Процессоры
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОЦЕССОРОВ
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ Любой современный процессор состоит из огромного набора транзисторов, выполняющих функции электронных микроскопических переключателей. Транзисторы практически безынерционны и способны переключаться триллионы раз в секунду. Однако, чтобы обеспечить такую огромную скорость переключения, необходимо уменьшить размеры транзисторов. Кроме того, производительность любого процессора определяется количеством самих транзисторов. Именно поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие отрасли шло в направлении уменьшения размера транзисторов и увеличения плотности их размещения на микросхеме. В 1965 году технология производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тысяч.
ПРОДОЛЖЕНИЕ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ В 1965 году никто не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие 10 лет послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. На сегодня прогноз Мура на сегодня означает: удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев благодаря росту количества транзисторов. Таблица 1 – Увеличение количества транзисторов Процессор Год выпуска Количество транзисторов Intel® 4004 1971 2, 3 тыс. Intel® 8086 1978 29 тыс. Intel® 486 1989 1, 2 млн. Intel® Pentium® 4 2000 42 млн. Intel® Core™ 2 Duo 2007 410 млн. Intel Core i 7 -990 X 2010 1, 17 млрд. Intel Core i 7 -3770 K 2012 1, 4 млрд. Intel ≈ 2022 до 100 млрд.
ПРОДОЛЖЕНИЕ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЗАЧЕМ УМЕНЬШАТЬ РАЗМЕРЫ ТРАНЗИСТОРОВ Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых – скорость, производительность и энергопотребление. Так, процессор i 486 работал на частоте 25 МГц. Тактовые частоты современных процессоров находятся в пределах 4 ГГц. Долгое время уменьшение размеров транзисторов было очевидным способом увеличения производительности процессоров. На практике это было трудно осуществить, но сложнее было придумать такую структуру процессора, чтобы его конвейер работал с максимальной отдачей. Таблица 2 – Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров Характеристика Коэффициент Длина затвора транзистора 1/М Рабочее напряжение затвора 1/М Плотность размещения транзисторов М 2 на кристалле Скорость работы транзистора М Рассеиваемая мощность 1/М 2
2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Прежде чем приступить к рассмотрению архитектур реальных процессоров, необходимо напомнить принципы работы процессоров на основе конструктивной схемы простейшего гипотетического, или «классического» , процессора. В основе архитектуры любого процессора лежит несколько конструктивных элементов: кэш команд и данных, предпроцессор (Front End) и постпроцессор, называемый также блоком исполнения команд (Execution Engine) (рисунок 1).
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Рисунок 1 – Конструктивная схема конвейерной обработки «классического» процессора
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Процесс обработки данных состоит из нескольких характерных этапов. Таким образом, даже в самом простейшем случае команда проходит как минимум четыре стадии обработки: выборку из кэша; декодирование выполнение; запись результатов. Выборка из кэша. Прежде всего инструкции и данные забираются и кэша L 1 (который разделен на кэш инструкций и кэш данных). Эта процедура называется выборкой. Декодирование. После выборки выбранные из кэша инструкции декодируются в понятные для данного процессора примитивы (машинные команды). Данная процедура называется декодированием.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Процессы выборки инструкций из кэша, их декодирование и продвижение к исполнительным блокам осуществляются в предпроцессоре. Выполнение. После процесса декодирования команды поступают на исполнительные блоки процессора и выполняются. Процесс выполнения декодированных команд осуществляется в постпроцессоре. Запись результатов. После выполнения трех предыдущих операций результат выполнения декодированных команд записывается на оперативную память. Данные стадии принято называть конвейером обработки команд. В нашем случае конвейер является четырехступенчатым. Каждую из этих ступеней команда должна проходить за один такт, таким образом на выполнение одной команды отводится ровно четыре такта.