Современные процессоры

Министерство образования и науки РФ

«Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

 

Электротехнический университет

 

 

 

 

 

Дисциплина «ЭВМ и периферийные устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

“Современные процессоры “

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ

2013

 

Intel выпускает все продукты по схеме «Тик-Так» (Tick-Tok): каждый тик — это появление нового техпроцесса и выпуск процессоров на нем, используя имеющуюся архитектуру, а каждый так — это появление новой архитектуры (второе поколение, если хотите). Такая схема с одной стороны позволяет оптимизировать существующие архитектуры и выжать из них максимум на втором этапе, а с другой — подготовиться к выпуску новой архитектуры. Весь цикл длится примерно 2 года, по году на каждую стадию.

До 2009 года картина выглядела следующим образом:

Penryn — кодовое название 45-нанометровой производственной технологии от компании Intel с использованием металлических затворов Hi-k без содержания свинца. Эта технология используется в семействе процессоров Intel Core 2 Duo. Эти процессоры основаны на архитектуре Core.  Таким образом, основой архитектуры Core были процессоры на ядрах Conroe, Allendale (урезанный Conroe), Wolfdale (урезанный Yorkfield) и Yorkfield. В этом случае Intel Core — это «так», а Penryn — это «тик».

Пришедшая на смену Core архитектура Nehalem, была  представлена в 4 квартале 2008 года и принесла большие изменения в настольную архитектуру: встроенный 2 и 3 канальный контроллер памяти DDR3, масштабируемую шину QPI, кэш 3 уровня. Самое же главное отличие с технологической точки зрения — интеграция всех 4 ядер в один кристалл, как у AMD. Техпроцесс старый, «пенруновский» — 45 нм.

В рамках этой архитектуры  создано 2 ядра: Bloomfield в исполнении LGA 1366 (Socket B) и Lynnfield в исполнении LGA 1156 (Socket H). Микропроцессоры продаются под торговой маркой Core i7 и Core i5 соответственно. Понятно, что в Lynnfield вместо шины QPI использовалась урезанная DMI, на что указывает меньшее число контактов в сокете. Интересно, что Core i5 выпускались только на ядре Lynnfield (всего 3 с маркировкой 7xx), а Core i7 — на обоих ядрах (маркировки Core i5-6xx, Core i7-8xx и Core i7-9xx). Все эта ядра производились год и, как и предполагалось по плану, уступили место «таку».

Для мобильных процессоров 45-нм ядро архитектуры Nehalem называлось Clarksfield. На его базе в 2009—2010 годах были выпущены процессоры Core i7-7xxM/8xxM/9xxM, всего 6 моделей.

«Тик»: 32 нм — как раз вовремя

Технологический барьер 32  нм необходимо было преодолеть обязательно. Ведь за этим скрывался рывок к новым возможностям кристаллов, которые ранее Intel планировала, но не могла использовать. Итак, через год в конце 2009 г. была представлена вторая реинкарнация Nehalem под названием Westmere, основанная на техпроцессе 32 нм. Она дала путевку в жизнь сразу всем сегментам рынка настольных и мобильных процессоров. На базе это архитектуры представлены ядра:

Clarkdale — для двухядерных процессоров Core i3 и Core i5 (пришли на смену ядру Wolfdale) — имеют интегрированное графическое ядро, LGA 1156.

Gulftown — для процессоров Core i7 — первые процессоры с числом транзисторов более 1 млрд.

Встроенное в Core i3/i5 графическое ядро, конечно достаточно слабое по сравнению с тем, что встроено в AMD A6/A8, работает на частоте 733 МГц и выполнено по техпроцессу 45 нм. Также, все эти процессоры поддерживают технологию Intel Turbo Boot — саморазгона процессора при условии незагруженности части ядер за счет изменения множителя базовой частоты тактового генератора (BCLK, равная 133 МГц). Сами процессоры появились в продаже только в первой половине 2010 года.

