Евгений Рудометов 
 

Значительная часть интеллектуальной собственности компании Intel «куется» в ее научно-технических лабораториях — Intel Labs. Возглавляет Intel Labs вице-президент корпорации Джастин Раттнер (Justin Rattner). Ее подразделения расположены по всему миру. В этих подразделениях работают граждане многих стран. Сотрудники не связаны жестким подчинением с высшим руководством корпорации. В настоящее время исследовательские лаборатории находятся в более чем десятке крупных стран, расположенных в разных частях мира. В этих лабораториях трудятся около тысячи сотрудников. Они занимаются широким спектром различных разработок.

Подробности их функционирования, а также полученные результаты по вполне понятным причинам обычно не афишируется. Действительно, интеллектуальная собственность сегодня стоит больших денег.

Однако недавно завеса таинственности все-таки была приоткрыта, и компания пригласила представителей российских СМИ ознакомиться с деятельностью своего санкт-петербургского исследовательского подразделения. В мероприятии приняли участие ряд руководителей компании Intel и работающие в лаборатории специалисты.

Олег Семенов, директор по исследованиям Intel Labs St. Petersburg, в своем выступлении рассказал об организации и основных направлениях исследований, а также он сообщил о некоторых полученных результатах.

Подразделение Intel Labs в России было образовано в 2003 году в Нижнем Новгороде, в 2005 году оно переехало в Санкт-Петербург. Лаборатория Intel в Санкт-Петербурге — это целенаправленное научное подразделение Intel. Целью ее деятельности является широкий спектр научно-исследовательских работ, питающих бизнес-подразделения корпорации Intel различными научно-техническими идеями, а в некоторых случаях — и рабочими образцами.

За время существования лаборатории в Санкт-Петербурге ее сотрудниками было выполнено большое количество разнообразных научно-технических работ. Основные направления исследований:

• Методы обработки и кодирования сигналов для беспроводной связи (802.11n, 802.16e, UWB, WUSB) и 10 Gbit Ethernet (802.3 ap/an);
• Архитектура и программные инструменты для множественного радио (Multi-Radio);
• Полный цикл разработки – от идеи до прототипа.

В рамках работ, осуществляемых лабораторией в Санкт-Петербурге:

• Разработка (Wi-Fi +Wi-Max) экспериментального чипа на основе разработанного решения “Multi-Radio”,
• Обработка, сжатие видео и передача по беспроводным каналам.

О других разработках Intel Labs St. Petersburg —  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Возможности настольных и мобильных компьютеров в значительной степени зависят от характеристик центрального процессора (ЦП, процессор). Именно этот важнейший элемент выполняет команды системных и прикладных программ, обеспечивая решение разнообразных вычислительных и мультимедийных задач.

Остается добавить, что от скорости обработки этих команд, сравнительно сильно зависят возможности всей компьютерной системы.

Оценивая характеристики современных процессоров, необходимо отметить, что повышение их производительности уже несколько лет осуществляется в основном за счет увеличения числа ядер, а также за счет совершенствования полупроводниковых технологий и внутренней микроархитектуры. Это, кстати, касается моделей процессоров всех типов массовых компьютерных систем:

• настольных,
• мобильных,
• серверов.

По этому пути пошли все производители, включая компанию Intel, которая является одним из лидеров в области компьютерных и полупроводниковых технологий.

В разработке и производстве своих изделий компания Intel использует специальную стратегию развития, получившую наименование Tick-Tock. Она предусматривает поэтапное внедрение новых технологических процессов (техпроцессов) и новых микроархитектур. При этом каждая процессорная микроархитектура перед запуском в массовое производство отрабатывается сначала на текущем техпроцессе, а потом уже новый техпроцесс отлаживается на зрелой микроархитектуре процессорных ядер.

Рис. 1.  Эволюция техпроцессов и микроархитектур

Так, например, в соответствии с указанной стратегией Tick-Tock в 2006 году были представлены процессоры с микроархитектурой Core. На ее основе были выпущены линейки процессоров, получивших кодовое имя Merom и созданных по технологии 65 нм. Их сменили изделия, созданные по технологии 45 нм и получившие имя Penryn.

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

Каждая из разработок обладала своими особенностями, однако именно начиная с моделей линейки Westmere, процессоры к встроенному контроллеру памяти получили еще и интегрированную графику. А это означает перенос функций северного моста чипсета непосредственно в процессор. Как результат, переход от трехчиповой архитектуры компьютерных систем, предусматривающей использование с процессором еще и двух специализированных микросхем (двух микросхем чипсета), к двухчиповой — процессор и всего одной микросхемы чипсета (однокомпонентного чипсета).

Процессоры, созданные на основе указанных разработок, вышли на рынок под следующими именами:

• Intel Core i7,
• Intel Core i5,
• Intel Core i3.

