Евгений Рудометов 
 

В своем процессорном бизнесе компания Intel использует стратегию развития полупроводниковых технологий и процессорных микроархитектур под названием Tick-Tock. Эта стратегия предусматривает поэтапное внедрение нового техпроцесса, затем новой архитектуры. При этом каждая микроархитектура перед запуском в массовое производство отрабатывается сначала на текущем техпроцессе, а потом уже новый техпроцесс отлаживается на зрелой микроархитектуре процессорных ядер.

Это стратегия реализуется уже несколько лет. В соответствии с ранее озвученными планами компания Intel выпустила очередную генерацию своих процессоров, известных как Sandy Bridge.

Все они являются «наследниками» Westmere, оснащены 2/4 процессорными ядрами, а также встроенными графическими средствами (встроенной графикой) и встроенным контроллером оперативной памяти.

В названиях моделей сохранились привычные наименования Core i7 / i5 / i3. Но в отличие от предшественников их наименования дополнены соответствующими цифро-буквенными символами.

Рис. 1.  Очередной этап стратегии Tick-Tock

Для поддержки своих процессоров Sandy Bridge компания Intel предлагает несколько чипсетов, которые ориентированы на разные сегменты рынка.

Первыми чипсетами, ориентированными на системы с процессорами Sandy Bridge, стали Intel P67 и Intel H67.

Первый из них — Intel P67, он предназначен для использования в паре с дискретными видеокартами. Он поддерживает распределение 16 линий контроллера PCI Express среди нескольких видеокарт и подойдет для энтузиастов.

Второй из них — Intel H67, он является единственным на момент выпуска первых предcтавителей Sandy Bridge чипсетом, предоставляющим возможности интегрированной графики, это удачный выбор для тех, кто хочет использовать преимущества интегрированного графического ядра.

Оба чипсета поддерживают 14 портов USB 2.0, но не поддерживают USB 3.0. Еще они поддерживают до шести портов SATA, два из которых могут работать со скоростью передачи 6 Гбит/с. И что интересно, ни один из чипсетов не поддерживает традиционную шину PCI.

Необходимо отметить, что новые процессоры в дополнение в своем наименовании Core i7/i5/i3 получили еще и цифру 2 в цифровом индексе.

Обычно настольные варианты лишены буквенного суффикса, тем не менее, в ряде случаев он присутствует:

• «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.

Процессоры Sandy Bridge используют новый интерфейс процессора — LGA1155. Он несовместим с LGA1156, используемым с процессорами Lynnfield и Clarkdale (однако, можно использовать прежние кулеры под LGA1156). Как результат, требуется смена материнской платы.

И все основные производители плат не остались в стороне от этого процесса. Среди них и компания Gigabyte, выпустившая под процессоры Sandy Bridge несколько линеек материнских плат, основой которых послужили перечисленные выше чипсеты.

В числе первых своих изделий компания Gigabyte предложила 14 моделей, среди которых на основе чипсета Intel P67 она выпустила 6 моделей, отличающихся функциональными возможностями.

Более подробно о материнских платах —  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Реализуя возможности микроархитектуры Nehalem, расширенные  достижениями современной полупроводниковой литографии, компания Intel создала несколько семейств процессоров. Они отличаются друг от друга не только числом ядер, но и особенностями конструкции полупроводниковых кристаллов, набором интегрированных контроллеров, а также реализованными фирменными и полупроводниковыми технологиями. В результате на рынке интеловских процессоров появились разные, а в ряде случаев и даже несовместимые по внешним интерфейсам модели, созданные на основе единой микроархитектуры Nehalem.

Оставляя в стороне семейство дорогих, высокопроизводительных процессоров, выполненных в стандарте LGA1366, необходимо отметить, что в рамках массовых изделий LGA1156 имеются разные по внутреннему устройству модели. Не касаясь деталей их можно разделить на два класса.

Первые —  процессоры Lynnfield. Их модели выпущены с двумя или четырьмя вычислительными ядрами, созданными по технологии 45 нм.

