Раздел I.34.3. Современные универсальные микропроцессоры 4.3.1. Микропроцессоры фирмы Intel
В отличие от Intel Celeron процессоры Intel Pentium III предназначены для использования в высокопроизводительных настольных компьютерах, рабочих станциях и серверах.
Процессы первого поколения этого семейства (Intel Pentium III 450 и Intel Pentium III 500) были анонсированы Intel в конце февраля 1999 года и имели следующие характеристики:
технология производства: 0,25 мкм;
ядро процессора: Katmai, разработанное на основе Deschutes (поздняя версия ядра процессоров Intel Pentium II) с добавленным SSE-конвейером для обработки 70 новых SSE-инструкций; напряжение питания 2В;
L1-кэш: объем — 32 Кбайт (16 Кбайт для данных + 16 Кбайт для инструкций);
L2-кэш: объем — 512 Кбайт, тактовая частота— половина тактовой частоты ядра, внешний (не интегрирован на одном кристалле с процессором, а выполнен на отдельных микросхемах, которые расположены на той же процессорной плате, что и микросхема процессора);
многопроцессорность: поддерживается до двух процессоров на одной системной шине;
идентификация: каждый процессор имеет уникальный 96-битный серийный номер, «прошитый» в нем во время изготовления, который может быть считан программными средствами. В случае нежелания пользователя «разглашать» серийный номер своего процессора возможность считывания его серийного номера может быть заблокирована на уровне BIOS с помощью утилиты Processor Serial Number Control Utility.
физический разъем: Slot 1;
исполнение: S. Е. С. С. — или S. Е. С. С-2-картридж.
Заметные и, безусловно, положительные изменения коснулись картриджа Pentium III (SECC2, использовался и в некоторых сериях Pentium II). Фактически, SECC2 — половинка обычного SECC, процессор закрыт им с одной стороны и радиатор охлаждения контактирует непосредственно с корпусом процессора. Лучшее охлаждение — лучшие возможности для разгона. Pentium III отлично разгоняется (увеличением частоты шины до 112 МГц и более) и в большинстве случаев достаточно стандартного напряжение питания ядра.
Фактически первые процессоры семейства Intel Pentium III на ядре Katmai мало чем отличались от предшествовавших им процессоров Intel Pentium II. Самое значительное отличие заключалось в появлении 70 новых SSE-инструкций, наличие которых, по идее, должно было увеличить производительность системы при обработке графики, аудио и видеопотоков, при работе с 3D-приложениями и программами распознавания речи, а также при просмотре содержимого Web-сайтов. Однако эти возможности не получили широкого распространения. Так что запуск в производство моделей Intel Pentium III 450 и Intel Pentium III 500 — в том виде, как это было сделано, — выглядел, скорее, как маркетинговый прием Intel в борьбе с AMD К6—2, чем как очередное реальное достижение в индустрии производства процессоров.
«Настоящие» же процессоры Intel Pentium III появились на рынке только 25 октября 1999 года, когда Intel анонсировал сразу 9 новых моделей этого семейства на ядре Coppermine с частотами от 500 до 733 МГц: Intel Pentium III 500Е, 533ЕВ, 550Е, 600Е, 600ЕВ, 650, 667, 700 и 733. В последствии к ним добавились еще Intel Pentium III 750, 800, 800ЕВ, 900 и 1,14 ГГц. Характеристики этих процессоров таковы:
технология производства: 0,18 мкм; 28 млн. транзисторов; ядро процессора: Coppermine с SSE-конвейером;
L1 кэш: объем — 32 Кбайт (16 Кбайт для данных +16 Кбайт для инструкций);
L2-кэш: объем — 256 Кбайт, тактовая частота равна тактовой частоте ядра, интегрирован на одном кристалле с процессором, поддерживает ЕСС-механизм обнаружения и коррекции ошибок при обмене данными с ядром процессора; в терминологии Intel такой 1 -2-кэш называют «Advanced Transfer Cache»; частота системной шины: 100 или 133 МГц, поддерживается ЕСС; напряжение питания ядра процессора: 1,65 В;
многопроцессорность: поддерживается до двух процессоров на одной системной шине;
идентификация: каждый процессор имеет уникальный 96-битный серийный номер, «прошитый» в нем во время изготовления, возможность чтения которого программными средствами можно контролировать на уровне BIOS с помощью утилиты Processor Serial Number Control Utility;
физический разъем / исполнение: Slot 1 / S. Е. С. С-2-картридж или Socket 370 / FC-PGA(Flip Chip Pin Grid Array) — микросхема.