Для недорогих же бюджетных решений были созданы и выпущены соответствующие недорогие модели процессоров:

• Intel Pentium,
• Intel Celeron.

Следующий этап развития процессорных микроархитектур и технологических процессов представлен  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Анализируя существующие темпы развития технических средств и темпы роста объемов накапливаемой информации, управление которыми требует адекватных решений, необходимо отметить, что новые серверные процессоры линейки Intel Xeon E5-2600 обеспечивают очень высокие показатели производительности.

Важно, что высокие показатели производительности процессоров Intel Xeon E5-2600 обеспечиваются при очень высокой эффективности на каждый ватт израсходованной энергии.

Относительная производительность  и  энергопотребление
серверных процессоров  Intel Xeon X5675  и  Intel Xeon E5-2660 

Кроме того, как отметили в своих кратких выступлениях специалисты Intel, в конструкции данных серверных процессоров реализованы такие инновации, как новая система ввода-вывода и эффективные аппаратные функции защиты.

Процессоры Intel Xeon E5-2600 поддерживают до восьми ядер и до 768 Гбайт системной памяти, обеспечивая в ряде случаев на 80% более высокую производительность по сравнению с процессорами Intel Xeon 5600 предыдущего поколения.

Серверный процессор Intel Xeon E5-2660

Некоторые подробности о средствах и технологиях, реализованных в Intel Xeon E5-2600, —  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3 
      

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 
 

 >>    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 4 
  

Перед рассмотрением улучшенного варианта технологии Intel Turbo Boost, следует напомнить, что в моделях предыдущих разработок, относящихся в семействам Nehalem (45 нм) и Westmere (32 нм), автоматическое повышение частоты работы ядер за счет активации технологии Intel Turbo Boost осуществлялось исключительно в пределах максимального энергопотребления, задаваемого параметром TDP.

Новый же вариант этой технологии, реализованный в моделях Sandy Bridge и получивший наименование Intel Turbo Boost 2.0,  предусматривает кратковременное превышение установленного ранее предела, определяемого значениями TDP.

Дело в том, что на практике процессор разогревается не сразу, и чтобы дойти из состояния покоя до ограничения теплового уровня, ему потребуется некоторое время.

Преимущество новой реализации заключается в том, что управление тактовыми частотами стало более интеллектуальным с ориентацией на реальные температуры процессорных узлов, а не только на их энергопотребление. Это означает, что 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 результате работы технологии Intel Turbo Boost 2.0 для некоторых моделей Sandy Bridge частота может подниматься на 40% от номинального (базового) уровня.

И конечно, еще одним способом увеличения производительности является для ряда моделей поддержка технологии Intel Hyper-Threading. Использование данной технологии позволяет удвоить число одновременно обрабатываемых потоков, что в большинстве случаев воспринимается операционной системой как удвоение числа ядер с соответствующим увеличением производительности.

Таким образом, у четырехъядерных процессоров с поддержкой технологии Intel Hyper-Threading информация обрабатывается восемью потоками. Операционная система воспринимает такие модели как восьмиядерные варианты.

Оценивая особенности микроархитектуры нового ЦП, следует напомнить, что у моделей Clarksdale, созданных в рамках семейства Westmere, компоненты распределены между двумя полупроводниковыми кристаллами, помещенными в единый корпус процессора (рис. 7). Такая топология упрощала и облегчала выпуск процессоров в период отработки технологического процесса и совершенствования внутренней микроархитектуры процессоров семейства Westmere, у которых кристалл с интегрированными контроллером памяти и интергрированными графическими средствами выполнялся по технологии 45 нм.  

Рис. 7.  Топология процессоров Westmere

У Sandy Bridge все узлы реализованы на едином полупроводниковом кристалле. При этом для соединения вычислительных ядер и L3-кэша была использована специальная разработка — кольцевая шина, которая позволила существенно сократить количество внутрипроцессорных соединений, необходимых для маршрутизации сигналов. Это положительно отразилось на производительности, обеспечив ее увеличение.

Cоответствующие изменения коснулись и встроенных видеосредств. В моделях Sandy Bridge они представлены двумя версиями графического ядра:

• Intel HD Graphics 3000, 
• Intel HD Graphics 2000.

У первого варианта насчитывается двенадцать исполнительных блоков, у второго — их всего шесть. При этом очевидно, чем больше число исполнительных блоков, тем выше производительность встроенных графических средств.

Как и у предшественников, в новинках используется аппаратное ускорение для декодирования MPEG, VC-1 и AVC, однако процесс этот теперь осуществляется существенно быстрее. В процессорах Sandy Bridge есть отдельный блок, занимающийся кодированием/декодированием видео.