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ В реальных процессорах конвейер обработки команд может быть более сложным и включать большее количество ступеней. Причина увеличения длины конвейера: многие команды являются довольно сложными и не могут быть выполнены за один такт процессора, особенно при высоких тактовых частотах. Поэтому каждая из четырех стадий обработки команд (выборка, декодирование, выполнение, запись) может состоять из нескольких ступеней конвейера. Длина конвейера является одной из наиболее значимых характеристик любого процессора. В случае «классического» процессора исполнение кода процессором начинается с процесса выборки инструкций и данных из кэша L 1. Однако для того, чтобы инструкции и данные попали в этот кэш, их нужно предварительно туда загрузить из оперативной памяти. Такой процесс называется предвыборкой данных и инструкций из оперативной памяти. В соответствии со схемой «классического» процессора процедура исполнения кода процессором начинается с выборки инструкций в формате х86 и данных из кэша L 1.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Инструкции х86 имеют переменную длину, причем информация о длине инструкций сохраняется в специальных полях в кэше инструкций L 1. Загрузка инструкций переменной длины х86 из кэша L 1 происходит блоками определенной длины, из которых в дальнейшем выделяются инструкции, которые подвергаются декодированию. Когда в потоке инструкций встречаются ветвления или переходы, выборка очередного блока инструкций производится с использованием механизма предсказания переходов. Всякий процессор в конечном счете должен быть сконструирован таким образом, чтобы за минимальное время выполнять максимальное количество инструкций. Именно количество выполняемых за единицу времени инструкций и определяет производительность процессора.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Существуют два принципиально различных подхода к повышению производительности процессора (не считая, конечно, увеличения тактовой частоты). Первый. Его суть заключается в том, чтобы за счет уменьшения длины конвейера увеличивать количество исполнительных блоков. Таким образом, реализуется множество параллельных коротких конвейеров. При этом постпроцессор работает по классической схеме: осуществляет выборку команд, их декодирование и отправку на множество исполнительных блоков. Такой подход позволяет в полной мере реализовать параллелизм на уровне инструкций (Instruction-Level Parallelism, ILP), когда несколько инструкций выполняются одновременно в различных исполнительных блоках процессора. Важно, что количество ступеней конвейера внутри постпроцессора (исполнительного блока) здесь невелико, поэтому инструкции выполняются за небольшое количество циклов. Для реализации параллелизма на уровне инструкций необходимо, чтобы поступающие на исполнительные блоки команды можно было выполнять параллельно.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Однако если для выполнения следующей по порядку инструкции требуется знать результат выполнения предыдущей инструкции (взаимозависимые инструкции), то в этом случае параллельное выполнение невозможно. Поэтому предпроцессор прежде всего проверяет взаимозависимость команд и переупорядочивает их не в порядке поступления (out of order), а так, чтобы их можно было выполнять параллельно. На последних ступенях конвейера инструкции выстраиваются в исходном порядке. Преимущества короткого конвейера. При коротком конвейере на каждой ступени процессор способен выполнять большее количество работы, однако на прохождение инструкции через каждую ступень конвейера здесь требуется больше времени, что ограничивает повышение тактовой частоты процессора. В этом случае увеличение числа команд, выполняемых за единицу времени, достигается за счет распараллеливания инструкций и наращивания исполнительных блоков процессора. Недостатки короткого конвейера. В случае коротких конвейеров невозможно повышать тактовые частоты процессора.