Процессоры Intel Pentium III на ядре Coppermine существенно отличаются от ранних моделей на ядре Katmai – тут и производство по более совершенной 0,18-микронной технологии, и интегрированный кэш с уменьшенным в два раза объемом и возросшей в два раза тактовой частотой, и поддержка системной шины 133 МГц.
Судя по результатам тестов, которые приводит компания Intel, Coppermine процентов на двадцать быстрее первых Pentium III при той же тактовой частоте (что позволяет ему конкурировать в производительности с AMD Athlon). Этому способствуют несколько факторов. Во-первых, вышеупомянутая интегрированная кэш-память второго уровня объемом 256 Кбайт, работает на той же частоте, что и процессор. За счет этого она обеспечивает большую производительность, чем 512 Кбайт выделенного кэша в предыдущих моделях Pentium II/III, работающего на половинной частоте процессора.
Во-вторых, Intel наладила производство Coppermine уже по новой, 0,18-микронной технологии. Более совершенный технологический процесс позволяет уменьшить площадь кристалла, сократить тепловыделение и снизить себестоимость за счет того, что на одной кремниевой заготовке теперь размещается больше чипов. Кстати, задержки выпуска Coppermine и были, по словам Intel, обусловлены трудностями освоения 0,18-микронного процесса. Технологическая новизна Coppermine заключается также в том, что на кристалле появился дополнительный, шестой слой разводки проводников. Это усложняет производство, но позволяет сделать путь к каждому полупроводниковому элементу короче - тоже выигрыш. И, наконец, для эффективной работы на шине с частотой 133 МГц Intel усовершенствовала систему буферизации данных, поступающих в процессор, и внесла ряд других улучшений.
Чтобы не запутаться в многообразии процессоров Intel, можно запомнить, что 66 МГц внешней частоты — это параметр, присущий, пожалуй, только процессорам Celeron. И не важно, что на «разгоне» они выдерживают куда более высокие тактовые частоты по внешнему фронту— Intel намеренно занижает планку для Celeron, чтобы повысить привлекательность более дорогих Pentium III.
Новое поколение Celeron по привычке называют Coppermine 128 К, так как он основан на ядре Pentium III (Coppermine) и содержит 128 Кбайт кэш-памяти второго уровня; интегрированной на кристалле.
Единственным существенным отличием Celeron (Coppermine 128 К) от Pentium III остается «урезанный» размер кэша L2: 128 Кбайт против 256 Кбайт у Pentium III (Coppermine). Второе значимое приобретение Celeron на ядре Coppermine — это улучшенная логика кэша - Advanced Transfer Cache.
На ядро Celeron 600 МГц подается напряжение всего лишь 1,5 В, что на 0,1 В меньше, чем у Pentium III.
Как и у современных версий Pentium III (Coppermine) магистраль между кэшем L2 и ядром процессора у новых Celeron является 256-битной, а не 64-разрядной, как у более ранних версий Celeron. Такая разрядность обеспечивает пропускную способность 9,6 Гбайт/с на тактовой частоте 600 МГц.
Помимо переноса на Celeron большинства полезных характеристик Pentium III разработчики попытались исправить наиболее громкие тактические ошибки прошлых лет. И для начала избавились от серийного номера — заблокировали на аппаратном уровне. Объяснение такое: серийный номер может быть полезен в бизнес-приложениях, а для ПК начального уровня на базе Celeron оставлять его незачем.
