Лекция 15. Микроархитектура Intel Core

Smithfield (26 мая 2005 г.). По существу, ядро ЦП Smithfield – пара кристаллов Prescott 1M (90 нм), связанных вместе (рис. 5.3.6.5., г).

Рис.5.3.6.4. Микроархитектура Netburst

Рис. 5.3.6.2. Процессор Itanium

Рис. 5.3.6.1. Процессор Pentium Pro

Рис. 5.3.5.1. Основные компоненты процессора Pentium

Основные архитектурные отличая, которые привели к существенному повышению эффективности Pentium по сравнению с ЦП 486, состояли в следующем:

· суперскалярная архитектура – Pentium имел два конвейера: первый (U-конвейер) мог обрабатывать любые команды, а в то время как второй (V-конвейер) – только простые команды. Использование более чем одного конвейера характерно для RISC-процессоров, а это стало началом применения Intel RISC-методов на семействе процессоров Pentium;

· шина данных на 64 бита – каждое обращение к памяти позволили получать вдвое большее количество информации, чем это было в предыдущих чипах.

Следующий процессор P55C Pentium MMX базировался на ядре Р5 и процессоре изготовления 0,35 мкм. Здесь также был удвоен размер до 32 Кбайт и расширен набор команд, чтобы оптимизировать обработку мультимедиа-данных.

Микроархитектура Р6.

Р6 - шестое поколение х86 архитектуры процессора Intel, первоначально осуществленной в дизайне Pentium Pro (рис. 5.3.6.1.), представленного в 1995 г. в качестве преемника исходного Pentium P5.

Pentium Pro (1 ноября 1995 г.) имеет три конвейера, каждый из которых включает 14 ступеней. Для постоянной загрузки имеется высокоэффективный четырехвходовой кэш команд и высококачественная система предсказания ветвлений на 512 входов. Дополнительно для повышения производительности была применена буферная память (кэш) второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в корпусе ЦП. В результате стала возможной эффективная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блока целочисленной арифметики, блок чтения, блок записи.

Pentium P55 (Pentium MMX), 8 января 1997 г. Pentium MMX – версия Pentium с дополнительными возможностями. Технология ММХ должна была добиться/расширить мультимедийные возможности компьютеров. ММХ объявлен в январе 1997 г., тактовая частота 166 и 200 МГц, в июне того же года появилась версия 233 МГц. Технологический процесс 0,35 мкм, 4,5 млн. транзисторов.

Pentium II (7 мая 1997 г.). Процессор представляет собой модификацию Pentium Pro с поддержкой возможностей ММХ. Была известна конструкция корпуса – кремниевую пластину с контактами заменили на картридж, увеличена частота шины и тактовая частота, расширены ММХ-команды. Первые модели (223-300 МГц), производились по технологии 0,35 мкм, следующие – по 0, 25 мкм. Модели с частотой 333 МГц выпущены в январе 1988 г. и содержали 7,5 мкм транзисторов. В апреле того же года появились версии 350 и 400 МГц, а в августе 450 МГц. Все Р2 имеют кэш второго уровня объемом 512 Кбайт. Есть также модели для ноутбуков – Pentium II PE, и для рабочих станций – Pentium Xeon 450 МГц.

Pentium III (26 февраля 1999 г.). Р3 – один из самых мощных и производительных процессоров Intel, но в своей конструкции он мало чем отличается от Р2, увеличена частота и добавлено около 70 новых команд (SEE). Первые модели объявлены в феврале 1999 г., тактовые частоты – 450, 500, 550 и 600 МГц. Частота системной шины 100 МГц, 512 Кбайт кэша второго уровня, технологический процесс 0,25 мкм, 9,5 млм транзисторов. В октябре 1999 г. также выпущена версия мобильных компьютеров, выполненная по 0,18-мкл технологии с частотами 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 и 733 МГц. Для рабочих станций и серверов существует Р3 Xeon, ориентированный на системную логику GX с объемом кэша второго уровня 512 Кбайт, 1 Мбайт или 2 Мбайт.

