2.4. 2. Процессоры, выпускаемые фирмой amd
Процессоры компании AMD имеют не менее богатую историю, чем процессоры Intel, и разнообразия здесь тоже более чем достаточно.
С точки зрения производственных возможностей AMD можно отметить, что в 2005 году компания уверенно освоила нормы 90- наметрового технологического процесса с применением технологии SOI (Silicon-on-Insulator).
Однокристальные устройства, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе» (SOI), обладают преимуществами, связанными с работой на диэлектрической подложке из высококачественного кремния. Технология SOI уже получила признание у разработчиков цифровой логики, SRAM и DRAM, и воспринимается ими как наиболее перспективная технология ближайшего будущего.
Теперь перейдем к рассмотрению микроархитектуры процессора AMD Athlon 64 (рисунок 2. 3), который называют процессором нового, восьмого поколения.
Существует достаточно много различных версий ядра процессоров AMD Athlon 64 (ClawHammer, San Diego, Venice), которые отличаются технологией производства, размером кэш - памяти и другими незначительными изменениями архитектуры. Однако в основе всех этих ядер лежит одна и та же микроархитектура AMD 64.
Отличительной особенностью этой микроархитектуры является:
- поддержка архитектуры х86-64 ISA;
- интегрированный контроллер памяти;
- интегрированный интерфейс HyperTransport.
Рис. 2. 3. Архитектура процессора AMD Athlon 64.
Микроархитектура AMD 64 существенно отличается от рассмотренной микроархитектуры процессоров Intel.
Схема работы ядра процессора в полной мере соответствует рассмотренной схеме «классического» процессора. Поток инструкций в формате х86-64 ISA поступает в схему предпроцессора (Front End) из кэш-памяти L1. Кэш первого уровня (L1) имеет общий размер 128 Кбайт и разделён на кэш данных (D-cache) и кэш инструкций (I-cache), каждый размером по 64 Кбайт.
Кэш L1 остался ассоциативным двухканальным с размером кэш-блока 64 байт.
Кэш данных поддерживает 40-битный физический и 48-битный линейный адреса. Кэш второго уровня (L2) может иметь максимальный размер до 1 Мбайт.
Как и в большинстве современных х86-совместимых процессоров, имеющих внутреннюю RISC-архитектуру, в процессоре с архитектурой AMD 64 внешние CISC-команды декодируются во внутренние RISC-инструкции, для чего используется декодер команд.
Сначала инструкции х86 разделяются на большие (Large x86 Instruction) и маленькие (Small x86 Instruction). Большие, или сложные, инструкции поступают в программный (Microcode Engine) декодер, а маленькие, или простые, инструкции - в аппаратный (Fastpath) декодер. Оба декодера выполняют одну и ту же задачу - транслируют х86-инструкции в простейшие машинные команды (микрооперации), называемые uOps. Сами х86-команды могут быть переменной длины, а вот длина микроопераций уже фиксированная.
Простые инструкции при декодировании представляются с помощью двух-трех uOps -команд, и с этой задачей вполне может справиться аппаратный декодер, построенный на логических схемах.
Сложные команды при декодировании могут представляться несколькими десятками и даже сотнями uOps -инструкций. Для того чтобы их декодировать, используется специализированный программный декодер, представляющий собой своеобразный процессор. Такой декодер содержит программный код, хранящийся в MIS (Microcode Instruction Sequencer), на основе которого воспроизводится последовательность uOps -инструкций.
Все целочисленные инструкции направляются в планировщик инструкций для работы с целыми числами (Int Scheduler), образованный тремя станциями резервирования (RES), каждая из которых рассчитана на восемь инструкций. Все три станции, таким образом, образуют планировщик на 24 инструкции.
После того как все инструкции прошли диспетчеризацию в соответствующих планировщиках, они могут быть выполнены непосредственно в соответствующих исполнительных устройствах.
Блок операций с целыми числами также полностью конвейеризирован, длина конвейера - 12 ступеней. Блок состоит из трёх распараллеленных частей, что в итоге позволяет выполнять три целочисленные операции за один такт (кроме умножения). Для умножения требуется три такта в случае 32-битных чисел и пять тактов в случае 64-битных.