Из-за применения 0,18–микронной технологии процессоры Coppermine отличаются от Celeron целым рядом характеристик — напряжением питания ядра, требованиям к стабильности питания и т. д. При использовании в "старой" (разработанной более чем полгода назад) плате нового процессора, в нем началась бы необратимая деградация изолирующего оксида кремния. Чтобы предотвратить такие последствия, у сокетных Pentium III и была сделана иная разводка ножек. Теперь они просто не запустятся в "старом" гнезде.
Но в новых, на тот момент, материнских платах и в новых переходниках Slot 1 — Socket 370, как уже говорилось, можно использовать и старые и новые Seleron-ы, а также Pentium III в корпусе FC-PGA, а в некоторых, даже CYRIX III—VIA.
В начале 2002 г компании удалось перевести Р6 на 0.13 мкм технологический процесс. Таким образом, на рынке появились первые экземпляры Pentium III Tualatin, которые по вполне понятным причинам имеют пониженное напряжение питания, уменьшенное тепловыделение и более высокие частоты: 1.13 ГГц, 1.2 ГГц и выше.
С выходом Tualatin, Intel смогла интегрировать на ядро процессора 512 Кб кэша второго уровня с улучшенной передачей данных (Advanced Transfer Cache). Pentium III-S поддерживает работу как минимум в двухпроцессорных конфигурациях. Появились и необходимые первые платы на VIA Appolo Pro133Т, например, Tiger 200T/230T от Туаn.
Практически никаких других серьезных нововведений по сравнению с Coppermine в архитектуру Intel не привнесла. Стоит отметить лишь присутствие реализованной ранее в Pentium 4 и приобретающей все большую популярность технологии Data Prefetch Logic.
На рынок выпущено всего три модели Celeron с 0.13 микронным ядром Tualatin: 1.2, 1.3, 1.4 ГГц, несмотря на то, что потенциал Tualatin наверняка позволяет работу и на более высоких частотах. С 2003 года линейка процессоров Celeron, основанных на 0.13 мкм ядре Tualatin-256, официально прекратила свое существование - компания Intel объявила о начале программы по прекращению выпуска Celeron с частотой 1.4 ГГц (системная шина - 100 МГц), последней модели в этой линейке.
Celeron на ядре Northwood, произведенные по 0.13-микронной технологии практически во всем походят на своих предшественников. Объем их кеш-памяти второго уровня останется равным 128 Кбайтам, а частота шины - 400 МГц. Celeron 2 ГГц так и оставался старшей моделью в этой линейке вплоть до конца 2002 года. Только в первом квартале 2003 года Intel выпустила следующий процессор в этом семействе, Celeron 2.1 ГГц. Во втором квартале 2003 года частота Celeron увеличится до 2.2 ГГц. Эти процессоры также будут основываться на ядре Northwood с L2-кешем 128 Кбайт. Важно, что эти Celeron-ы устанавливаются в те же материнские платы, что и Pentium 4 с современным Socket 478. Впоследствии, при удешевлении Pentium 4, можно будет просто заменить на него устаревший Celeron.
(i)Pentium 4
Архитектура Р6 практически изжила себя, и в конце ноября 2000 года Intel представила процессор Pentium 4 (кодовое название Willamette), архитектура NetBurst которого коренным образом отличалась от своей предшественницы Р6. Новый процессор позиционировался как высокопроизводительное настольное решение. На рынке серверов по-прежнему безраздельно царствовал Pentium III Xeon.
Основным отличием новой архитектуры от Р6 было еще большее увеличение конвейера — до 20 стадий, что позволило сильно нарастить частоту процессора без перехода на более "тонкий" техпроцесс. Pentium 4 Willamette изготовлялся по 0.18 мкм технологии, причем с алюминиевыми межэлементными соединениями, с контактами под Socket 423 (впоследствии появились Pentium 4 Willamette с с контактами и под Socket 478). Тактовая частота двух "первенцев" составляла беспрецедентные по тем временам 1.4 ГГц и 1.5 ГГц. Менее дорогая 1.3 ГГц версия появилась только в начале 2001 года. Затем появился Pentium 4 на новом 0.13-микронном ядре Northwood с контактами под Socket 478. Арифметико-логическое устройство данных процессоров работает на сверхвысоких частотах — они в два раза больше по сравнению с частотой ядра!