Здесь необходимо отметить, что использование аппаратного ускорения с точки зрения энергоэффективности, как правило, гораздо выгоднее по сравнению с программными методами, да и производительность, как правило, значительно выше.

В следующей части  данной статьи продолжена тема встроенных видеосредств и модели Sandy Bridge для настольных и мобильных систем.
    

>>    Часть 6  
      

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 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 
 

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  
      

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  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Подтверждением реальности данных планов стала демонстрация работающих систем с 32 нм процессорами следующего после процессоров с кодовым наименованием Nehalem поколения, получивших кодовое наименование Westmere (рис. 2). Об этом объявили специалисты Intel на прошедшем Форуме.

Рис. 2. Ключевые особенности Westmere

Уменьшение размеров транзисторов при переходе на меньшие технологические (литографические) нормы приводит к уменьшению размеров кремниевых кристаллов, на которых размещаются все процессорные схемы. Это позволяет с одной пластины получать большее число кристаллов, являющихся основой процессоров.

Таким образом, пререход на новый техпроцесс, обеспечивает снижение себестоимости процессоров.

Процессоры Westmere поддерживают:

• технологию Turbo Boost,
• технологию Hyper-Threading,
• шифрование и дешифрование по алгоритму AES.

Следствием внедрения 32 нм технологии в процессостроение стала возможность объединения в едином корпусе процессорных ядер и GPU.

Учитывая изменения, произведенные во внутреннем устройстве процессоров Westmere,  по сравнению с решениями на Penryn упрощается проектирование компьютеров со встроенной графикой и уменьшается размер печатной платы при переходе от решений с Penryn к Westmere (рис. 3).   

Рис. 3. Эволюция архитектуры компьютеров от систем с Penryn к системам с Westmere

Остается добавить, что уменьшение размера транзисторов увеличивает скорость их срабатывания. Это положительно отражается на функциональных возможностях процессора, а следовательно, и всей компьютерной системы.

По официальным данным, эта величина возросла на 22%, что обеспечивает пропорциональный рост числа операций, выполняемых за единицу времени процессорными цепями, а следовательно, увеличивает общую производительность.

В следующей части  данной статьи приведены некоторые характеристики шестиядерного процессора, созданного по технологии 32 нм.
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов 
 

В конце сентября 2009 года в Сан-Франциско прошел IDF (Intel Developer Forum) — Форум Intel для разработчиков и специалистов электроники.

Представленные на этом Форуме Intel новейшие изделия и технологии заложили основу многих направлений. Они будут долгое время оказывать большое влияние на развитие не только отраслей индустрии, связанных с компьютерами и электроникой, но, учитывая значение современных информационных технологий, и на всю экономику большинства стран мира. 

Значение различных научно-технических школ, семинаров, конференций и симпозиумов, оказывающих большое влияние на развитие современных перспективных технологий, трудно переоценить. Участвуя в их работе, специалисты получают возможность ознакомиться с новейшими достижениями и оперативно обменяться знаниями. В дальнейшем они информируют о результатах и перспективах широкие слои общественности, заинтересованные в использовании новейших достижений на работе и в быту, стимулируя развитие соответствующих отраслей промышленности.

К числу подобных мероприятий, представляющих большое общественное значение, относится Форум Intel (далее просто Форум). На заседаниях Форума крупнейшие специалисты отрасли обсудили проблемы, достижения и перспективные направления развития существующих и будущих технологий.

Несколько лет назад компания Intel представила концепцию регулярного обновления полупроводниковых технологий и процессорных микроархитектур. Эта концепция получила наименование Tick-Tock.

Данная концепция предусматривает переход на новые технологии по нечетным и новые микроархитектуры — по четным годам, то есть каждые два года.

При этом каждая микроархитектура перед запуском в массовое производство отрабатывается сначала на текущем, хорошо отлаженном технологическом процессе (техпроцессе), а потом уже новый техпроцесс отлаживается на зрелой, хорошо отлаженной, тщательно оттестированной микроархитектуре процессорных ядер (рис. 1).

Рис. 1. Концепция Tick-Tock

В соответствии с этой стратегией в 2008 году Intel представила первые процессоры Intel Core i7 микроархитектуры Nehalem, созданные на основе техпроцесса 45 нм.

Ключевыми для конструкторов и пользователей стали:

• 4 ядра (кодовое наименование Bloomfield),
• отдельные для каждого ядра 256 Кбайт кэш-памяти L2 и общая кэш-память третьего уровня объемом 8 Мбайт,
• три канала встроенного в процессор контроллера подсистемы основной памяти DDR3,
• поддержка технологий многопоточной обработки данных (Hyper-Threading),
• автоматическое увеличение рабочих частот активных ядер (динамический разгон), обеспечиваемого технологией Turbo Boost.

Ядра, реализующие все это, были заключены в корпус с 1366 контактами (LGA1366).