Потом в серийное производство вошел флагманский дизайн ядер данной архитектуры — Gulftown, он обладает шестью ядрами, двенадцатью потоками, 12 Мб общего кеша третьего уровня, системной шиной QuickPath Interconnect (QPI), но несмотря на это, его энергопотребление не превышает 130 Вт. Он требует сокет LGA1366 и набор системной логики Intel X58 Express. Фактически этот дизайн представляет собой полтора чипа с дизайном Bloomfield на одной подложке, произведенной с соблюдением норм 32-нм техпроцесса. Процессоры Core i7-970 и 980X были выпущены в середине 2010 года, в то время как 980 и 990X только через год. Это связано в тем, что в 2010 году Intel продолжала производить кристаллы Bloomfield (Core i7-930) и Lynnfield (Core i7-860S/870S/880), которые и так успешно лидировали на рынке. К тому же, был произведен один процессор для экстрималов с разблокированным множителем — 875K.

 

Справка: QPI является последовательной высокоскоростной двунаправленной (дуплексной) шиной. Ее ширина в каждую сторону (передача и прием) составляет по 20 бит (20 отдельных пар линий), при этом 16 бит отводится для передачи данных, две линии зарезервированы для передачи служебных сигналов и еще две — для передачи кодов коррекции ошибок CRC. C учетом еще двух пар линий, используемых для синхронизации сигналов (одна на прием и одна на передачу), получаем, что шина QPI состоит из 42 пар линий, то есть является 84-контактной. Теоретическая пропускная способность шины QPI составляет 25,6 Гбайт/с, хотя такая единица измерения, как гигабайт в секунду (Гбайт/с), не используется в качестве характеристики QPI-шины. Вместо этого применяется термин «трансферы в секунду» — количество передач запакетированных данных по шине в секунду. В таких единицах измерения максимальная пропускная способность шины QPI составляет 6,4 GT/s.

DMI по своей идеологии аналогична QPI за исключением количества линий связи. Для связи процессора с чипсетом обычно используется 4 канала DMI (x4 link), обеспечивающих максимальную пропускную способность до 10 Гбайт/с для ревизии DMI 1.0 в каждом направлении, и 20 Гбайт/с для ревизии DMI 2.0, представленной в 2011 году. В бюджетных мобильных системах может использоваться шина с двумя каналами DMI, что в два раза снижает пропускную способность по сравнению с 4-х канальным вариантом.

Часто в процессоры, использующие связь с чипсетом по шине DMI, встраивают, наряду с контроллером памяти, контроллер шины PCI Express, обеспечивающий взаимодействие с видеокартой. В этом случае надобность в северном мосте отпадает, и чипсет выполняет только функции взаимодействия с платами расширения и периферийными устройствами. При такой архитектуре материнской платы не требуется высокоскоростного канала для взаимодействия с процессором, и пропускной способности шины DMI хватает с избытком.

 

Westmere добрался и до мобильных кристаллов. Для них было представлено ядро Arrandale. Причем, на базе него выпущены мобильные процессоры всех трех линеек — двухядерные Core i3/i5/i7 (вот развлечение то производителям и покупателям ноутов!). Частота GPU во всех снижена и может динамически варьироваться с пределах 166-500 МГц (ULV), 266-566 (LV), 500-766 МГц во всех остальных. В Core i3 поддержки Turbo нет, а Core i7 в отличие от настольной модели использует, как и прочие, шину DMI вместо QPI. Также, Core i3 имеют меньший по отношеню к остальным кэш L3 объемом 3 МБ и исполняются в корпусе PGA988. Остальные же изготавливаются в BGA-1288/Socket G1.

Также, стоит отметить, что все мобильные процессоры используют встроенный контроллер памяти DDR3-1066 против DDR3-1333, как у настольных собратьев.

 

Наводим мосты: Sandy Bridge и Ivy Bridge

Строго следуя своим часам, которые  «тикают и такают» раз в  год, в начале 2011 года Intel представила новую архитектуру Sandy Bridge. До конца 2011 года все процессоры были переведены на эту архитектуру. Несмотря на это не внушающее доверия название («Песочный Мост»), архитектура действительно революционна (вот уж где давно пора было Intel проявить мощь своего научного потенциала)!