Кроме поддержки ставших традиционными инструкций ММХ и SSE, в Pentium 4 добавили еще 144 команды SSE2, ориентированные, в первую очередь, на работу с потоковыми данными. Подобно Pentium III, они также оперируют со 128-битными регистрами, но уже не только с четверками чисел одинарной точности, но и с любыми другими типами данных, которые умещаются в 128 бит. В результате получился некий симбиоз ММХ и SSE.
Поскольку процессор вышел и без того достаточно "объемным" — около 42 млн. транзисторов на площади в 217 кв. мм, что почти в два раза больше по сравнению с Athlon или Pentium III — поместить в него удалось далеко не все. Так, жизненно необходимый кэш первого уровня пришлось сильно уменьшить. Теперь он стал использоваться только для данных, а его объем сократился до 8 Кб. Для хранения инструкций появился отдельный L1 кэш (Trace Cache). L2 кэш не претерпел изменений — все те же 256 Кб при 256-битной шине, ведущей к ядру.
Напряжение питания процессоров Pentium 4 Willamette составляло 1.7 В. Такой кристалл мощностью около 50 Вт при потребляемом токе более 30 А рассеивал весьма внушительное количество тепла. Для систем на базе нового процессора приходилось покупать специальный корпус с достаточно мощным блоком питания со спецификацией АТХ 2.03 и с возможностью крепления полукилограммового медно-аллюминиевого радиатора.
На этом сложности не заканчивались. Кроме корпуса при переходе с Pentium III на Pentium 4 пользователю пришлось бы поменять еще и плату — Willamette изготовлялся в конструктиве FC-PGA 423, который никак не совместим с Socket 370. Поначалу даже не было никаких альтернатив, на рынке присутствовала единственная материнская плата Intel D850GB для Pentium 4. В ней использовался чипсет i850. Кроме того, данный набор системной логики поддерживал только RDRAM — наиболее дорогую и дефицитную оперативную память.
Нет ничего удивительного в том, что для Pentium 4 понадобились принципиально другие платы и чипсеты. Взять хотя бы потребность новой архитектуры в гораздо большей пропускной способности системной шины. Разработчики позаботились об этом в полной мере, создав специальную Quad Pumped шину, работающую на частоте 400 МГц. Конечно, частота реального сигнала в ней прежняя - 100 МГц, просто за такт передается в 4 раза больше информации. Пропускная способность Quad Pumped в три раза превосходит пропускную способность 133 МГц шины для Pentium III и составляет ни много, ни мало - 3.2 Гб/ с. Кстати, сейчас уже появилась шина 533 МГц (133 МГц 4) с пропускной способностью 4.26 Гб/с.
Примерно через год прирост по частоте для Pentium 4 составил почти 50 %, процессоры сильно подешевели, и появились платы на базе i845 с поддержкой сверхдешевой SDRAM. Более того, с 2002 г. Intel начала массовые поставки чипсета i845 B-step, работающего с гораздо более перспективной DDR SDRAM.
С выходом 0.13 мкм Pentium 4 Northwood, разрешилась и проблема с тепловыделением. Кроме экстремальной на сегодняшний день частоты, положительно на производительность Northwood повлиял и возросший до 512 Кб объем L2 кэша. Первые процессоры Pentium 4, основанные на новом 0.13 мкм ядре Northwood имели в названии индекс А. Например, это Pentium 4 2А, работающий на частоте 2 ГГц, имеющий кэш второго уровня 512 КБ и упакованный в тот же самый 478-контактный FC-PGA2 корпус, что и его предшественники для Socket 478, основанные на 0.18 мкм ядре Willamette.
(ii)Новые процессоры от фирмы Intel
Фирма Intel, в конце 2002 года выпустила процессор Pentium 4 3.06 ГГц на основе технологии Hyper-Threading. Технология Hyper-Threading уже использовалась Intel в линейке серверных процессоров компании - Хеоn, а в настольные процессоры, как предполагалось ранее, она должна была прийти одновременно с выходом CPU с 0.09-микронным ядром Prescott.