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Второй подход. Использование длинных конвейеров с высокими тактовыми частотами процессора. При использовании длинного конвейера в постпроцессоре, то есть на стадии исполнения инструкций, задействуется меньшее количество исполнительных блоков, каждый из которых обладает длинным и соответственно быстрым конвейером. Это значит, что каждый блок исполнения имеет больше доступных для выполнения тактов и способен одновременно выполнять довольно много инструкций. Преимущества длинного конвейера. При использовании длинного конвейера возможно увеличение тактовой частоты процессора, то есть сам конвейер оказывается более быстрым. Недостатки длинного конвейера. В случае длинного конвейера постпроцессора предпроцессору необходимо обеспечивать его соответствующую загрузку. Для этого предпроцессор должен обладать довольно большим буфером, способным вмещать достаточное количество инструкций. Это снижает производительность процессора.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ ПРОЦЕССОРОВ Два прошедших года можно назвать революционными на рынке микропроцессоров архитектуры х86. В результате того, что основные производители (Intel и AMD) столкнулись со значительными трудностями на пути увеличения тактовых частот как процессорных ядер, так и шин передачи данных. Для увеличения мощности систем наиболее перспективным решением стало увеличение количества ядер микропроцессора. Подобная идея впервые пришла на ум «голубому гиганту» (IBM) еще в 1999 году, когда он представил опытный образец двухъядерного Power 4, а в 2001 году совместно с Apple уже вовсю торговал готовыми решениями. Производители процессоров для платформы х86 в 2002 г. заявили о своих намерениях развивать многоядерную архитектуру. Компания Intel первой выпустила подобный чип в марте 2005 года. AMD, отстав всего на три дня, представил полную линейку серверных двухъядерных процессоров Opteron, анонсировал двухъядерные процессоры Athlon 64 Х 2 для настольных систем и начал поставки Opteron 8 хх.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ В 2007 – 2008 годах индустрия перешла на трех - и четырехъядерные процессоры, причем в момент этого перехода сложившийся баланс сил на рынке вновь коренным образом изменился. Апофеозом противостояния двух ведущих компаний стал момент выхода на рынок продуктов Intel Core 2. Это событие датируется 27 июля 2006 года, что не только изменило расстановку сил на рынке, но и коренным образом повлияло на критерии оценки производительности. В 2009 году компания Intel сделала основную ставку на процессоры, построенные на основе новой архитектуры Nehalem (семейства Core i 7, i 5 и i 3). В начале 2010 года Intel перешла на новую 32 -нанометровую технологию, на основе которой выпустила процессоры сразу двух семейств: двухъядерные настольные процессоры Clarkdale с интегрированным графическим ядром вышли в I квартале 2010 года, а шестиядерные процессоры Gulftown в исполнении LGA 1366 появились во II квартале 2010 года. Последние получат 6 × 256 Кбайт кэша второго уровня и общий кэш третьего уровня объемом 12 Мбайт, а встроенный контроллер памяти будет поддерживать трехканальной DDR 3 – 1333. Уровень TDP останется прежним (130 Вт), на архитектурном уровне появится поддержка инструкций AES–NI.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ В марте 2010 года появились первые 12 -ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x 86/x 86 -64). В начале 2011 г. компания AMD выпустила образцы нового процессора на архитектуре Fusion, серия чипов носит кодовое имя Ontario. Чипы семейства Ontario предназначены для установки на компьютеры малой мощности, такие как нетбуки, планшетные компьютеры, неттопы и прочие системы малой производительности. Концепция Fusion предполагает объединение ядер различного назначения в одном чипе. Каждое из них (или каждая из групп ядер) будет обращаться к собственной кэш-памяти, а в качестве связующей шины выступит Hyper Trаnsроrt. Процессоры Fusion будут напрямую обращаться к системной памяти, разделяемой между нуждами центральной и графической частей процессора. По предварительным данным, даже техпроцесс изготовления CPU и GPU будет различаться.