Процессорные архитектуры ближайшего будущего

Хорошо было 10 лет назад. Компания Intel выпустила процессор Pentium II, в основе которого лежали все идеи, реализованные в Pentium и Pentium Pro, и это было единственное решение для компьютеров из middle-end и high-end сегментов. Для бюджетного сектора предназначались уже морально устаревшие Pentium, а также решения от других компаний, в частности от AMD. Вопроса "Что выбрать: Intel или AMD?" тогда не было. Все знали, что процессоры Intel лучшие и все их рекомендовали к приобретению.

Теперь вопрос выбора стоит немного более остро, хотя число производителей ЦП несколько поубавилось. С одной стороны Intel предлагает более скоростные чипы Core 2 Duo, а с другой каждое их обновление требует смены системной платы, да и их стоимость относительно решений AMD у них повыше. Последние, к слову, обещают быть совместимыми с Socket AM2 платами чуть ли не до 2009 года. Да и на следующей неделе будет представлена обновленная архитектура K8, в народе известная как K10 или K8L.

Тем не менее, все самые современные процессоры AMD и Intel имеют в своей основе наработки 8-10-летней давности. Чипы Core выросли из Pentium M, которые в свою очередь базируются на архитектуре P6, легшей в основу Pentium Pro и последующих разработок. AMD очень преуспела выпустив процессор Athlon, основанный на архитектуре K7. K8 хоть и имеет сильные отличия, однако это всего лишь сильно переработанный K7. Ну а K10 - это эволюционное развитие K8.

Однако и Intel и AMD обещают в ближайшие полтора-два года представить принципиально новые процессорные архитектуры. Междоусобная конкуренция заставила пойти обоих производителей ЦП на этот весьма дорогостоящий шаг. Intel стала говорить об этом еще два года назад, а AMD в этом году объявила о намерении представить новый процессор с высокой интеграцией компонентов. В этой статье мы собрали всю имеющуюся информацию о планах этих компаний касательно готовящегося обновления архитектур. Сведений пока мало, но из них уже можно делать кое-какие выводы.

Что есть сейчас

Прежде чем перейти к новому поколению процессоров Intel и AMD вкратце остановимся на том, что есть на рынке сейчас и что будет в ближайшее время. Начнем с AMD. Как было отмечено выше, этот производитель готовит к выходу условно называемую архитектуру K10. Первые чипы, в основу которых она ляжет, станут серверные Opteron на ядре Barcelona. Их анонс назначен на 10 сентября этого года, хотя изначально компания планировала это событие шестью месяцами ранее.

Вполне возможно, что главной причиной задержки стал неотработанный 65 нм техпроцесс производства. До сих пор на эти нормы переведены только процессоры на ядре Brisbane, и их частота не превышает 2.7 ГГц. А вот старшие модели на 90 нм ядре Windsor работают на частотах до 3.2 ГГц. Главной "фишкой" Barcelona должен стать специально разработанный четырехъядерный дизайн. А четыре ядра на одном кристалле будут весьма ощутимо греться. Не удивительно, что частота первых моделей не превысит 2.0 ГГц.

В ноябре появится 2.2 ГГц версия, однако это далеко до 2.9 ГГц, о которых ходили слухи еще год назад. В следующем году K10 пойдет в массы. AMD представит новые процессоры для настольных компьютеров. О мобильных модификациях пока ничего неизвестно. Пока ожидается пять различных семейств на основе K10:

• Phenom FX (ядро Agena FX);
• Phenom X4 (ядро Agena);
• Phenom X2 (ядро Kuma);
• Athlon X2 (ядро Rana);
• Sempron (ядро Spica).

Первые три будут оснащены общим кэшем третьего уровня объемом 2 Мбайта. Это одно из главных нововведений, что позволит повысить скорость обмена данными между ядрами. Остальные процессоры предназначаются для бюджетного сегмента и L3-кэшем похвастать не смогут. Тем не менее, остальные нововведения K10 им будут не чужды.

Мы не будем подробно расписывать изменения, внесенные в новую архитектуру AMD, поскольку цель этой статьи несколько иная. Поэтому только приведем их краткий список.