Вторые — процессоры  Clarkdale. Они обладают двумя вычислительными ядрами, выполненными по технологии 32 нм и дополненными интегрированными графическими ядрами.

Появление процессоров стандарта LGA1156 потребовало и выпуска соответствующих наборов микросхем системной логики (чипсетов), способных поддерживать все нововведения. До появления процессоров с интегрированной графикой с этой ролью вполне справлялся чипсет Intel P55. Но его возможностей оказалось уже недостаточно с моделями Clarkdale.

Это не означает, что материнские платы, созданные на основе Intel P55, не могут работать с такими моделями. Но такие платы не способны реализовать все возможности таких процессоров, оставляя пользователям единственную возможность – использовать видеокарты, созданные на основе дискретных элементов. Именно поэтому потребовались новые, более совершенные чипсеты.

Наборами микросхем, способными поддерживать встроенные в процессоры графические средства, стали однокристальные (однокомпонентные) чипсеты линейки H5x, к числу которых относятся Intel H55 и Intel H57. Они способны реализовать возможности как процессоров без графического ядра — Lynnfield (до 2 вычислительных ядер, встроенные контроллеры памяти и PCI Express для подключения видеокарт), так и процессоров со встроенным графическим ядром — Clarkdale (до двух вычислительных ядер, встроенные контроллеры памяти и PCI Express).

Итак, старшей моделью, обладающая максимальным набором функциональных возможностей, является однокомпонентный чипсет Intel H57 Express (H57). Ключевыми характеристиками данной модели являются:

• поддержка всех процессоров  с микроархитектурой Nehalem  и  с разъемом LGA1156;
• Интерфейс подключении к этим процессорам по шине DMI с пропускной способностью ~2 Гбайт/с;
• интерфейс FDI, через который передается обработанная процессором видеоинформация;
• 8 портов PCI Express x1;
• 4 слотов PCI;
• 6 портов Serial 3Gb/s;
• RAID 0, 1, 0+1 (10) и 5 с функцией Matrix RAID;
• 14 портов USB 2.0;
• MAC-контроллер Gigabit Ethernet и интерфейс (LCI/GLCI) для подключения PHY-контроллера;
• High Definition Audio 7.1;
• обвязка для низкоскоростной и устаревшей периферии, другие функции.

Однокомпонентный чипсет Intel H55 Express (H55) является младшим вариантом H57. Отличается от своего старшего прототипа отсутствием поддержки RAID, меньшим количеством портов ряда интерфейсов:

• 6  портов PCI Express x1;
• 12 портов USB 2.0.

Архитектура компьютера с чипсетом Intel H55 представлена на рис. 1.

Рис. 1.  Архитектура компьютера с чипсетом Intel H55

На основе чипсетов семейства H5x выпустили соответствующие изделия  все основные производители материнских плат.

В качестве недорогой, компактной материнской платы, созданной на основе однокомпонентного чипсета Intel H55, можно привести модель GA-H55M-UD2H, созданную и выпущенную компанией Gigabyte.

Материнская плата GA-H55M-UD2H, созданная на основе чипсета Intel H55, представлена  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Развитие архитектуры процессоров Intel привело к существенным изменением в устройстве их внутренних цепей, а также в их номенклатуре. 

В результате в составе линеек Intel Core i7/i5/i3, выполненных в стандарте LGA1156, в дополнение к моделям со встроенными контроллерами памяти и видео — процессоры Lynnfield (два или четыре вычислительных ядра, созданных по полупроводниковой технологии 45 нм), появились представители с интегрированными графическими ядрами — процессоры Clarkdale (два вычислительных ядра, созданных по полупроводниковой технологии 32 нм).

Расширение модельного ряда интеловских процессоров потребовало, конечно,  и выпуска поддерживающих их соответствующих наборов микросхем системной логики (чипсетов), способных обеспечить реализацию всех указанных нововведений.

С этой ролью в полной мере не мог справиться ранее выпущенный чипсет Intel P55, ориентированный на процессоры без интегрированных в их состав графических средств.