Технология Hyper-Threading представляет собой сравнительно недорогой с точки зрения увеличения площади процессорного ядра способ увеличения производительности процессоров. Технология Hyper-Threading - это идеологически иной подход, требующий поддержки со стороны операционной системы и программного обеспечения, другими словами, дополнительных усилий со стороны программистов.
Как известно, в общем случае производительность процессора складывается из двух составляющих - из тактовой частоты процессора и числа инструкций, исполняемых им за такт. Архитектура Pentium 4 изначально была предназначена для достижения высоких тактовых частот, так в этом процессоре используется чрезвычайно длинный по современным меркам 20-ступенчатый конвейер. Благодаря этому частоты Pentium 4 растут, однако производительность этих CPU остается сравнимой со скоростью Athlon XP с гораздо меньшими тактовыми частотами. Объясняется это тем, что, во-первых, Athlon XP имеет большее число исполнительных модулей, работающих параллельно, а во-вторых, гораздо быстрее восстанавливает свой 10-ступенчатый конвейер после неправильных предсказаний переходов.
Основная проблема увеличения производительности современных процессоров заключается в том, что число исполняемых за такт инструкций растет не пропорционально числу исполняемых модулей в процессоре, а гораздо медленнее. В частности, хотя Pentium 4 и содержит четыре параллельных блока для операций с целыми числами, два блока для работы с вещественными числами и два блока для работы с памятью, одновременно все эти ресурсы практически никогда не используются. В подавляющем большинстве случаев существенная часть процессора простаивает либо в ожидании данных, либо из-за ее ненужности при исполнении очередной операции. Если с простоями при отсутствии данных еще можно как-то бороться, наращивая объем кэш-памяти, то загрузить весь процессор целиком при существующей концепции последовательных вычислений никак не получится. Например, если уж программа выполняет сложение целых чисел, блоки операций с вещественными числами задействованы не будут ни при каком раскладе. В итоге, получаем достаточно печальную картину: большинство существующих х86 программ использует одновременно не более 35% исполнительных устройств процессора Pentium 4.
Именно этому факту и обязана своим появлением технология Hyper-Threading. В настоящее время, рынок полностью завоевали многозадачные операционные системы, идеология которых построена на одновременном существовании нескольких вычислительных потоков (threads), относящихся к одному или разным активным приложениям, либо к самой операционной системе. Если на многопроцессорных системах эти потоки могут выполняться одновременно (по одному на процессор), то в однопроцессорных системах CPU вынуждены непрерывно переключаться между потоками, квантуя процессорное время между исполнением их различных частей.
Таким образом, если разрешить процессору одновременное выполнение более чем одного потока, его мощности можно загрузить более эффективно. Именно в этом и состоит основная идея Hyper-Threading. Благодаря технологии Hyper-Threading один физический процессор воспринимается операционной системой и приложениями как два логических процессора. Соответственно, операционная система и приложения предполагают, что CPU с технологией Hyper-Threading может одновременно выполнять два потока и загружает такой процессор работой гораздо сильнее.
Сам же процессор при этом подвергнут лишь незначительным изменениям и использует для выполнения второго потока свои простаивающие ресурсы. То есть, Hyper-Threading - суть технология для увеличения коэффициента полезного действия процессора, действенная, впрочем, только в многозадачных и многопоточных средах.
Коротко остановимся на изменениях, внесенных в процессоры с Hyper-Threading. Поскольку физический процессор с технологией Hyper-Threading представляет собой два логических CPU, в таких процессорах продублированы некоторые блоки. Причем, дубляжу подверглись лишь отдельные управляющие элементы, основные же исполнительные ресурсы остались теми же - теперь они попросту загружаются более плотно и эффективно.