• Выборка инструкций. Процессоры K10 будут производить выборку инструкций из кэша первого уровня по 32 байта, а не 16 как это делают все K8 и Core2.
• Предсказание переходов. В K10 будет улучшен блок предсказаний переходов. Он используется для содержания исполнительного конвейера постоянном загруженным. Теперь конвейер будет простаивать меньше благодаря лучшей приспособленности процессора к угадыванию правильных переходов.
• Декодирование. Будет значительно улучшен блок отвечающий за декодирование команд. К схемам декодера даже добавлен специальный блок Sidebank Stack Optimizer, назначение которого повысить эффективность декодирования.
• ALU. Произойдет оптимизация блока целочисленных вычислений. В нем закроют наиболее слабые места процессоров K8.
• FPU. Блок FPU, отвечающий за операции с плавающей точкой, всегда был сильной стороной процессоров AMD (начиная с K7). В K10 он будет модернизирован и улучшен. В частности повысится скорость работы с SSE-инструкциями. Кроме того по ряду параметров он превзойдет FPU чипов Core 2.
• Кэш. Одним из главных недостатков кэша процессоров Athlon была и есть узкая шина обмена данными между L1 и L2 кэшами. В K10 ожидается ее двухкратное расширение, хотя эти данные не подтверждены. Если это случится, то возрастет как скорость работы кэша, так и снизятся его задержки. Помимо этого у старших семейств появится кэш третьего уровня. Он будет общим для всех ядер (двух или четырех в зависимости от модели чипа). Это позволит значительно повысить скорость обмена данными между ними.
• TLB. Будут увеличены буферы кэша TLB (translation-lookaside buffer). Этот кэш используется для хранения соответствия между виртуальными и физическими страницами. В новых процессорах преобразования адресов будут происходить быстрее.
• Предвыборка данных. Предвыборка данных впервые была реализована в процессорах Pentium 4, после чего перекочевала в Athlon XP и во все их последователи. Специальный блок отслеживает за обработкой данных процессором и пытается рассчитать, которые могут пригодиться в ближайшее время, после чего подгружает их в кэш-память из ОЗУ. В K8 данный блок был скорее для галочки. AMD не уделила его реализации должного внимания, положившись на низколатентный контроллер памяти. Но данное упущение будет исправлено с выходом Barcelona - блок предвыборки в нем значительно усовершенствован.
• Контроллер памяти. Интегрированный на кристалл контроллер памяти уже четыре года остается одной из сильнейших сторон архитектуры K8. В K10 данный компонент будет усовершенствован. Теперь получение данных может происходить по двум независимым каналам по 64 бита каждый, тогда как до этого был один общий канал на 128 бит, что не очень хорошо подходит для многоядерных решений.
• Виртуализация. Будет расширена поддержка технологии виртуализации. Местами ожидается значительный прирост производительности при запуске нескольких операционных систем.
• Управление питанием. Новые процессоры смогут регулировать частоту работы каждого из ядер в зависимости от текущей нагрузки. При этом рабочее напряжение будет оставаться у всех одинаковым. Его значение будет соответствовать максимальному из четырех ядер.
• HyperTransport 3.0. В качестве средства связи процессора и северного моста (а также процессоров в многопроцессорных конфигурациях на Opteron) будет использоваться новая шина HyperTransport 3.0 вместо текущей HT 1.1. Нововведение обещает повысить скорость работы в несколько раз, при этом сохранив совместимость со старой версией.

Ожидается, что в следующем году абсолютно все процессоры AMD будут построены на обновленной архитектуре. В мобильном секторе на смену текущим Turion 64 X2 придут чипы на ядре Griffin, обещающие повышение производительности и снижение энергопотребления. Но все это промежуточное решение на пути к принципиально новой архитектуре, о которой мы расскажем позже. Пока несколько слов о новых ЦП Intel на ядре Penryn.

Процессоры Penryn должны будут появиться на несколько месяцев позже Barcelona. Они не предложат столь значительные усовершенствования, как K10 по отношению к K8, однако чипы Core 2 Duo и так достаточно хороши, чтобы их сильно модифицировать. А Penryn как раз придет на смену последним. Ожидается, что новые ЦП смогут поднять планку производительности на новый уровень. Посмотрим, благодаря чему это должно случиться.

• 45 нм техпроцесс. Penryn станет первым процессором, выполненным по 45 нм техпроцессу производства. Это позволит поднять тактовые частоты выше теперешних 3.0 ГГц, что не может не радовать. При этом понизится энергопотребление и нагрев.
• L2-кэш. Размер кэша второго уровня возрастет с 4 до 6 Мбайт, таким образом доведя число транзисторов в четырехъядерном процессоре до 820 млн.
• Частота и FSB. Изначально частоты первых Penryn составят не более 3.3 ГГц, хотя ходят слухи, что они возрастут до 3.6 ГГц. Вырастит и системная шина. Сейчас она составляет 1067 или 1333 МГц. У некоторых новых чипов она будет работать на частоте 1600 МГц.
• Энергосбережение. Будет добавлен новый режим энергосбережения, условно называемый Deeper Power Down Technology. Процессор будет способен уходить "в сон" еще глубже, таким образом экономя больше энергии. Это особенно актуально в ноутбуках.
• Остальное. Помимо вышеперечисленного будет модернизирована технология виртуализации, а также в Penryn добавят несколько новых команд и сделают незначительные улучшения в архитектуре. Но последнее не более чем доведение уже отработанных механизмов до совершенства.

Интересно будет понаблюдать, кто опять окажется на коне. С одной стороны AMD приложила все усилия, чтобы вывести быстродействие своего нового чипа на новый уровень. Однако Intel не дремлет, и обновленная архитектура Core станет еще более быстрой. Поэтому как бы не получилась ситуация, что K10 на короткое время вырвет первенство у Core 2 Duo, а потом опять его потеряет, хоть и разница в быстродействии будет не такой значительной.

Однако это все баталии совсем близкого будущего. Самое интересное ждет нас впереди. Как уже было сказано выше, в 2009 году обе компании представят принципиально новые процессорные архитектуры, к которым мы и переходим.