64-разрядная архитектура процессора
Как уже отмечалось, одним из главных новшеств процессоров AMD Athlon 64 является 64-разрядная архитектура х86-64 ISA.
64-битная адресация, используемая в процессорах AMD Athlon 64, является полностью совместимой с архитектурой х86-32, то есть на таком процессоре вполне можно использовать и 32-разрядные приложения - просто при этом возможности процессора задействуются не в полной мере, но в любом случае дополнительный запас адресации не повредит.
Для реализации 64-разрядности в процессор добавлено несколько новых регистров, а существующие регистры соответственно расширены с 32 до 64 бит. Так, к восьми регистрам общего назначения добавлено ещё восемь 64-битных регистров, использование которых возможно только при соответствующей перекомпиляции программного кода.
Рассмотрим другие элементы архитектуры процессора.
Контроллер памяти в процессорах AMD Athlon 64 интегрирован в сам процессор. Традиционно он располагается в северном мосте чипсета на материнской плате. Собственно, контроллер памяти - это основной функциональный блок северного моста. Недаром в чипсетах Intel этот мост называют МСН (Memory Controller Hub). Преимущество такого решения очевидно, контроллер памяти, интегрированный в процессор, обеспечивает низкую латентность при обращении к памяти. Контроллер памяти процессора поддерживает DDR-память (DDR200/ 266/333/400) в двухканальном режиме работы и имеет ширину шины 64 бит.
Сам по себе контроллер памяти включает два функциональных блока: контроллер памяти МСТ и контроллер DRAM DCT. DCT - это физический интерфейс, зависящий от конкретного типа используемой памяти. МСТ - это интерфейс согласования ядра процессора с DCT, не зависящий от типа используемой памяти.
Контроллер HyperTransport
Революционным новшеством процессора AMD Athlon 64 является поддержка шины HyperTransport - универсальной шины межчипового соединения.
В её основу положено две концепции: универсальность и масштабируемость. Универсальность шины HyperTransport заключается в том, что она позволяет связывать между собой не только процессоры, но и другие компоненты материнской платы, о чем мы еще расскажем. Масштабируемость шины состоит в том, что она дает возможность наращивать пропускную способность в зависимости от конкретных нужд пользователя.
Устройства, связываемые по шине HyperTransport, соединяются по принципу «точка-точка» (peer-to-peer), что подразумевает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Передача и прием данных могут происходить в асинхронном режиме, причем передача данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт.
Масштабируемость шины HyperTransport обеспечивается посредством магистрали шириной 2, 4, 8, 16 и 32 бит в каждом направлении. Кроме того, предусматривается возможность работы на различных тактовых частотах. При этом передача данных происходит по обоим фронтам тактового импульса.
Основные типы ядер процессоров, выпускаемых фирмой AMD:
- Palomino;
- Thoroughbred, Thoroughbred-B;
- Barton;
- Sparta;
- San Diego;
- Orleans;
- Windsor;
- Toliman;
- Agena;
- Brisbane.
Из всех вышеперечисленных ядер Palomino, Thoroughbred,Thoroughbred-B, Barton и Sparta – это устаревшие конструкции.
Процессоры Athlon XP с ядром Palomino - это самая ранняя версия процессоров Athlon XP. Они выполнены по 0,18-микронному технологическому процессу. Ядро Palomino является улучшенной версией прежнего ядра Thunderbird. К улучшениям относится добавление поддержки SSE-инструкций, предварительной выборки данных и внедрения в ядро встроенного термодиода. Начиная с процессоров Athlon XP с ядром Palomino в маркировке процессоров компания AMD стала использовать не тактовую частоту (как это делалось ею ранее и до сих пор делается для всех процессоров Intel), а рейтинг производительности в сравнении с процессорами на ядре Thunderbird. Так, маркировка Athlon XP 1500+ означает, что производительность данного процессора соответствует производительности процессора на ядре Thunderbird, если бы последний имел тактовую частоту 1500 МГц. Процессоры Athlon XP с ядром Palomino поддерживают частоту системной шины 266 МГц и имеют кэш L2 размером 256 Кбайт.