Pentium M (здесь “М” означает “мобильный ”, mobile) – последний процессор микроархитектуры Intel P6. Это 32-разрядные одноядерные процессоры с системой команд х86, вышедшие в марте 2003 г. и входящие в платформу Intel Centrino. Максимальное энергопотребление Pentium M находится на уровне 3-25 Вт, и процессоры предназначаются для мобильных ПК. Особенности архитектуры:

· видоизмененное ядро Pentium III;

· используется интерфейс с шиной, разработанный для Pentium IV;

· усовершенствованный декодер команд и блок предсказывания переходов;

· поддержка SSE2;

· больший объем кэш-памяти;

· технология энергосбережения SpeedStrep 3 (предусматриваяющая большее число стадий “сна”, чем предшествующие версии).

Banias. Первый Pentium M получил кодовое имя “Banias ”, а в дальнейшем именовался Pentium M 705. Процессор изготовлялся по технологии 130 нм, рассчитан на частоту от 1,3 до 1,7 ГГц, использовал FSB на 400 МТ/s, и имел L1-кэш размера 1 МiB. Средняя энергоемкость ядра составляла 24,5 Вт.

Dothan. Усовершенствованная версия Pentium M была выпущена в мае 2004 г. Pentium M был один из первых процессоров Intel, которым были присвоены “номера процессоров” вместо частотного рейтинга, и основные образцы изделия известны как Pentium M 710 (1,4 ГГц), 715 (1,5 ГГц), 725 (1,6 ГГц), 735 (1,7 ГГц), 745 (1,8 ГГц), 755 (2,0 ГГц) и 765 (2,1 ГГц). Процессор не поддерживал ни возможностей hyperthreading, ни набора команд SSE3.

Эта серия процессоров Pentium M была выпущена на основе технологии 90нм, с удвоенным размером вторичного кэша. Размер кристалла, на котором 140 млн транзисторов, составлял 84 мм². Энергопотребление снизилось до 21 Вт. Тесты, выполненные независимыми исследователями, показали, что Dothan превышает Banias по эффективности примерно на 10-20 % в большинстве случаев.

В 2005 г. был выпущен переработанный Dothan, предназначенный для чипсета Sonoma, поддерживающий FSB на 533 МТ/s и опцию XD. Это были изделия с номерами 730 (1,6 ГГц), 740 (1,73 ГГц), 750 (1,86 ГГц), 760 (2,0 ГГц, 770 (2,13 ГГц) и 780 (2,26 ГГц), которые имели энергопотребление 27 Вт и кэш L2 на 2 MiB.

Частота процессоров к июля 2005 г. достигла диапазона от 1,0 до 2,26 ГГц. Модели 718 (1,3 ГГц), 738 (1,4 ГГц), 758 (1,5 ГГц), 778 (1,60 ГГц) являются низковольтными (1,116 В) с тепловыделением 10 Вт, тогда как 723 (1,0 ГГц), 733 (1,1 ГГц) и 753 (1,2 ГГц) – ультранизковольтные (0,940 В), тепловыделение – 5 % Вт.

Архитектура IA-64. Данная архитектура была объявлена Intel в мае 1999 г. Типичным представителем архитектуры является ЦП Itanium. Процессоры IA-64 располагают мощными вычислительными ресурсами, включая 128 регистров для ФЗ, 128 регистров ПЗ и 64 регистра предикации наряду с множеством регистров специального назначения (рис.5.3.6.2).

Архитектура IA-64 представляет собой полностью оригинальную разработку. IA – это комплекс между CISC и RISC, попытка создать их совместимыми.

Основная проблема архитектуры IA-64 заключается в отсутствии встроенной совместимости с х86 кодом, что не позволяет процессорам IA-64 эффективно работать с программным обеспечением, разработанным за последние 20-30 лет. Intel оборудует свои процессоры IA-64 (Itanium, Itanium 2 и.т.д.) декодером, который преобразует инструкции х86 в команды IA-64. Декодер не является самым эффективным как по способу реализации, так и по принципу построения, ведь аппаратная поддержка инструкций х86 работает значительно быстрее. Поэтому Itanium и Itanium 2 характеризуются низкой производительностью в приложениях х86.

Montecito – кодовое наименование двуядерных процессоров Intel Itanium 2, которые впервые были выпущены 18 июля 2006 г. под официальным наименованием “ore Intel Itanium 2 processor”. По данным Intel, ЦП Montecito позволяет удвоить производительность по сравнению с предшествующим одноядерным Itanium 2 при снижении энергопотребления на 20 %.

