках используется аппаратное ускорение для декодирования MPEG, VC-1 и AVC, однако процесс этот теперь осуществляется существенно быстрее.

Из 14 новых процессоров для настольных решений только два оснащаются графическим ядром Intel HD Graphics 3000. При этом брлее мощный вариант предназначен для сравнительно высокопризводительных компьютерных систем, остальные 12 моделей, снабженные менее мощными средствами, представленными Intel HD Graphics 2000, ориентированы на массовые компьютеры.

Все десктопные модели Sandy Bridge обладают одинаковой базовой частотой графических  ядер. Однако благодаря технологии Intel Turbo Boost, реализованной и для  встроенных графических средств, в процессе их функционирования величина рабочей частоты изменяется.

И конечно, на результате будет сказываться также и мощность вычислительных ядер ЦП и объем кэш-памяти.

Здесь следует отметить, что одной из особенностей новой графики является прямой доступ к контроллеру памяти и совместное с вычислительными ядрами использование кэш-памяти третьего уровня. Все это реализовано благодаря кольцевой шине.

Важное изменение произошло и в части поддерживаемых дисплейных интерфейсов. Графическое ядро новых процессоров получит возможность использования HDMI версии 1.4, что расширяет возможности графических средств.

Для поддержки процессоров Sandy Bridge компания Intel предлагает соответствующие наборы микросхем системной логики — чипсеты.

В следующей части  данной статьи приведены особенности чипсетов, поддерживающих процессоры Sandy Bridge.
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

В качестве иллюстрации высокой производительности 32-нанометровых процессоров на Форуме была продемонстрирована система, сердцем которой явился шестиядерный процессор с кодовым именем Gulftown.

Данный процессор способен обрабатывать данные в 12 потоков (рис. 4).

Этот процессор может быть установлен во многие модели существующих материнских плат, разработанные на основе Intel X58, конечно, конечно, после соответвующего обновления программного кода BIOS.

Рис. 4. Смена топовой модели процессоров LGA1366

Необходимо отметить, что поставки 32 нм процессоров уже начались. Но  массовые поставки ожидаются в первом квартале 2010 года.

А после Westmere должен выйти следующий 32-нм процессор Intel, созданный уже по следующей после Nehalem микроархитектуре (рис. 1).

Данная разработка известна под кодовым наименованием Sandy Bridge. У одноименного процессора графическое ядро будет уже не просто в одном корпусе с вычислительным ядром, но интегрировано с ним уже на одном полупроводниковом кристалле.

Sandy Bridge будет поддерживать набор команд AVX для ускоренной работы с числами с плавающей запятой, обработки видео и сокращения времени выполнения приложений, интенсивно использующих вычислительные ресурсы, например, мультимедийных программ.

На Форуме были продемонстрированы системы на базе Sandy Bridge, на которых запускались различные приложения по работе с видео и 3D-графикой.

В этом году исполняется 40 лет одному из самых известных законов, определяющих развитие отрасли. В 1969 году Intel Гордон Мур (Gordon Moore), являющийся одним из основателей компании Intel, на основе доступных ему данных предсказал регулярное удвоение числа транзисторов в сложных микросхемах. Теперь это называется законом Мура (Moore’s Law).

Здесь следунт напомнить, каким образом произошло открытие данного закона. Оказывается, все было очень просто.

Журнал по электронике попросил Гордона Мура предсказать развитие полупроводниковой индустрии на следующие 10 лет. Необходимо отметить, что в то время микросхемы, доступные на рынке, содержали до 30 компонент на чипе. Однако в лаборатории был уже 60-компонентный экспериментальный чип. Гордон Мур выполнил экстраполяцию на период 10 лет и получил сформулированную выше закономерность, предсказывающую появление очень сложных чипов с несколькими десятками тысяч транзисторов.

Как оказалось, предсказание на несколько лет вперед темпа усложнения архитектуры электронных чипов оказалось намного более точным, чем кто-либо ожидал.

Рис. 5. Закон Мура

Остается напомнить, что все это стало возможным благодаря регулярным улучшением полупроводниковых технологических процессов.

В дальнейшем период смены технологий был откорректирован и определен в два года, и с удивительным постоянством соблюдается уже не один десяток лет.

Как следствие регулярного уменьшения масштабов, которыми оперируют инженеры, растет плотность размещения транзисторов: плотность размещения транзисторов удваивается каждые два года. А следствием этого процесса является возможность усложнять архитектуру процессоров.

Все зто стало возможным благодаря регулярной модификации полупроводниковых технологий.

В следующей части  данной статьи приведены некоторые планы по совершенствованию полупроводниковых техпроцессов и микроархитектур.
    

>>    Часть 4