Процессоры Athlon XP с ядром Thoroughbred отличается от предыдущего модельного ряда тем, что ядро процессора изготовляется по 0,13-микронному технологическому процессу. Соответственно процессоры Athlon XP с ядром Thoroughbred имеют большие тактовые частоты. Частота системной шины и размер L2 кэша остались такими же, как и у процессоров на ядре Palomino.
Процессоры Athlon XP с ядром Thoroughbred-B - несколько улучшенный вариант процессоров Athlon XP с ядром Thoroughbred. Данное ядро фактически можно рассматривать как степпинг ядра Thoroughbred. В новой версии ядра за счет незначительных изменений в архитектуре используются более высокие тактовые частоты, а помимо частоты системной шины 266 МГц поддерживается частота 333 МГц. Процессоры на ядре Barton - последняя разработка компании. Выполнено ядро по 0,13-микронному технологическому процессу. Как и старшие версии на ядре Thoroughbred-B, процессоры Barton поддерживают частоту системной шины 333 МГц, но при этом имеют кэш второго уровня 512 Кбайт.
Процессоры на ядре Barton являются наиболее производительными среди процессоров AMD Athlon XP. Из революционных изменений в данном процессоре можно выделить три: поддержка архитектуры x86-64 ISA, наличие интегрированного в процессор контроллера памяти и интегрированного интерфейса Hyper Transport.
Процессоры AMD Opteron
Процессоры серий Opteron позиционируются компанией AMD прежде всего в качестве элементов серверных систем, хотя, некоторые серии - главным образом, экономичные, рассчитаны на применение в различных встраиваемых решениях. Различные модели этих процессоров представлены в таблице 2.3.
Основным идентификатором процессоров AMD Opteron служит 3-значный цифровой номер, где первая цифра означает максимальную масштабируемость систем, в которых он может применяться:
Серия 100 – 1-процессорные серверы и рабочие станции
Серия 200 – серверы и рабочие станции с числом процессоров до двух
Серия 800 – серверы и рабочие станции с числом процессоров до восьми
Таблица 2.3.
Частота |
Модель |
||
2-ядерные процессоры Opteron |
|||
1,8 ГГц |
Opteron165 |
Opteron265 |
Opteron 865 |
2,0 ГГц |
Opteron 170 |
Opteron 270 |
Opteron 870 |
2,2 ГГц |
Opteron 175 |
Opteron 275 |
Opteron 875 |
2,4 ГГц |
Opteron 180 |
Opteron 280 |
Opteron 880 |
В таблице 2.4. собраны наиболее важные характеристики процессоров AMD Opteron.
Таблица 2.4.
Контроллер памяти |
+ |
ECC DRAM |
+ |
Шин HyperTransport |
3/0 |
Ширина шин HyperTransport |
16 бит x 16 бит |
Тактовая частота шин HyperTransport |
800 МГц, 1000 МГц |
AMD64 |
+ |
Кэш L1 (данные / инструкции) |
64 Кб / 64 Кб на ядро |
Кэш L2 |
1 Мб на ядро |
Конвейер, стадий (целочисленный / с плавающей запятой) |
12/17 |
Техпроцесс |
0,13 мкм, 90 нм, SOI |
Процессоры AMD Athlon 64 FX
Процессоры AMD Athlon 64 FX созданы на базе технологии AMD64, которая поддерживает выполнение 64-разрядных приложений и оборудована механизмом усовершенствованной антивирусной защиты (Enhanced Virus Protection) при поддержке операционной системы. Процессоры AMD Athlon 64 FX имеют минимальные отличия от своих серверных собратьев AMD Opteron.
Наиболее известный в 2005 году процессор серии - Athlon 64 FX-57, выполнен на базе ядра San Diego и представляет собой поколение процессорной архитектуры AMD, выпускаемое с соблюдением норм 90 нм с применением SOI.
Среди возможностей процессор Athlon 64 FX-57 - улучшенный контроллер памяти с поддержкой модулей различной ёмкости в двухканальном режиме, возможность использования двусторонних модулей памяти без снижения скорости, а также поддержка инструкций SSE3.