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ 12 октября 2011 г. AMD представила свою новую архитектуру под названием Bulldozer. Это новая процессорная архитектура, в рамках системы команд x 86, изготавливаемая по 32 нм технологии и предназначенная для серверов и высокопроизводительных ПК. В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16 ядерные серийные серверные процессоры Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos). В июне 2011 года Intel раскрыла детали разрабатываемой архитектуры Many Integrated Core (MIC). Микропроцессоры на основе этой архитектуры получили более 50 микроядер архитектуры x 86 и начали производится в апреле 2012 году по 22 -нм техпроцессу. Вслед за архитектурой Bulldozer АМD собирается представить Piledriver, улучшенный вариант ядра Bulldozer. Известно, что AMD собирается увеличить показатели производительности на ватт. Гибридный процессор Trinity на основе Piledriver получит также значительно более мощную графику. Чипы Piledriver будут по-прежнему полагаться на 32 -нм техпроцесс.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ 23 апреля 2012 г. компания Intel официально представила новые процессоры Core третьего поколения, известные под кодовым названием Ivy Bridge. Эти чипы стали первыми процессорами, которые изготавливаются по нормам 22 -нанометрового технологического процесса, что позволяет улучшить их характеристики. Intel продолжает планирование новых микропроцессоров. Одна из них: Haswell. Это микроархитектураа, которая планируется как преемница Ivy Bridge. Разработана для 22 нанометровой производственной технологии. Релиз планируется в 2013 году. Первые процессоры на данной архитектуре ожидается в 1 квартале 2013 года. Планируемые особенности: возможен полный редизайн архитектуры; техпроцесс — 22 нм; базовое количество ядер — 2 или 4; полностью новый дизайн кэша; улучшенные механизмы энергосбережения; возможен интегрированный векторный сопроцессор; расширение команд TSX; энергопотребление на 30% ниже по сравнению с аналогами из линейки Sandy Bridge; память e. DRAM объемом 64 Мбайт. В планах на будущее Intel рассматривает то, что возможно, начиная с 2015 года, возможно, будет разрабатываться новый процессор. Примерно в 2020 году выпустят процессор практически не греющийся, а значит более производительный. При низком энергопотреблении и тепловыделении технология позволит почти без задержек применять эти процессоры ко всем мобильным устройствам.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ АРХИТЕКТУРА INTEL CORE I (NEHALEM) Девятое поколение процессоров Intel, получившее название Core i, без доли сомнения можно назвать революционным. Условное «семейство Intel Core i» состоит из нескольких модельных рядов, ориентированных на различные сегменты рынка. Таблица 3 – Семейство Intel Core i Семейство Частота, ГГц Техпроцесс, нм Количество ядер Core i 3 1, 6 – 2, 6 45 2 Core i 5 2, 5 – 3, 1 2, 66 - 3 32 45 2 4 Core i 7 2, 5 – 3, 3 2, 66 – 3, 33 3, 4 3, 33 – 3, 73 3, 3 -3, 9 32 45 32 32 22 2, 4 4 4 6 4 Объединять эти процессоры в единое семейство можно лишь условно: к примеру, семейство Core i 7 включает процессоры как на ядре Bloomfield, так и на ядре Lynnfield, «младшее» же семейство Core i 5 может быть построено как на ядре Lynnfield (четырехъядерная серия Core i 5 -7 хх), так и на новом 32 -нанометровом ядре Clarkdale (двухъядерная серия Core i 5 -6 хх).
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ При переходе к новой архитектуре Core i были внесены следующие изменения. 1) В процессоре появился встроенный контроллер поддерживающий два или три канала DDR 3 SDRАМ. памяти, 2) В платформе Bloomfield на смену шине FSB пришла новая, более быстрая шина Quick Path, ставшая несколько запоздалым ответом на созданную АМВ шину Hyper Transport. 3) В отличие от процессоров предыдущих поколений, все ядра у процессоров семейств Core i 7 и i 5 расположены на одном кристалле. 4) Добавлен общий для всех ядер кэш третьего уровня (L 3) объемом 8 Мбайт. Увеличена кэш-память первого (L 1) и второго (L 2) уровней. 5) В процессорах вновь появилась поддержка «виртуального многопроцессорного режима» SMT (Simultaneous Multi-Threading) (ранее она была реализована в процессорах Pentium 4 под названием Hyper. Threading).