Ни для кого давно не секрет, что половина успеха производительности процессоров — оптимизация программного кода с учетом архитектуры самих  процессоров. Это и учет длины  конвейера, и эффективность работы механизма предсказания ветвлений, и количество регистров, эффективность их использования в многоядерных системах. Понятно, что в большинстве задач ресурсы процессора (регистры, кэш) далеко не всегда эффективно загружены. В общем и целом, все сводится к тому, что эффективность работы того или иного приложения зависит напрямую от того, каким компилятором пользовались создатели, какой набор команд был задействован, особенно это касается мультимедиа софта. Кодерам необходимо писать новое ПО используя новые версии компиляторов и тулов от Intel, которые помогают найти «бутылочные горлышки» при выполнении кода.Так вот, существующая архитектура x86-совместимых процессоров изначально ограничивала возможности программистов по эффективному использованию ресурсов. И главное ограничение - сам набор и формат команд x86. Все один двухоперандные, то есть позволяют выполнять операции только с двумя операндами. 128-битных инструкций SSE4.2 уже давно не хватает — они поддерживали до 4 32×32 битных умножений за одну инструкцию; позволяли удобно выполнять скалярное произведение в массивах данных с одинарной и двойной точностью, что удобно при обсчете 3-мерных координат в играх, например, а также эффективнее работать с регистрами GPR (регистры общего назначения) или памятью и регистрами XMM, что было особенно полезно при векторизации изображений и работе с видео; также они значительно повысили эффективность работы с текстом. Но все эти команд упирались в структуру регистров и их разрядность. Каждый регистр XMM может содержать четыре 32-битных значения с плавающей точкой одинарной точности.

Впервые в Sandy Bridge Intel решилась на серьезное усовершенствование архитектуры x86-64 со времен SSE (напомню, в SSE было 16 128-битных регистров XMM0-XMM16). Компания представила новые 256битные инструкции и новая система их кодирования, названная Advanced Vector Extensions (AVX). Для этого разрядность регистров была также увеличена до 256 бит, которые названы YMM0-YMM15. Существующие 128-битные SSE инструкции будут использовать младшую половину новых YMM регистров, не изменяя старшую часть.

Набор AVX инструкций использует трёхоперандный синтаксис. Например, вместо a=a+b можно использовать c=a+b, при этом регистр a остаётся неизменённым. В случаях, когда значение a используется дальше в вычислениях, это повышает производительность, так как избавляет от необходимости сохранять перед вычислением и восстанавливать после вычисления регистр, содержавший a, из другого регистра или памяти. Для большинства новых инструкций отсутствуют требования к выравниванию операндов в памяти (выравнивание размещения операндов в памяти относительно адресов ими занимаемых). В целом, AVX предназначен для интенсивных вычислений с плавающей точкой в мультимедиа программах и научных задачах, особенно при работе с вещественными числами. Понятно, что это серьезное нововведение заметно только после перекомпиляции кодов с поддержкой AVX.

Вторым серьезным нововведением  стало появление кэша нулевого уровня L0, который предназначен для хранения декодированных микроопераций (МОП). Он должен увеличить производительность и энергоэффективность за счет буферизации всех МОП, полученных после преобразования инструкций x86. И если входной поток команд содержит совпадения с ранее декодированным, то результаты работы декодера загружаются сразу из кеша L0. При этом цепи декодеров, которые являются сложной и «прожорливой» частью x86 процессоров, выключаются. Емкость L0 – 1536 МОП, что эквивалентно 6 КБ кеша инструкций (L1) при размере команды 4 байта. По оценкам Intel, степень попадания в L0 составляет примерно 80 %, так что в его эффективности сомневаться не приходится.

Еще одна доработка, о которой  долго в этой статье рассказывать не буду — совершенствование GPU используется или Intel HD Graphics 2000 или 3000 и интеграция контроллера PCI Express 2.0 в единый кристалл CPU.