Процессор Athlon 64 FX-57 поддерживает номинальное напряжение питания ядра 1,4 В. За счёт применения нового технологического процесса достигнуто увеличение тактовой частоты на 200 МГц - до 2,80 ГГц, без изменения TDP (Thermal Design Power), оставшегося на уровне FX-55, то есть, 104 Вт.
Процессоры AMD Athlon 64 X2/ВЕ-2300/ВЕ-2400/4450/5000/6000
Значительным плюсом процессоров AMD Athlon 64 X2 является возможность работать на любой плате под процессоры Socket 939, например, под Athlon 64 FX, с соответствующей прошивкой BIOS. Процессоры Athlon 64 X2 состоят из 233 млн. транзисторов, обладают ядром суммарной площадью 199 мм², поддерживают набор инструкций SSE3 и оснащены усовершенствованным контроллером памяти.
В настоящее время компания AMD выпускает великое множество разнообразных моделей процессоров Athlon 64, с разными ядрами, разными тактовыми частотами, разными объёмами кэша L2, различающимися версиями встроенного контроллера памяти, под разные процессорные разъёмы.
Процессоры AMD Sempron
Самая обширная линейка нынешних процессоров AMD, реализованная на базе нескольких поколений архитектур, в трёх форм-факторах – это массовые чипы Sempron.
Как обычно, чипы Sempron для массового рынка обладают меньшим объёмом кэша L2 – 128 Кб или 256 Кб. Торговая марка Sempron изначально была ориентирована на массовый рынок бюджетных процессоров. Бюджетные процессоры Sempron вместили в себя Socket A процессоры Athlon XP, и затем - все бюджетные варианты чипов под Socket 754 с урезанным кэшем L2.
В категории AMD Sempron также появились версии процессоров под Socket 939 с «облегчённым» объёмом кэша L2.
AMD Sempron 64 LE-1300 – это урезанная модель AMD Athlon64. Нужно отметить, что процессоры AMD Athlon 64 LE - 1640 и AMD Sempron 64 LE-1300 имеют одно ядро («Sparta» и «Orleans»). Но есть AMD Sempron X2 2100 – это процессор двухядерный, сокет- АМ2, тактовая частота- НТ 1600 МГц, технологический процесс - 65 нм.
AMD Athlon 64 LE - 1600. Частота системной шины – HT 2000 МГц, кэш второго уровня L2 размером 1024 Кбайт, тактовая частота - 2000 МГц, ядра - «Orleans» и «Brisbane», технологический процесс - 65 нм.
AMD Athlon 64 X2 BE-2300, X2 4050 e, Х2 5000, Х2 5600, Х2 6000 - это двухядерные процессоры. Частота системной шины - НТ 2000 МГц, кэш второго уровня L2 размером от 1024 до 2048 Кбайт, тактовая частота 2600, 2800 и 3000 МГц, технологический процесс – 65нм и 90 нм, тип сокета- АМ2.
AMD Phenom X4 9850, X4 9950 BE (Black Edition) - это четырёхядерные процессоры для высокопроизводительных компьютеров.
Процессоры имеют частоту системной шины 3600 МГц и 4000 МГц, тактовую частоту - от 2400 МГц до 2833 МГц, объём L2- кэш – от 8192 до 12 288 Кбайт. Название ядра «Agena».
Процессор AMD Phenom X4 9950 BE, несмотря на свои высокие характеристики, имеет главный недостаток – высокое энергопотребление (140Вт). Его нельзя устанавливать в недорогие материнские платы, преобразователь напряжения просто не выдержит нагрузки.
Ещё одним важным показателем работы процессора являются баллы, набранные при тестировании в PCMark 05.
Основные характеристики процессоров Athlon 64 X2 6400+ и Phenom X4 9850 представлены в таблице 2.5.
Таблица 2.5.