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ 1) Отличительной особенностью новых процессоров Lynnfield является наличие в них интегрированного двухканального контроллера памяти DDR 3. Преимущества DDR 3 (по сравнению с DDR 2): - более высокая пропускная способность (до 19200 МБ/с); - сниженное тепловыделение (результат уменьшения напряжения питания); не для планок 1600 МГц и выше; - меньшее энергопотреблениие и улучшенное энергосбережение; не для планок 1600 МГц и выше; - немного уменьшенные задержки (в наносекундах). 2) Quick Path Interconnect, ее контроллер распложен на кристалле процессора. Она является последовательной, высокоскоростной и двунаправленной. Теоретическая пропускная способность шины QPI составляет 25, 6 Гбайт/с, хотя такая единица измерения, как гигабайт в секунду (Гбайт/с), не является характеристикой QPI-шины. Вместо этого используется термин «гигатрансферы в секунду» (ГТ/с) – количество передач запакетированных данных по шине в секунду. В таких единицах измерения максимальная пропускная способность шины QPI составляет 6, 4 ГТ/с.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Таблица 4 – Характеристики моделей процессоров Lynnfield и Bloomfield
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ АРХИТЕКТУРА SANDY BRIDGE
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ В начале 2011 года Intel выпускает процессоры новой технологии под обозначением Sandy Bridge. В них используется 32 -нанометровая технология. Новые процессоры распределены по семействам Core i 3, Core i 5, Core i 7. Первой моделью Sandy Bridge станет процессор Core i 5 -2000 с сокетом LGA 1155. В третьем квартале 2011 года Intel порадует покупателей процессором Sandy Bridge с сокетом LGA 2011. В рамках 32 -нанометрового техпроцесса компания Intel смогла разместить на кристалле Sandy Bridge около 1 млрд. транзисторов. Через десять лет, по словам представителей Intel, процессорные ядра смогут содержать до 100 млрд. транзисторов. 14 ноября 2011 года появились процессоры поколения Sandy Bridge-Е на Socket 2011 — платформа абсолютно новая и является логическим продолжением для LGA 1155, только теперь нам предлагают старшие модели линейки, и поэтому в конце названия Sandy Bridge появилось обозначение «Е» (от слова Extreme). Новые процессоры несут в себе, как и прежде, только шесть ядер. Поддеживается технология Hyper-Threading. Общий объем кэша третьего уровня составляет 15 Мбайт. 40 линий PCIExpress. Оперативная память работает в четырехканальном режиме.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Убедившись в успехе процессоров Sandy Bridge на всех персональных, в том числе и процессоров Core i 7 "Sandy Bridge-E", компания Intel выводит их на промышленный рынок в виде новых представителей семейства Xeon. Существует два ответвления промышленной версии архитектуры. Это Sandy Bridge-EN для серверов с небольшим энергопотреблением, и мультисокетные Sandy Bridge-EP для высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Sandy Bridge-EP является по существу тем же Sandy Bridge-E, с некоторыми активизированными возможностями. Например, это две шины Quick. Path Interconnect, до 8 вычислительных ядер и 16 потоков при включенной технологии Hyper. Threading, и до 20 Мб кэш -памяти L 3. Процессоры Xeon Sandy Bridge-EP включают в себя 4 канальный контроллер памяти DDR 3 со стандартным значением частоты 1600 МГц, поддерживая объём оперативной памяти до 768 Гб.
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ Когда речь заходит о процессоре, то в качестве его основных характеристик указывают тактовую частоту, микроархитектуру ядра и количество ядер, технологический процесс производства, частоту системной шины, размер кэша, параметры энергоэффективности и поддерживаемые технологии. Все эти характеристики так или иначе определяют самую главную характеристику любого процессора – его производительность.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ 1. ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА До недавнего времени тактовая частота процессора напрямую связывалась с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота процессора, тем он производительнее. Собственно, сама микроархитектура Net Burst, положенная в основу процессоров Intel Pentium 4, изначально была ориентирована на то, что основным средством увеличения производительности процессоров будет рост тактовой частоты. Действительно за пять лет существования процессоров Intel Pentium 4 их тактовая частота была увеличена почти в три раза. Стартовав с отметки чуть больше 1 ГГц, за пять лет тактовая частота достигла значения 3, 8 ГГц. Конечно, увеличение тактовой частоты – далеко не единственное нововведение, которое сопутствовало появлению новых процессоров семейства Intel Pentium 4. В то же время можно сказать, что для процессора Pentium 4 повышение тактовой частоты являлось одним из основных способов увеличения его производительности.