Особенности архитектуры (рис.5.3.6.3.):

Рис. 5.3.6.3. Двухъядерный процессор “Dual-Core Intel Itanium 2 processor” (Montecito)

· два ядра на кристалл;

· многопоточность до 2 потоков на ядро, 4 потоков на кристалл;

· для каждого ядра выделяется L1-кэш по 16 Кбайт для программ и данных;

· для каждого ядра кэш L2 размером 1 Мбайт для команд и 256 Кбайт для данных;

· кэш L3 2 Мбайт на каждое ядро;

· 1,72 млн транзисторов;

· размер кристалла – 27,72 х 21,5 мм, или 256 мм²;

· технологический процесс 90 нм;

· более низкое энергопотребление и тепловыделение по сравнению с более ранними ЦП Itanium, несмотря на большее число транзисторов и тактовую частоту (75 – 104 Вт);

· управление энергопотреблением Demand Base Switching -технология, поддерживаемая совместно с ОС;

· улучшенная компенсация ошибок в кэш-памяти;

· технология виртуализации, поддерживающая работу нескольких копий ОС одновременно;

· улучшенная полоса пропуская первичной шины (FSB), утроенная по сравнению с предыдущими образцами (до 21 Гбайт/с).

NetBurst. Это название Intel дала новой архитектуре, которая последовала за архитектурой Р6. Концепция NetBurst должна была улучшить производительность, повысить эффективность выполнения команд вне естественного порядка и позволить создать процессор, который может достигнуть намного более высоких частот и более высокой производительности относительно микроархитектур Р5 и Р6, при обеспечении обратной совместимости (рис.5.3.6.4.).

Первый представитель архитектуры NetBurst – ЦП 7-го поколения Pentium IV – является самым большим шагом развития к архитектуре IA-32. Одно из самых важных изменений – внутренний конвейер процессора, включающий 20 стадий против 10для микроархитектуры Р6 и способствующий работе процессора на значительно более высоких частотах, чем у его предшественников.

Микроархитектура NetBurst предусматривает только один декодер, а блок выполнения команд вне естественной последовательности включает кэш-память декодированных команд, которая хранит расшифрованные микрооперации.

Pentium IV Prescott (февраль 2004 г.). В начале февраля 2004 г. Intel анонсировала четыре новых процессора Pentium IV (2,8; 3,0; 3,2 и 3,4 ГГц), основанные на ядре Prescott, которое включает ряд нововведений. Вместе с выпуском четырех новых процессоров Intel представила процессор Pentium IV 3.0 EE (Extreme Edition), основанный на ядре Nerthwood и имеющий 2 Мбайт кэш-памяти третьего уровня, а также упрощенную версию Pentium IV 2.8 A, основанную на ядре Prescott с ограниченной частотой шины (533 МГц).

Prescott выполнен по технологии 90нм, что позволило уменьшить площадь кристалла, причем число транзисторов было увеличено более чем в 2 раза. В то время как ядро Northwood имеет площадь 145 мм² и на нем размещено 55 млн транзисторов (рис.5.3.6.5, б), ядро Prescott имеет площадь 122 мм² и содержит 125 млн транзисторов (рис. 5.3.6.5, в).

Рис.5.3.6.5. Ядра процессоров Pentium IV: а – Willamette, 0,18 мкм; б – North0wood, 0,13 мкм; в – Smithfield (2 x Prescott 1M)

Перечислим некоторые отличительные особенности процессора:

· новые SEE-команды. Intel представила Prescott новую технологию SEE3, которая включает 13 новых потоковых команд, которые увеличат производительность нескольких операций как только программы начнут их использовать;

· увеличенный объем кэш-памяти. Одним их важнейших с точки зрения производительности дополнений можно считать увеличенный до 1 Мбайт кэш второго уровня. Объем кэш-памяти первого уровня также был увеличен до 16 Кбайт;

· улучшенная предвыборка данных. Ядро Prescott имеет улучшенный механизм предвыборки данных;

· улучшенный Hyperthreading. В новую версию включено множество новых особенностей, способных оптимизировать многопоточное выполнение различных операций. Единственный недостаток новой версии заключается в необходимости перекомпиляции программного обеспечения и обновления операционной системы;

· увеличенная длина конвейера. Для увеличения рабочей частоты будущих процессоров ядро Prescott имеет увеличенную с 20 до 32 ступени длину конвейера. Увеличение длины конвейера негативно сказывается на производительности в случае непрерывного предсказания ветвлений. Для компенсации увеличения длины конвейера была улучшена технология предсказания ветвлений.