В дальнейшем на основе накопленного опыта данной разработки были выпущены модели Intel Core i7 и Intel Core i5 в конструктиве LGA1156 (кодовое название Lynnfield).

Отличительными характеристиками являются:

• встроенный в процессор контроллер двух каналов оперативной памяти,
• встроенный контроллер шины PCI Express, используемой в ПК для подключения графических карт.

Для поддержки данных процессоров выпущен специальный чипсет Intel P55, состоящий только из одной микросхемы. Данный чипсет стал основой целого ряда материнских плат для высокопроизводительных компьютеров.

В соответствии с планами реализации концепции Tick-Tock опыт, накопленный в ходе выпуска и реализации 45-нм процессоров архитектуры Nehalem, позволяет постепенно перейти  к следующему этапу, который характеризуюется еще более тонкой литографией.

О перспективах и объемах предстоящих работ свидетельсьтвует, например, то, что к настоящему времени уже поставлено более 200 млн. процессоров, выполненных с соблюдением норм 45-нм техпроцесса.

Нет оснований сомневаться в снижении темпов и при выпуске 32-нанометровых чипов, ставших основой процессора Westmere.

В следующей части  данной статьи приведены некоторые характеристики процессора Westmere.
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

Итак, производительность процессоров, созданных по микроархитектуре Intel Core (Nehalem) была оценена в процессе тестирования с использованием материнской платы Intel DX58SO, модулей DDR3 и набора специальных программ.

На рис. 2 и рис. 3 приведены результаты выполнения стандартных тестов, учитывающих особенности стандартных прикладных программ, а также ряда популярных игр.

В тестах участвовали старшие (конечно, на момент проведения данного исследования) четырехъядерные модели процессоров линеек Intel Core i7 и Intel Core 2. Ими являются Intel Core i7 Extreme Edition 965  и  Intel Core 2 Extreme QX9770.

Рис. 3. Результаты выполнения тестов прикладных программ

Рис. 4. Результаты выполнения игровых программ

В заключение необходимо добавить, что перечисленным, конечно, не исчерпываются все особенности эволюции очередной микроархитектуры, получившей наименование Intel Core (Nehalem).

Сравнительно быстро после выпуска первых моделей, созданных по данной микроархитектуре, семейство процессоров Intel Core i7 получило расширение за счет появления двух-, четырех- (а в дальнейшем и шестиядерных) моделей для разных секторов рынка.

Остается добавить, что многоядерные настольные ЦП данной микроархитектуры в совокупности с соответствующими  мобильными и серверными моделями позволяют охватить все компьютерные секторы.

В дальнейшем в соответствии с концепцией Tick-Tock будет выполнен перевод моделей Intel Core i7 на технологию 32 нм. Это будет означать появление нового процессора с архитектурой Intel Core (Nehalem), известного под кодовым именем Westmere. А еще через год наступит очередь новой архитектуры и нового процессора — Sandy Bridge. 

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 3 
  

Информация о производительности инженерных семплов была проанализирована одним из аналитиков ресурса ZDNet. Соответствующие оценки представлены на Рис. 3.

Рис. 3. Оценка производительности процессоров

Как видно из представленных данных, в операциях с плавающей точкой Nehalem вдвое, а в целочисленных операция в полтора раза быстрее, чем Xeon X5482 (Harpertown).

Одной из причин такого прироста производительности является применение трехканального контроллера оперативной памяти DDR3 (три канала на каждый процессор).

Кроме того, использование технологии SMT (Symmetric Multi-Threading, симметричная многопоточность) позволяет Nehalem значительно увеличить число обрабатываемых потоков, что эквивалентно росту числа ядер.

Рис. 4. Эволюция техпроцессов и архитектур

Однако литографические процессы Intel не заканчиваются нормами 45 нм и микроархитектурой процессора Nehalem. Следующим технологичестким рубежом являются нормы 32 нм. 

Результатом применения технологии 32 нм является«сжатая» до 32 нм версия процессора Nehalem. Новый, улучшенный, 32 нм вариант получил наименование Westmere (ранее известный как Nehalem-C).

Далее в соответствии с планами Intel микроархитектуру Nehalem/Westmere сменяет  Sandy Bridge, и ее сменяет следующая разработка, «масштабированая» до норм 22 нм.

В дальнейшем и эта микроархитектура уступит место еще более совершенной разработке. В соответствии со стратегией “tick-tock” это произойдет в 2012 г.

Сегодня трудно сказать, какими новыми свойствами будут обладать 22 нм процессоры. Однако можно утверждать, что их производительность возрастет многократно, что соответствующим образом отразится на функциональных возможностях будущих компьютеров.  Как всегда, будущее покажет. Необходимо подождать, тем более, что ждать осталось не так долго.
    

>>    Часть 1