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ Однако и потребители, и разработчики могут сейчас убедиться в том, что подобная «гигагерцовая гонка» не стала оптимальным способом увеличения мощности. Зависимость между тактовой частотой процессора и его производительностью достаточно простая. Производительность процессора принято отождествлять со скоростью выполнения им инструкций программного кода; таким образом, производительность это количество инструкций, выполняемых процессором в единицу времени Переписав это выражение в виде произведения количества инструкций, выполняемых за один такт (Instruction Per Clock, IPC), на количество тактов процессора за единицу времени (тактовая частота процессора, f): получаем, что производительность пропорциональна его тактовой частоте. процессора прямо
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ 2. МИКРОАРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ Из приведенной формулы вытекает, что, кроме тактовой частоты, производительность процессора зависит и от количества инструкций, выполняемых за один так процессора, которое, в свою очередь, определяется микроархитектурой процессора, то есть от количества исполняемых блоков, от длины конвейера и эффективности его заполнения, от блока предвыборки и т. д. Кроме того, естественно, существует также зависимость от оптимизации программного кода к данной микроархитектуре процессора.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА Казалось бы, технологический процесс производства никак не отражается на производительности процессора. Действительно, прямой зависимости между проектной нормой процессора и его производительностью нет, однако от технологии производства процессоров, определяющей минимальные размеры используемых транзисторов, их быстродействие и время задержки передачи сигнала в межуровневых соединениях, зависит и его тактовая частота и размер кэша. Увеличение тактовой частоты просто невозможно без изменения технологического процесса производства процессора. То есть в пределах одного семейства процессоров, определяемого технологическим процессом производства, потенциальный запас по наращиванию тактовой частоты ограничен и дальнейшее увеличение тактовой частоты возможно только при уменьшении проектной нормы производства процессоров.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ В 2009 году основным в процессорной индустрии стал 45 нанометровый техпроцесс. . В 2010 году компанией Intel был освоен 32 нанометровый техпроцесс. В 2012 году начался выпуск процессоров на основе 22 -нанометрового техпроцесса.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ 4. ЧАСТОТА СИСТЕМНОЙ ШИНЫ Частота системной шины определяет пропускную способность шины, связывающей процессор с чипсетом. Естественно, что чем выше частота системной шины, тем выше и производительность процессора. Если говорить о процессорах Intel, то частоту системной шины называют частотой FSB. К примеру, если частота FSB составляет 800 МГц, то ее пропускная способность (с учетом 64 -битной или 8 -байтной ширины шины) составляет 6, 4 Гбайт/с. Для шины FSB с частотой 1066 МГц пропускная способность составит уже 8, 5 Гбайт/с. Напомним, что в новых процессорах Intel системная шина FSB заменена на новую QPI, с частотой работы 1333 МГц и выше. В случае процессоров AMD системная шина называется Hyper. Transport. Частота этой шины для современных процессоров AMD может быть равной 1600 или 2000 МГц.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ 5. РАЗМЕР КЭША Как уже отмечалось, современный процессор имеет несколько типов кэша, интегрированных на кристалл процессора: кэш первого уровня (L 1) и кэш второго уровня (L 2). Кэш L 1, который делится на кэш команд и кэш данных, используется непосредственно ядром процессора. Кэш L 2 представляет собой своеобразный буфер между оперативной памятью и кэшем L 1. В пределах одного семейства процессоры могут различаться размером кэша L 2. Непосредственного влияния на производительность процессора размер кэша не оказывает, однако при недостаточном размере кэша увеличивается время простоя процессора, в течение которого в кэш загружаются данные из оперативной памяти. Это, в свою очередь, отражается на производительности процессора. Поэтому чем больше размер кэша L 2, тем лучше.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Intel Core i 3 Intel Core i 5 (Clarkdale и Lynnfield) Asus P 7 P 55 -M LGA 1156
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Intel Xeon Lynnfield Asus P 7 P 55 -M LGA 1156 Intel Core i 7 Lynnfield
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Intel Xeon Gulftown Intel Core i 7 Bloomfield Socket 1366 for Intel Core i 7
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Intel Core i 7 -980 X Extreme Edition Gulftown Intel Xeon Bloomfield Socket 1366 for Intel Core i 7
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Процессор Intel Sandy Bridge на сокете LGA 1155 Разьем LGA 1155
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ ПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ AMD