Это вовсе не означает, что материнские платы, созданные на основе чипсета Intel P55, не могут работать с моделями процессоров Clarkdale. Однако такие платы не способны реализовать все возможности таких процессоров.

Такие платы оставляют пользователям единственную возможность – использовать видеоадаптеры, созданные на основе дискретных электронных компонентах, центральным элементом которых традиционно является соответствующий видеочип. Кстати, производители таких видеочипов, подчеркивая их внутреннюю сложность, в последние годы назвают их графическими процессорами.

Итак, для поддержки процессоров, пришедших на смену изделиям Lynnfield, потребовались новые, более совершенные чипсеты,  способные реализовать все преимущества процессоров с интегрированными в их состав графических ядер.

Наборами микросхем, способными поддерживать встроенные в процессоры графические средства, стали однокомпонентные (однокристальные) интеловские чипсеты линейки H5x, к числу которых относятся Intel H55 и Intel H57.

Указанные чипсеты способны реализовать возможности как процессоров без графического ядра — Lynnfield (до 2 вычислительных ядер, встроенные контроллеры памяти и PCI Express для подключения видеокарт), так и процессоров со встроенным графическим ядром — Clarkdale (до двух вычислительных ядер, встроенный контроллер памяти, интегрированные графические средства, контроллер линий PCI Express для подключения внешнего видеоадаптера).

Совместимость процессоров Lynnfield и Clarkdale с системами, построенными на основе чипсетов P55 и H55/H57, иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1.  Процессоры и поддерживающие их чипсеты

Используя чипсеты Intel H55 и Intel H57, соответствующие изделия выпустили все основные производители материнских плат.

В качестве примера можно привести недорогую, компактную материнскую плату, созданную на основе однокомпонентного чипсета Intel H55, можно привести модель Gigabyte GA-H55M-UD2H (GA-H55M-UD2H).

Основные параметры и особенности конструкции материнской платы GA-H55M-UD2H,  созданной и выпущенной компанией Gigabyte, приведены  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 4 
  

После выхода на компьютерный рынок процессоров Clarkdale (32 нм ядро,  встроенные средства графики и контроллер памяти располагаются на 45 нм кристалле) и расширения линейки чипсетов пятой серии модельный ряд материнских плат также расширяется (Рис. 7).
    

Рис. 7.  Процессоры и чипсеты
    

Остается добавить, что кроме высокопроизводительных, функционально насыщенных моделей для Intel Core i7 и Core i5, компания Gigabyte продолжает развивать и другие линейки своих материнских плат, поддерживающих процессоры Intel Core 2 Duo/Quad. Основой этих плат являются чипсеты линеек Intel P45, P43, P41, P31 и аналогичные варианты со встроенными графическими средствами. В качестве примера моделей на данных чипсетах, созданных под процессоры  Intel Core 2 Duo/Quad, можно привести: GA-EQ45M-S2, GA-G41M-ES2H, GA-G41M-ES2L, GA-G31M-ES2C.

Необходимо отметить, что работа материнских плат связана с качеством используемых компонентов. К одним из важнейших относятся модули оперативной памяти. Именно поэтому компания Gigabyte тесно сотрудничает с крупнейшими производителями данных модулей. К их числу относится компания Kingston (оборот — $4 млрд.), выпускающая модули оперативной памяти различного типа и конструктива, карты флэш-памяти, накопители SSD и USB.

Компания Kingston выпускает модули DDR2-400/533/667/800/1066 и наращивает выпуск моделей DDR3 частотой 800 (6,4 Гбайт/с), 1066 (8,5Гбайт/с), 1333 (10,6 Гбайт/с), 1600 МГц (12,8 Гбайт/с). Улучшение технологии и ужесточение контроля позволили выпустить модули с пониженными уровнями электропитания: DDR2 — 1,8 В, DDR3 — 1,5 В. По сравнению с традиционными модулями, рассчитанными на напряжения 2,5 и 1,8 В, это обеспечило значительное снижение уровней энергопотребления и теплообразования.