 

 

 

 

Номенклатура «мостов»

В 2011 году Intel выпустила огромное разнообразие процессоров на ядре Sandy Bridge во всех продуктовых линейках. Радует то, что компания не стала мудрствовать лукаво и не стала каждому семейству давать отдельное кодовое имя. Все процессоры используют разъем LGA1155 (ура!)

Все Core i3 имеют 2 ядра на кристалле, не поддерживают Intel Turbo, используют шину DMI 2.0. TDP от 35 до 65 Вт.

Обновленные Core i5 имеют 4 ядра (кроме 2390T), отличаются в два раза большим кэшем L3 — 6 МБ и включенной поддержкой Turbo. Как следствие, TDP у них лежит в пределах от 45 до 95 Вт.

 

 

 

 

 

C Core i7 все сложнее — здесь царит разнообразие.

Процессоры Core i7-2xxx имеют встроенное графическое ядро, которого у более производительных 3xxx нет. 2xxx семейство имеет кэш L3 объемом 8 МБ и потребляет до 95 Вт.Семейство 3xxx основано на усовершенствованном ядре Sandy Bridge-E. Отличается оно от младших моделей значительно: наличие 6 ядер вместо 4 в одном кристалле; отсутствие встроенной графики, новый разъем LGA2011 (Socket R); объем кэша так вообще в каждой модели разный — 10, 12 и 15 МБ. Кристалл имеет контроллер памяти с поддержкой до 4 каналов памяти. Кристаллы естественно получились большими и горячими — 2.27 млрд. транзисторов и TDP до 150 Вт у топовой модели Core i7 Extreme Edition 3970X!.

Многим интересно, что  же делать с уже устаревшими за всего  лишь за год топовыми 990x — неужели разница действительно ощутима? По набору тестов, в среднем, Core i7-3960X превосходит бывшего лидера Core i7-990X на ядре Gulftown на 15-20% (в синтетических тестах 3DMark11 разрыв в 36%), что значительно. Такой прирост в топовой производительности за год можно считать гигантским, что заставляет задуматься, а надо ли вообще сейчас то-то покупать до выхода более «холодной» Ivy Bridge-E, раз движение идет такими семимильными шагами?

Но и это еще не все: Sandy Bridge гораздо более плодовита. Также выпущено 9 моделей процессоров Pentium G6xx/G8xx и Celeron G4xx/G5xx. Все они, как и Core i3, не поддерживают Turbo, отличаются разной частотой GPU, объемом кэша L3 от 1 до 3 МБ и поддержкой разных стандартов частоты контроллера памяти. Pentium G8xx поддерживает DDR3-1333, все остальные — DDR3-1066. Причем, Celeron G4xx имеют всего 1 ядро — казалось бы, кому сейчас это надо, ведь даже у всех Atom всех 2 ядра 4 потока? Цель проста — снизить энергопотребление настольных процессоров до 35 Вт. Весьма спорный продукт для «стола», вроде бы бюджетные настольные системы и так уже тихие и холодные, а разница в цене между одно и двухядерным Celeron всего 5 у.е. На самом деле, замысел становится ясен после внимательного изучения линейки. Дело в том, что Intel сейчас не выпускает Celeron с TDP 45 W: следующий за 35-ватовым G465 сразу идет G530 с термопакетом 65 Вт, многовато для офисной печатающей машинки. Для этого и пришлось «отрезать» одно ядро. Хотя бы Hyper-Treading оставили, и то хорошо.

 

Мобильные и серверные  песочные мостики

 

Ситуация с мобильными Sandy Bridge аналогична настольным — они отличаются частотой, меньшим объемом кэша, меньшим числом ядер. Вообщем все сделано для уменьшения числа транзисторов и, следовательно, тепловыделения. TDP лежит в пределах от 17 (у Celeron и младших Core i3) до 55 Вт у Core i7 Extreme Mobile. На мой взгляд оптимальным соотношением производительности на Вт энергопотребления обладает Core i3 2367M @ 17 W  и Core i5 2435M @ 35W. Все мобильные процессоры, за исключением Celeron и Pentium, используют графическую подсистему Intel HD 3000 (с 12 универсальными процессорами).