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Практически все процессоры AMD моделей 2009 – начала 2010 года построены на основе архитектуры K 10. 5. Она обладает следующими основными особенностями: - техпроцесс – 45 нм SOI; - площадь ядра – 243 мм 2 - количество транзисторов – около 705 млн; - напряжение – 0, 875 -1, 5 В; - Socket – АМЗ (941 pin). Несмотря на внешнюю схожесть и совместимость по стандарту процессорного разъема (АМ 2+ или АМЗ), в линейку AMD входит несколько совершенно разных по позиционированию и характеристикам семейств, и разобраться в этом изобилии не так уж просто. В отличие от уже рассмотренной нами линейки Intel (Core i 7, i 5, i 3, Pentium), в ассортименте массовых процессоров AMD выделяется всего два семейства (не считая серверной линейки Operton) – Phenom II и Athlon II.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ Однако внутри они устроены гораздо сложнее: в каждом семействе можно найти процессоры с четырьмя, тремя и двумя ядрами (а в 2010 году к ним прибавился и первый шестиядерный процессор). Это дает возможность для более четкой сегментации, но значительно осложняет потребителям выбор. Можно ли с лету, ориентируясь лишь на числовой индекс и цены, понять, что быстрее: двухъядерный процессор Phenom II с частотой 2, 6 ГГц или трехъядерный Athlon II с частотой 3 ГГц, но с отсутствующим кэшем третьего уровня? Стоит пролить свет еще на два момента: производительность и разгоняемость процессоров AMD в сравнении с Intel. Дискуссия на эту тему явно относится к числу бесконечных, и окончательный вывод сделать невозможно. Однако очевидно следующее: процессоры Intel технологически, несомненно, более совершенны, однако AMD явно выигрывает по соотношению «цена/качество» (во всяком случае, в среднем ценовом сегменте). Несмотря на то, что Core i 7 обеспечивает некоторый выигрыш в быстродействии при архивации, компрессии видео или аудио, в игровых тестах и офисных приложениях процессоры AMD показывают практически равные результаты с Intel.
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ AMD Phenom II X 6 Black Thuban 1090 T AMD Phenom II X 3 AM 3 Socket
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ AMD Athlon II X 2 AM 3 Socket AMD Athlon II X 3
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ AMD Athlon II X 4 AM 3 Socket
ПРОДОЛЖЕНИЕ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ AMD FX (архитектура Bulldozer) Socket AM 3+
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В начале 2011 года Intel выпускает процессоры новой технологии под обозначением Sandy Bridge. 14 ноября 2011 года появились процессоры поколения Sandy Bridge-Е на Socket 2011. 23 апреля 2012 г. компания Intel официально представила новые процессоры Core третьего поколения, известные под кодовым названием Ivy Bridge. Эти чипы стали первыми процессорами, которые изготавливаются по нормам 22 -нанометрового технологического процесса, что позволяет улучшить их характеристики. 12 октября 2011 г. AMD представила свою новую архитектуру под названием Bulldozer. Это новая процессорная архитектура, в рамках системы команд x 86, изготавливаемая по 32 нм технологии и предназначенная для серверов и высокопроизводительных ПК. Процессоры Bulldozer, по заверениям представителей AMD, имеют полностью новую архитектуру по сравнению с предыдущими поколениями AMD K 8 и AMD K 10.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Вслед за архитектурой Bulldozer АМD собирается представить Piledriver, улучшенный вариант ядра Bulldozer. Известно, что AMD собирается увеличить показатели производительности на ватт. Гибридный процессор Trinity на основе Piledriver получит также значительно более мощную графику. Чипы Piledriver будут по-прежнему полагаться на 32 -нм техпроцесс. Intel продолжает планирование новых микропроцессоров. Одна из них: Haswell. Это микроархитектураа, которая планируется как преемница Ivy Bridge. Разработана для 22 -нанометровой производственной технологии. Релиз планируется в 2013 году. Первые процессоры на данной архитектуре ожидается в 1 квартале 2013 года. Борьба между двумя конкурентами продолжается. Процессоры AMD при равной производительности, дешевле, чем Intel. Дешевизна процессоров всегда было отличительной особенностью фирмы AMD и это позволяло ей успешно конкурировать с Intel.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Заметным преимуществом новых процессоров Intel станет обновлённая интегрированная графика, поддерживающая Direct. X 11 и предлагающая более высокую производительность. Платформа Ivy Bridge также предложит родную поддержку USB 3. 0 и Thunderbolt, благодаря чему, можно не сомневаться, новые технологии получат куда более широкое распространение. В последующие два года компания AMD представит четыре новые линейки серверных процессоров, две новые платформы, а также перейдет с 45 -нм техпроцесс на 28 -нм. Планы AMD и Intel включают в себя внедрении новейших технологий в производство микропроцессоров.