В заключение данного обзора – достижения основных производителей материнских плат (Рис. 8).
    

Рис. 8.  Награды в России основных производителей материнских плат

В статье были использованы материалы книги: Рудометов Е.А. «Современное железо: настольные, мобильные и встраиваемые компьютеры» – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 464с.
    

>>    Часть 1 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 7 
  

Рассматривая возможности микроархитектуры Sandy Bridge, следует подчеркнуть, что производительности новых процессоров, как и ожидалось, оказалась выше предшественников: обычно на 10-20 %.

В некоторых тестах превышение над предшественниками может достигать и 40-50% при той же стоимости ЦП.

Оценивая все нововведения, реализованные в микроархитектуре процессоров Sandy Bridge, необходимо отметить, что они отразились и на таком важном для некоторой части пользователей явлении, как разгон (оверклокинг) — способности компонентов, в данном случае процессора, работать на повышенных частотах. Увы, но компьютерные поклонники форсированных режимов будут несколько разочарованы открывающимися перед ними нерадостными перспективами.

Дело в том, что как показывает тестирование, проведенное тестовыми лабораториями, разгон через увеличение внешней тактовой частоты пока ограничивается всего несколькими мегагерцами: от 100 МГц до примерно 105 МГц. Это не обеспечивает существенного прироста производительности, поэтому и не представляет особого интереса.

Тем не менее, и многочисленные энтузиасты компанией Intel не забыты. Для них она приготовила варианты процессоров, в наименовании моделей которых присутствуют суффикс «K». Данные модели допускают возможность разгона через изменение множителя, связывающего внешнюю тактовую частоту с частотой работы процессорных ядер. Вот этот метод позволяет значительно увеличивать производительность процессора Sandy Bridge. И действительно, уже появились сообщения, что благодаря разгону через множитель группе энтузиастов, использующих материнские платы, созданные на чипсете Intel P67, удалось существенно повысить частоту работы процессора — более 5 ГГц.

Аналогичным образом можно повысить производительность и встроенных графических средств. Сегодня это можно реализовать на материнских платах, созданных на чипсете Intel H67.

В дальнейшем Intel планирует расширить список чипсетов для Sandy Bridge. Среди них в 2011 году будет выпущен чипсет под названием Intel Z68, который позволит выполнять разгон и вычислительных ядер, и графического ядра на одной плате.

Остается добавить, что компания Intel собирается интенсивно внедрять модели Sandy Bridge во все компьютерные сегменты. Об этом свидетельствуют планы, представленные на рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10.  Планы выпуска новых моделей ЦП для настольных компьютеров (DC — двухъядерные модели, QC — четырехъядерные модели)

Рис. 11.  Планы выпуска новых моделей ЦП для мобильных компьютеров (DC — двухъядерные модели, QC — четырехъядерные модели)

В заключение следует отметить, что процессоры Sandy Bridge используют новый интерфейс процессора — LGA1155. Он несовместим с LGA1156, используемым с процессорами Lynnfield и Clarkdale, Однако с новыми ЦП можно применять прежние кулеры под LGA1156.

Итак, для пользователей, планирующих воспользоваться достоинствами микроархитектуры Sandy Bridge, потребуется обновить на только процессор, но и материнскую плату.
    

>>    Часть 1  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 6 
  

Для поддержки процессоров Sandy Bridge компания Intel в момент их объявления предлагает два чипсета для настольных компьютеров:

• Intel P67,
• Intel H67.

Первый чипсет, Intel P67, предназначен для использования в паре с дискретными видеокартами. Он поддерживает распределение 16 линий контроллера PCI Express среди нескольких видеокарт и подойдёт для энтузиастов.

Рис. 8.  Чипсет Intel P67

Второй, Intel H67, является единственным на момент объявления микроархитектуры Sandy Bridge выбором для тех, кто хочет использовать преимущества интегрированного графического ядра в настольных компьютерах.