Таким образом, технология Hyper-Threading действительно позволяет загрузить исполнительные устройства процессора значительно сильнее за счет одновременного выполнения двух потоков. Однако, следует понимать, что эффект от такого приема не всегда может быть положительным. Во-первых, если выполняемые потоки похожи по типу выполняемых инструкций, выигрыша может не быть вовсе, поскольку один из потоков будет полностью занимать все ресурсы, необходимые и другому потоку. Простои же остальных исполнительных устройств процессора от этого не исчезнут. Во-вторых, возможна и куда более катастрофичная ситуация. Один из потоков может попросту занять ресурсы, необходимые другому потоку, и ожидать при этом, например, поступления данных. Операционная система же при этом, пребывая в уверенности, что имеется два CPU, не будет предпринимать никаких действий, на самом же деле функционирование процессора будет попросту парализовано. Именно поэтому Intel призывает разработчиков программного обеспечения оптимизировать свои программы для Hyper-Threading. Один из основных принципов такой оптимизации - применение новой инструкции PAUSE, не блокирующей работу физического процессора, вместо пустых циклов ожидания.
Естественно, поддержка технологии Hyper-Threading необходима не только со стороны программного обеспечения и операционной системы. Требуется она также и со стороны аппаратного обеспечения, поскольку процессор с технологией Hyper-Threading все же отличается от обычных CPU. Активизация обоих логических процессоров требует, как минимум, поддержку со стороны материнской платы и BIOS и поддержки специфических алгоритмов перевода логических и физического процессоров в режимы энергосбережения.
В итоге, для того, чтобы в системе работал процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading, помимо самого процессора требуется и материнская плата, основанная на наборе логики, поддерживающем эту технологию.
Помимо поддержки в чипсете, технология Hyper-Threading должна опознаваться и инициализироваться BIOS материнской платы. Только в этом случае оба логических процессора могут быть успешно инициализированы и распознаны операционной системой. В противном случае - если либо в чипсете, либо в BIOS технология Hyper-Threading не поддерживается - процессор с технологией Hyper-Threading будет опознан операционной системой как один обычный процессор. В случае, если поддержка со стороны аппаратной платформы реализована верно, операционная система будет пребывать в уверенности, что в системе имеется два процессора.
Также, очевидно, что для полноценного использования ресурсов процессоров с технологией Hyper-Threading необходима мультизадачная операционная система с поддержкой двухпроцессорных конфигураций. Однако для того, чтобы производительность системы при этом действительно увеличивалась, требуется специальная оптимизация операционной системы под технологию Hyper-Threading, заключающаяся, в частности, в том, что системные потоки не должны использовать пустых циклов, о чем говорилось ранее.
В настоящее время для технологии Hyper-Threading оптимизированы две операционные системы - Linux 2.4.x и Microsoft Windows XP (включая Professional и Home Edition). Распространенные Windows 98 и Windows Me Hyper-Threading не поддерживают в силу отсутствия в них поддержки мультипроцессорности. Что же касается Windows 2000, то хотя эта система и поддерживает конфигурации с несколькими CPU и опознает процессор с технологией Hyper-Threading как два процессора, производительность этих процессоров будет в ряде случаев ниже, чем процессоров с аналогичными характеристиками, но без Hyper-Threading. Дело как раз заключается в том, что системные потоки Windows 2000 часто используют пустые циклы, являющиеся "грозой" Hyper-Threading.
Процессор Intel Pentium 4 3.06 ГГц, поддерживающий технологию Hyper-Threading, имеет следующие характеристики:
Частота ядра - 3066 МГц, частота шины Quad Pumped Bus - 533 МГц, коэффициент умножения - 23х.
Размер кеша первого уровня: 8 Кбайт - для данных, 12 Кбайт - для инструкций. Размер кеша второго уровня - 512 Кбайт.
Процессорное ядро Northwood. Технология производства - 0.13 мкм с использованием медных соединений.
Номинальное напряжение питания ядра - 1.525 В.
Площадь ядра - 131 кв. мм, число транзисторов - 55 миллионов.
Физический интерфейс - Socket 478.
Поддержка наборов инструкций ММХ, SSE, SSE2.
|