ЧИ ПСЕТЫ
Чипсеты Слово «чипсет» (chipset) в буквальном переводе означает «набор микросхем» . Чипсет, который также называют набором системной логики это одна или чаще две микросхемы (чипы), взаимодействующих между собой, в данном случае на материнской плате чипсет является тем звеном, который связывает между собой работу процессора, памяти, устройства ввода и вывода с помощью микросхем чипсета. Все мы знаем, что у компьютера есть центральный процессор, память, видеокарта и все они находятся в стороне друг от друга, и для работы компьютера им требуется как-то взаимодействовать между собой.
На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB- контроллер, сетевой контроллер (только МАС- уровень), контроллер шин PCI и PCI Express, контроллер прерывания и DMA – контроллер. Кроме того, в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер ( в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека). Также южный мост соединяется ещё с двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM – памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и дисковод. Для соединения северного и южного мостов друг с другом используются специальная выделенная шина, причем разные производители применяют для этого разные шины ( с различной пропускной способностью): - Intel – QPI (Quick. Path Interconnect), DMI (Direct Media Interface); - AMD (унаследовала от ATI) – Hyper. Transport, PCI Express; NVIDIA - Hyper. Transport; Si. S (Silicon Integrated Systems) – Mu. TIOL; VIA – V – Link Двухмостовая схема построения чипсетов успешно работала в течении многих лет, однако сегодня она постепенно уходит в прошлое. Первым исключением из правила стали процессоры с архитектурой AMD 64, где контроллер памяти размещен не в системной логике, а непосредственно на кристалле процессора, а в 2009 году тот же принцип был воплощен и в новых процессорах Intel Core i 7.
Это существенно облегчило жизнь как проектировщикам чипсетов, так и пользователям: при двухмостовой архитектуре новые чипсеты приходилось выпускать гораздо чаще, совершенствуя то северный, то южный мост. В итоге в 2007 -2008 годах на рынке чипсетов творилось настоящее столпотворение, ибо только одна Intel была представлена почти десятком моделей. Сегодня же ассортимент чипсетов значительно сократился. Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и её производительность на 90% определяются именно чипсетом. От чипсета зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств. До недавнего времени на рынке чипсетов было около шести сильных игроков, однако за последние два года их количество сократилось до трех. Более того, в 2009 году стало известно, что компания INVIDIA фактически приняла решение уйти с рынка десктопных чипсетов, сосредоточившись на мобильных платформах. Во всяком случае, решения для новых процессоров AMD и Intel в её планах пока отсутствуют. Схожую позицию заняли копании Si. S и VIA, активно работавшие в бюджетном сегменте. В 2009 году и та и другая предложили бюджетные чипсеты для процессоров Core 2 Duo.
Вывод: Стремительные рост потребностей «изысканных» покупателей в компьютерной технике поневоле заставляет производителей разрабатывать и внедрять всё более усовершенствуемые чипсеты. Теперь в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода, процессоры смогут «общаться» с видеокартами без участия микросхемы логики, повышая тем самым общую производительность системы и упрощая конструкцию, а заодно и стоимость чипсета. Таким образом, из комплекса северного и южного моста чипсет превращается в одночиповое решение, представляющее собой лишь микросхемы для работы с приводами/накопителями и интерфейсами ввода/вывода.
Скачать презентацию Процессоры 1 ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОЦЕССОРОВ ИСТОРИЯ
1 Процессоры2012 готовые.ppt