Рис. 9.  Чипсет Intel H67

Оба чипсета поддерживают 14 портов USB 2.0, но не поддерживают USB 3.0. Еще они поддерживают до шести портов SATA, два из которых могут работать со скоростью передачи 6 Гбит/с.

Таблица 3. Основнык характеристики чипсетов Intel P67/H67 

И что особенно интересно, ни один из чипсетов не поддерживает традиционную шину PCI. Однако это не означает полный отказ от этой шины в компьютерных системах. Очевидно, что в случае необходимости производители материнских легко реализуют PCI с помощью специализированных микросхем, подключаемых к линиям PCI Express. Это же касается и других интерфейсов и функций, не поддерживаемых данными чипсетами.

В следующей части  данной статьи рассмотрены производительность, разгон и перспективы.
    

>>    Часть 8  
      

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 2 
  

В результате исчерпания ресурса дальнейшего роста производительности компания Intel решила существенно модифицировать микроархитектуру процессорных ядер, и на основе проделанной работы выпустить новые ЦП.

Это, кстати, предусматривает и упомянута выше стратегия регулярной модификации технологических процессов и процессорных микроархитектур, получившая наименование Intel Tick-Tock.

Эволюция процессорных микроархитектур представлена на рис. 3.  

Рис. 3.  Эволюция процессорных микроархитектур

Итак, как результат, дальнейшего развития техпроцессов и процессорных микроархитектур, осуществляемого в соответствии со стратегией Intel Tick-Tock, компанией Intel было сразу объявлено 29 моделей, объединенных под кодовым именем Sandy Bridge. При этом из объявленного набора 14 процессоров предназначены для настольных компьютеров и 15 — для мобильных ПК. Конечно, в дальнейшем число моделей будет увеличиваться, постепенно замещая модели предыдущих поколений.   

Оценивая очередные результаты эволюции процессорной микроархитектуры, необходимо отметить, что все они являются «наследниками» Westmere.

Новые модели оснащены двумя или четырьмя процессорными ядрами, а также встроенными графикой и контроллерами памяти, то есть как и в случае их предшественников в лице моделей Westmere.

Для подчеркивания преемственности разработок новая микроархитектура Sandy Bridge в ряде документов обозначается как 2-nd Generation Intel Core — второе поколение Intel Core.

Кроме того, в названиях новых моделей сохранились уже привычные наименования Core i7/i5/i3. Однако в обозначении новых моделей их дополнили соответствующими цифро-буквенными символами (рис. 4).

Рис. 4.  Пример обозначения новых моделей ЦП

Новые процессоры получили цифру «2» в цифровом индексе, который традиционно обозначает отличительный номер модели.

Обычно настольные варианты лишены буквенного суффикса. Тем не менее, в ряде случаев он присутствует. В этом случае он обозначает наличие дополнительных характеристик:

• «К» указывает на разблокированный множитель,
• «S» — экономичные модели,
• «T» — еще более экономичные модели,
• «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. 

Тема инноваций, реализованных в микроархитектуре Sandy Bridge, продолжена  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 4  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Семейство процессоров Westmere — это модели с еще большей интеграцией по сравнению с семейством Nehalem.

Повышение уровня интеграции стало возможным после внедрения полупроводниковой технологии 32 нм, сменившей техпроцесс 45 нм. В результате новые модели получили в дополнение к процессорному ядру и встроенному контроллеру памяти, что было опробовано в предыдущих разработках, представленных моделями Bloomfield, Lynnfield и Clarksfield, еще и интегрированную графику. Это обстоятельство означает окончательняй перенос основных функций северного моста чипсета уже непосредственно в процессор.

Линейка Westmere для массовых настольных решений представлена моделями с кодовым именем  Clarkdale.

Основные характеристики Clarkdal:

• технология 32 нм,
• шина DMI,
• 2 ядра,  4 потока (есть модели с 2 потоками),
• кэш-память объемом 4 Мбайт (есть модели с 3 Мбайт),
• встроенный контроллер двух каналов памяти DDR3,
• встроенный видеоконтроллер PCI Express 2.0 конфигураций 1х16 или 2х8,
• встроенные графические средства,
• разъем LGA1156.