Cedar Mill, выпущенный в начале 2006 г. и представляющий собой прямую переделку ядра серии 600 на технологию 65 нм, без какого-либо качественного развития.

Pentium D. Появление многоядерных процессоров для настольных ПК, как ожидается, прекратит гонку за тактовую частоту между Intel и ADM, которая длилась в течение нескольких лет (дальнейший рост частоты будет, вероятно, по-прежнему происходить по экспоненциальному закону).

Pentium D построен по микроархитектуре NetBurst, как все модели Pentium IV. Pentium D стал первым двухъядерным процессором, предназначенным для ПК архитектуры х86, хотя и не первым двухъядерным процессором этой архитектуры, - незадолго до этого AMD выпустила двухъядерные ЦП Opteron. Двухъядерные процессоры других архитектур существовали и ранее, например IBM PowerPC-970MP.

Каждое ядро имеет собственную кэш-память L1 (16 Кбайт для данных + 12 тысяч операций), а также L2 (1024 Кбайт), к которому может обратиться другое ядро через специальную интерфейсную шину. Площадь кристалла – 206 мм², 230 млн транзисторов. Максимальная TDP -130 Вт, нормальное напряжение питания 1,4 В.

Первые чипы Pentium D, представленные в мае 2005 г были построены на технологии Intel 90 нм и имели номера моделей в ряду 800. В 2005 г. вышли три чипа Pentium D Smithfield, модели: 805 (2,66 ГГц), 820 (2,8 ГГц), 830 (3,0 ГГц), 840 (3,2 ГГц). Эффективная частота системной шины (FSB) – 800 МГц (для моделей 820, 830, 840), 533 МГц (для модели 805).

Presler. В январе 2006 г. был выпущен образец Pentium D с номерами 900 и кодовым наименование “Presler”, изготовленный на технологическом процессе Intel 65 нм.

Чипы Presler включают пару ядер Cedar Mill. Однако, в отличие от предыдущего Pentium D Smithfield, здесь два ядра физически разделены. Включение двух дискетных кристаллов в единый пакет обеспечивает гибкость производства, позволяя использовать тот же самый кристалл как для одноядерного Cedar Mill, так и для двухъядерного ЦП Presler. Кроме того, производственные расходы улучшаются, поскольку при обнаружении дефекта выбраковывается только один кристалл, а не двухъядерный пакет.

Новая технология позволила увеличить не только тактовую частоту, но также и число транзисторов на кристалле. Presler имеет 376 млн транзисторов. В то же самое время размер кристалла был уменьшен с 206 до 162 мм².

Размер кэша L1 (для каждого ядра) – 16 Кбайт (для данных) + 12 тысяч операций, кэша L2 (для каждого ядра) – 2048 Кбайт. Эффективная частота системной шины (FBS) 800 МГц, номинальное напряжение питания 1,25 -1,4 В. Максимальная TDP 130 Вт.

Размещение нескольких ядер центрального ЦП на одном кристалле имеет то преимущество, что в кэш-память может работать при намного более высокой частоте.

Считается, что Pentium D был последним процессором, несущим фирменный знак Pentium – основного изделия Intel, начиная с 1993 г.

В марте 2006 г. Intel обнародовала подробности новой микроархитектуры Intel Core, являющейся преемником NetBurst и мобильных процессоров Pentium M, которая рассматривается в качестве основы для планируемых к выпуску многоядерных процессоров, ориентированных на серверные, настольные и мобильные компьютеры. Микроархитектура Intel Core была разработана той же группой инженеров Intel, которая спроектировала высокоэкономичные процессоры Pentium M.

На самом деле, первые процессоры Intel Core фактически появились в январе 2006 г. в составе технологий мобильных ЦП Centrino Duo. Процессор Core Duo (предварительное наименование “Yonah”), выпушенный тогда, был первым мобильным двухъядерным процессором Intel, основываемся на технологии 65 нм. Новая микроархитектура базируется на модифицированной версии ядра Yonah (рис. 5.3.6.6.).

Дата добавления: 2013-12-13