Глава 10. Современные 64-разрядные микропроцессоры корпораций Intel и amd

Автор достаточно рисковал, включая этот материал в учебное пособие, так как публикуемые в наше время сведения о конкретных моделях микропроцессоров устаревают, находясь ещё под печатным станком. Однако ради полноты картины о современных 64-разрядных архитектурах эта глава оправдывает своё присутствие в настоящем пособии.

10.1 Архитектура Intel Core 2

Восьмое поколение процессоров Intel, получившее название Core 2, без доли сомнения можно назвать революционным.

Инженеры Intel после довольно продолжительного отставания от AMD не придумали кардинально новую архитектуру. Как водится, все новое – это хорошо забытое старое. В основу Conroe легли наработки мобильного Pentium M – процессора настолько успешного, что некоторые производители стали применять его не только для переносных компьютеров, но и для настольных рабочих станций. В свою очередь, Pentium M тоже появился не на пустом месте. Его прародителем является Pentium III, который, как известно, был эволюционным продолжением Pentium Pro.

Соответствующая эволюционная цепочка выглядит следующим образом: Pentium Pro  Pentium II  Pentium III  Pentium M  Core 2.

Данный случай является примером, когда шаг назад стал значительным шагом вперед. Если очень сильно абстрагироваться от деталей, то разработчики из Intel сделали следующее. Создали к 1995 году довольно успешный процессор Pentium Pro, нарастили его мощность (Pentium II, Pentium III), разработали механизм снижения энергопотребления (Pentium M), создали эффективную систему взаимодействия нескольких процессорных ядер (Core 2). Эта схема весьма условна, так как на каждом из этапов были и другие существенные доработки (такие как переход к 64-разрядной архитектуре), но некоторые наследственные черты все же сохранились.

В зависимости от целевого сегмента процессоры имеют свои технологические особенности. Для настольных систем предназначены Conroe-L (одно ядро), Allendale (два ядра), Conroe и Wolfdale (два ядра), Kentsfield и Yorkfield (четыре ядра). Кодовые имена Merom и Penryn носят продукты, ориентированные на мобильный сегмент рынка. Последней реинкарнацией архитектуры Core 2 станут шестиядерные процессоры Dunnington.

Следующее за Core 2 поколение процессоров продаётся под брендом Core i7 (архитектура Nehalem).

Следует отметить, что шестиядерные конфигурации не дают шестикратный прирост производительности по сравнению с одноядерными. Причины кроются в особенностях работы с памятью. В отдельных задачах вместо улучшения быстродействия возможно даже снижение скорости работы. Это объясняется тем, что большинство программных продуктов еще на адаптировано для работы на многопроцессорных (многоядерных) платформах.

Что же изменилось в Intel Core 2 по сравнению с Pentium 4? Одно из важных отличий – уход от длинноконвейерной архитектуры NetBrust, главной задачей которой было обеспечить определенное преимущество в условиях «гонки гигагерц». Кроме того, произошло существенное сокращение длины конвейера. В архитектуре Core его длина составляет 14 ступеней, в то время как в предыдущем поколении процессоров она была равна 31 ступени (ядро Prescott), а это более чем двукратное сокращение. Зато первые NetBrust-процессоры на ядре Northwood разгонялись с 1,6 до 3,4 ГГц. Не лишним будет напомнить, что такое повышение тактовой частоты было чревато чрезмерным энергопотреблением (для топовых процессоров TDP оно доходило до 160-170 Вт). Однако, как показывала практика, все эти гигагерцы очень слабо трансформировались в рост производительности.

Объем L2-кэша у новых моделей варьируется от 3 Мбайт у Wolfdale‑3М до 12 Мбайт у Yorkfield.

Прежде чем переходить к изучению структурной схемы, отметим ключевые технологические моменты, которые лежат в основе архитектуры Core:

• Intel Wide Dynamic Execution – обеспечивает выполнение до пяти микроопераций за один такт.

• Intel Intelligent Power Capability – представляет собой целый набор технологий, призванных существенно снизить энергопотребление.

• Intel Advanced Smart Cache – подразумевает наличие общей для всех ядер кэш-памяти L2, которая динамически распределяется между ними в зависимости от выполняемых задач.

• Intel Smart Memory Access – комплекс технологий по оптимизации алгоритмов доступа к памяти и предварительной загрузки данных.

• Intel Advanced Digital Media Boost – технология, направленная на оптимизацию декодирования мультимедийного контента. Позволяет обрабатывать все 128-разрядные команды SSE, SSE2 и SSE3, широко используемые в мультимедийных и графических приложениях, за один такт.

• Intel 64 Technology – 64-битный (ЕМ64Т) режим целочисленной и адресной арифметики. Он позволяет работать с числами большой разрядности, а также адресовать свыше 1 Тбайт памяти. 32-битная архитектура позволяла адресовать не более 4 Гбайт оперативной памяти. Это накладывает определенные ограничения при работе с большими объемами данных.