Соответствующие двухъядерные модели, созданные для мобильных систем получили наименование Arrandale.

Основные характеристики Arrandale:

• технология 32 нм,
• шина DMI,
• 2 ядра, 2/4 потока,
• кэш-память объемом 2/3/4 Мбайт,
• встроенный контроллер двух каналов памяти DDR3,
• встроенный видеоконтроллер PCI Express 2.0 конфигураций 1х16 или 2х8,
• встроенные графические средства,
• разъемы PGA988 или  BGA1288.

К слову сказать, на основе накопленного опыта Bloomfield после освоения техпроцесса 32 нм были выпущены модели Golftown.

Эти модели, относящиеся к семейству Westmere, ориентированы на мощные компьютерные системы и по замыслу их создателей призваны заменить модели Bloomfield, созданные на основе технологии 45 нм.

Основные характеристики Golftown:

• технология 32 нм,
• шина QPI, 
• 6 ядер и 12 потоков,
• кэш-память объемом 12 Мбайт
• встроенный контроллер трех каналов памяти DDR3,
• разъем LGA1366.

На рис. 2 приведены сравнительные характеристики моделей Nehalem и Westmere.

Рис. 2.  Сравнительные характеристики моделй Nehalem и Westmere

Процессоры созданные на основе указанных разработок вышли на рынок под именами Intel Core i7, Intel Core i5, Intel Core i3, а также Intel Pentium и Intel Celeron. Данные модели подтвердили, как и ожидалось от них, свои высокие показатели производительности и энергоэффективности, превышавшие параметры предыдущих решений.

Однако, несмотря на их совершенство, конструкторы понимали, что внутренняя микроархитектура их ядер уже практически исчерпала ресурс дальнейшего роста производительности. Исчерпала ресурс даже с учетом всех усовершенствований топологии ядер и возможностями, открывшимися благодаря переходу от технологии 45 нм к 32 нм.

Следующий после Westmere этап развития процессорных микроархитектур представлен  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов 
 

Повышение производительности центральных процессоров (ЦП) уже несколько лет осуществляется в основном за счет увеличения числа ядер, а также за счет совершенствования их внутренней микроархитектуры и полупроводниковых технологий. Именно по этому пути пошли все производители, включая компанию Intel.

Компания Intel использует стратегию развития полупроводниковых технологий и процессорных микроархитектур под названием Tick-Tock.

Cтратегия Intel Tick-Tock предусматривает поэтапное внедрение сначала нового технологического процесса (техпроцесса), связанного с уменьшением размеров (уменьшением масштаба литографии) элементов на полупроводниковых кристаллах, составляющих основу процессорных ядер.

Следующий этап стратегии Intel Tick-Tock — это разработка и внедрение новой микроархитектуры.

Несколько этапов эволюции техпроцессов и микроархитектур представлено на рис. 1.

Рис. 1.  Стратегия Tick-Tock

Это означает, что в соответствии со стратегией Intel Tick-Tock каждая микроархитектура перед запуском в массовое производство отрабатывается сначала на текущем, хорошо отлаженном полупроводниковом техпроцессе. На следующем этапе уже на основе зрелой и уже хорошо известной во всех тонкостях микроархитектуре отлаживается новый и пока неотработанный во всех тонкостях полупроводниковый техпроцесс, который традиционно характеризуется меньшими размерами элементов. И далее процесс повторяется, то есть на отлаженном процессе создается новая, более совершенная микроархитектура.

Именно так, как описано выше, в соответствии со стратегией Intel Tick-Tock в 2006 году были представлены процессоры с микроархитектурой Core. На ее основе были выпущены процессоры семейства Merom/Conroe, созданных по технологии 65 нм, и семейства Penryn — 45 нм.

В дальнейшем пришла очередь микроархитектуры с кодовым именем Nehalem. На ее основе выпущены модели семейств Nehalem, созданные по технологии 45 нм, и Westmere — 32 нм (рис. 2).

