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 
  

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