Процессор |
Athlon 64 X2 6400+ |
Phenom X4 9850 |
Название ядра |
Windsor |
Agena |
Технология пр-ва |
90 нм |
65 нм |
Частота ядра, ГГц |
3,2 |
2,5 |
Кол-во ядер |
2 |
4 |
Кэш L1, I/D, Кб |
64/64 |
64/64 |
Кэш L2, Кб |
2x1024 |
4x512 |
Кэш L3, Кб |
— |
2048 |
Частота шины, МГц |
2x800 (DDR2) |
533 (1066) |
Мобильные процессоры AMD Turion 64
Мобильная технология AMD Turion 64 создана и оптимизирована для применения в составе современных тонких и легких ноутбуков. Для процессоров этой серии характерна поддержка технологии AMD PowerNow (энергосберегающая технология), увеличивающая время автономной работы от аккумуляторов и уменьшающая тепловыделение. Процессоры AMD Turion 64 сертифицируются на совместимость с беспроводными стандартами Bluetooth.
Процессоры AMD Turion 64 производятся с соблюдением норм 90 нм техпроцесса с применением технологии SOI, исполняются в 754-контактном корпусе micro-PGA с нормированной тепловой мощностью порядка 25 Вт или 35 Вт.
Для номеров моделей процессоров AMD Turion 64 используется новое буквенно-цифровое обозначение, которое упрощает принятие решений о приобретении мобильных компьютеров конечными пользователями благодаря понятному обозначению как относительной производительности процессора, так и фактора мобильности, определяемого потребляемой мощностью, возможностью устанавливать в легкие и тонкие мобильные компьютеры, а также длительностью автономной работы для данного семейства процессоров.
Процессоры AMD Mobile Athlon 64 DTR, Mobile Athlon 64, Mobile Sempron
Процессоры AMD Athlon 64 для ноутбуков класса замены настольного ПК (DTR, Desktop Replacement) предлагают производительность и все преимущества полноценных процессоров AMD Athlon 64, обладая при этом улучшенной технологией управления энергопотреблением - AMD PowerNow!
Процессоры AMD Athlon 64 DTR различаются по четырёхзначному цифровому номеру модели. Номера моделей процессоров AMD являются показателем, характеризующим производительность соответствующих процессоров AMD на базе широкого спектра тестов производительности. Больший номер модели указывает на более высокую эффективность исполнения программного обеспечения соответствующим процессором. Знак «+» в конце каждого номера модели означает дополнительные возможности повышения производительности.
AMD Mobile Athlon 64 DTR
Процессоры AMD Athlon 64 DTR, выпускаемые на заводе Fab 30 в Дрездене, Германия, с применением норм 90 нм или 0,13 мкм с SOI, обладают 64 Кб + 64 Кб кэша L1 (инструкции + данные), 1Мб или 512 Кб кэша L2, подерживают шину HyperTransport с пропускной способностью до 1600 МГц (754-контактный) или 2000 МГц (939-контактный).
Чипы AMD Athlon 64 DTR выпускаются в 754-контактном или 939-контактном корпусе micro-PGA, при этом размер ядра составляет от 84 мм² до 112,9 мм², количество транзисторов - 68,5 до 114 млн., в зависимости от размера памяти. Нормируемая проектная тепловая мощность (TDP) всей линейки - 89 Вт.
Процессоры Mobile AMD Athlon 64 c усовершенствованной системой управления электропитанием AMD PowerNow отличаются низким энергопотреблением, наличием 512 Кб кэша L2, 64 Кб + 64 Кб кэша L1 (инструкции + данные), 16x16 шиной HyperTransport, встроенным 64-битным контроллером памяти.
Чипы Mobile AMD Athlon 64 производятся с применением норм 90 нм техпроцесса с SOI, выпускаются в 754-контактном корпусе micro- PGA с проектной тепловой мощностью 35 Вт, при этом площадь кристалла равна 84 мм², количество транзисторов - 68,5 млн.
Процессоры Mobile AMD Sempron применяются в недорогих мобильных ПК и характеризуются полным набором возможностей чипов Mobile AMD Athlon 64, включая технологию AMD PowerNow .
Чипы Mobile AMD Sempron производятся с применением норм 90 нм техпроцесса с SOI, выпускаются в 754-контактном корпусе micro-PGA без крышки, с проектной тепловой мощностью 25 Вт.