Cемейство Nehalem представлено моделями для настольных ПК с кодовыми наименованиями Bloomfield, отличительным признаком которых является встроенный контроллер памяти, и Lynnfield — со встроенным контроллером памяти и встроенными видеоконтроллером.

Основные характеристики Bloomfield:

• технология 45 нм,
• шина QPI, 
• 4 ядра и до 8 потоков,
• встроенный контроллер трех каналов памяти DDR3,
• разъем LGA1366.

Основные характеристики Lynnfield:

• технология 45 нм, 
• шина DMI,
• до 4 ядер и до 8 потоков,
• встроенный контроллер двух каналов памяти DDR3,
• встроенный видеоконтроллер PCI Express 2.0 конфигураций 1х16 или 2х8,  
• разъем LGA1156.

Мобильным вариантом Lynnfield стали четырехъядерные модели Clarksfield, ориентированные на мощные ноутбуки.

В следующей части  данной статьи продолжена тема эволюция полупроводниковых технологий и микроархитектур процессорных ядер.
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

Модели Sandy Bridge, имеющие в своем наименовании суффикс «K», допускают возможность разгона через изменение внутреннего множителя, связывающего внешнюю тактовую частоту с частотой работы процессорных ядер.

В качестве примеров процессоров Sandy Bridge, допускающих разгон через изменение внутреннего множителя, можно привести модели  Intel Core i5-2500K  и  Intel Core i7-2600K. 

Вот этот метод позволяет значительно увеличивать производительность процессора Sandy Bridge.

И действительно, в Интернете уже появились сообщения, что благодаря разгону, осуществляемому через изменение множителя, группе компьютерных энтузиастов удалось существенно повысить частоту работы процессора Sandy Bridge – более 5 ГГц.

Необходимо добавить, что системы, созданные на указанных выше чипсетах Intel P67 / H67 допускают overclocking, однако системы с Intel P67 — только ядер процессора, с Intel H67 — только встроенных видеосредств.

Рис. 4. Архитектура системы с чипсетом Intel P67

Рис. 5. Архитектура системы с чипсетом Intel H67

В дальнейшем Intel планирует расширить список чипсетов для Sandy Bridge. Центральное место среди них занимает чипсет под названием Intel Z68, который, объединяя функциональные возможности Intel P67 / H67 и сохраняя все их достоинства, позволяет разгон и вычислительных ядер, и графического ядра.

В заключение следует отметить, что процессоры Sandy Bridge используют новый интерфейс процессора — LGA1155. Он несовместим с LGA1156, используемым с процессорами Lynnfield и Clarkdale. Как результат, требуется смена материнской платы.

В качестве небольшего утешения можно отметить, что имеется возможность использовать прежние кулеры под LGA1156.

Что же касается остальных компонентов, то при переходе с систем с процессорами LGA1156 на новые модели Sandy Bridge с LGA1155 значительную часть из них можно сохранить. Это относится и к модулям памяти DDR3, и к накопителям на жестких магнитных дисках, и видеоадаптерам. 
    

>>    Часть 1  
      

Евгений Рудометов 
 

Функциональные возможности компьютера зависят от слаженной и эффективной работы всех его компонентов. При этом главную роль среди них играет центральный процессор (ЦП), от скорости работы которого в значительной степени зависят возможности всей системы. 

Долгое время производительность ЦП наращивалась исключительно за счет роста тактовой частоты его полупроводникового ядра. Однако этот рост сопровождается увеличением энергопотребления и теплообразования. Поэтому повышение скорости обработки информации  производительности уже несколько лет осуществляется в основном за счет увеличения числа ядер, а также за счет совершенствования их внутренней микроархитектуры и полупроводниковых технологий.

Рис. 1. Эволюция технологий, микроархитектур и процессоров

Компания Intel, являющаяся крупнейшим производителем ЦП, использует стратегию развития полупроводниковых технологий и процессорных микроархитектур под названием Tick-Tock. Она предусматривает поэтапное внедрение новых  техпроцессов и новой микроархитектур.

В соответствии с этой стратегией в 2006 году были представлены процессоры с микроархитектурой Intel Core.

На ее основе были выпущена линейка процессоров Merom, созданных по технологии 65 нм, и Penryn — 45 нм.

В дальнейшем по микроархитектуре с кодовым именем Nehalem были выпущены линейки Nehalem (45 нм) и Westmere (32 нм).

Линейка Nehalem представлена моделями для настольных ПК двух кодовых наименований: Bloomfield и Lynnfield. При этом модели Bloomfield ориентирован на высокопроизводительные компьютерные системы, Lynnfiel — на массовые компьютеры.  

Линейка Westmere представлена моделями с кодовым именем  Clarkdale, созданными для массовых настольных решений.

Основными характеристиками Clarkdale являются: технология 32 нм, до 2 ядер и до 4 потоков, встроенные контроллер двух каналов памяти DDR3 и графические средства, шина DMI, разъем LGA1156. 

Процессоры, созданные на основе указанных разработок, вышли на рынок под именами Intel Core i7, Intel Core i5, Intel Core i3, а также Intel Pentium и Intel Celeron.

Данные модели подтвердили свои высокие показатели  производительности и энергоэффективности. Тем не менее, в соответствии с концепцией регулярного обновления микроархитектур и технологий компания Intel решила существенно модифицировать архитектуру процессорных ядер.

На основе новой микроархитектуры были выпущены новые процессоры с кодовым именем Sandy Bridge.

Рис. 2. Кристалл и процессор Sandy Bridge 

Подробности микроархитектуры процессоров Sandy Bridge приведены в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

Выпуск все более совершенных и функциональных процессоров стал возможен благодаря регулярной модификации полупроводниковых технологий.

В настоящее время компания Intel находится в завершающей стадии внедрения технологии массового производства с нормами 32 нм. Однако компания Intel уже опробовала опытный выпуск полупроводниковых чипов, созданных по нормам 22 нм. Ими традиционно стали чипы памяти SRAM.

Микросхемы SRAM, произведенные с применением техпроцесса 22 нм — это массив ячеек памяти емкостью 364 млн бит из 2,9 млрд транзисторов (рис. 6), где каждая ячейка SRAM занимает площадь 0,092 кв. мм. Это примерно вдвое больше плотности, достигаемых при работе с 32-нм техпроцессом.

Тестирование новых техпроцессов Intel на чипах памяти SRAM и соответствующей логической обвязке в рамках стратегии “тик-так” является шагом перед следующим этапом — выпуском процессоров с соблюдением этих норм производства.

Рис. 6. Пластина с чипами, произведенными по технологии 22 нм

Необходимо отметить, что переход на 22 нм нормы заключался в масштабировании разработок предыдущих поколений на новые, более тонкие нормы производства. Для нового техпроцесса пришлось разрабатывать сложнейшие многослойные фотомаски с фазовым сдвигом, применять иммерсионную (с погружением в жидкость) фотолитографию с двойным проходом и множество других инженерных ухищрений. В дополнение к этому пришлось значительно усовершенствовать сами транзисторы, в которых используются новые специальные материалы.

А первые процессоры согласно традиции появятся примерно через два года. К тому времени среди процессоров утвердится микроархитектура Sandy Bridge, а пока и в настольных, и в мобильных системах доминирующей останется микроархитектура Nehalem.

Первыми мобильными процессорами с микроархитектурой Nehalem стали соответствующие четырехъядерные модели, ранее известные под кодовым именем Clarksfield. Для их поддержки был выпущен чипсет — Mobile Intel PM55 Express Chipset.

А в 2010 году запланирован выход гибридных двухъядерных процессоров Arrandale, созданных по технологии 32 нм (таблица 1).

Таблица 1. Процессоры микроархитектуры Nehalem

Основные характеристики процессоров Arandale приведены  в следующей части  данной статьи. В этой же части рассмотрены некоторые тенденции, связанные с совершенствованием компьютерных комплектующих и узлов.
    

>>    Часть 5