50

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

РЕФЕРАТ

«Микроархитектура Intel Nehalem (i7)»

Студент

Капнин А. В.

подпись, дата

фамилия, инициалы

Группа

МАС-07

Преподаватель

Ведищев В. В.

подпись, дата

фамилия, инициалы

Липецк 2008

АнНоТация

С. 48. Табл. 4. Ил. 22. Библиогр. 6 назв. Прил.:1;

Оглавление

АННоТАЦИЯ 2

Оглавление 3

Введение 4

Общие принципы микроархитектуры Nehalem 5

Усовершенствованное процессорное ядро 10

TLB и кэш-память 18

Новые SSE4.2 инструкции 23

Интегрированный контроллер памяти 24

Шина QPI 26

Управление питанием и Turbo-режим 28

Первые Nehalem – это Bloomfield 32

Заключение 35

Приложение. Оперативная память DDR 3 38

Изучаем новое поколение памяти DDR SDRAM, теоретически и практически 38

DDR3: некоторые технические сведения 45

Табл. 1. Скоростные характеристики модулей памяти DDR3 48

Литература 50

Введение

О том, что в 2008 году нас ждёт встреча с процессорами Intel с новой микроархитектурой, известно очень давно. Это стало ясно ещё два года назад, когда компанией была представлена концепция развития «Tick-Tock», согласно которой каждый год меняется либо технология производства процессоров, либо их микроархитектура. В прошлом году Intel представила процессоры семейства Penryn, представляющие собой обновлённые Core, выпуск которых был переведён на 45-нм технологический процесс с использованием соединений гафния. Следовательно, в этом году пришла очередь новой микроархитектуры – Nehalem, первыми представителями которой выступают процессоры Bloomfield, ориентированные на использование в настольных системах.

Рис. 1. Концепция развития «Tick-Tock»

Чередование внедрения новых технологических процессов и разработки новых микроархитектур позволило компании Intel избавиться от задержек при анонсе новых процессоров. Поэтому ровно через год после представления семейства Penryn мы вновь поднимаем тему процессорных нововведений: неминуемо приближается дата появления на рынке процессоров с микроархитектурой Nehalem. Учитывая значительность этого события, мы решили разделить наш первый материал, посвящённый ожидаемой новинке, на несколько частей. Сегодня мы поговорим об особенностях архитектурных и технологических решений, нашедших место в перспективных процессорах, а затем выйдет вторая часть статьи, в которой нас будет ждать подробное знакомство с производительностью Nehalem в реальных задачах и другими не менее важными его потребительскими качествами.

Общие принципы микроархитектуры Nehalem

Прежде чем начать знакомство с многообещающей микроархитектурой Nehalem, несколько слов необходимо сказать о причинах её появления. Ведь хотя её создание ведётся очень давно, вряд ли компания Intel заинтересована в скорейшем появлении процессоров на ней основанных только лишь ради вписывания в самой же сформулированный план «Tick-Tock». Очевидно, что на первый взгляд весьма успешная микроархитектура Core чем-то не удовлетворяет микропроцессорного гиганта, причём причины этого не лежат на поверхности. Процессоры Core полны преимуществ, хорошо продаются и на голову переигрывают предложения конкурента. Оказывается, существенным недостатком Core, особенно досаждающим Intel, стал их немодульный дизайн. Выступая дальнейшим развитием мобильных процессоров Pentium M, микропроцессоры Core 2 изначально проектировались как двухъядерные полупроводниковые кристаллы. Последующий же переход к выпуску многоядерных представителей семейства Core 2 стал выявлять слабые места такого подхода. Так, четырёхъядерные и недавно вышедшие шестиядерные представители микроархитектуры Core просто собирались из нескольких двухъядерных кристаллов, что приводило к затруднению взаимодействия между ними. Обмен данными между разрозненными ядрами организовывался через системную память, что порой вызывало большие задержки, обусловленные ограниченной пропускной способностью процессорной шины. Ещё одно узкое место возникало в многопроцессорных системах. Хотя Intel уже решил проблему с разделением системной шины, выпустив чипсеты, предлагающие собственную шину каждому процессору, производительность часто ограничивалась недостаточно высокой пропускной способностью шины памяти. Эту проблему, например, можно было наблюдать даже в ориентированной на энтузиастов платформе Skulltrail, не говоря уже о высокопроизводительных рабочих станциях и серверах. Иными словами, дальнейшее увеличение многоядерности и многопроцессорности, выбранное основным вектором увеличения производительности современных систем, рано или поздно должны были завести Intel в тупик, даже несмотря на то, что сама по себе современная микроархитектура Core и представляется очень удачной. Именно поэтому Intel и стремится к скорейшему переходу на Nehalem – микроархитектуру, которая в первую очередь решает описанные структурные проблемы. Ведь ключевыми особенностями Nehalem, бросающимся на вид при первом знакомстве, стали интегрированный в процессор контроллер памяти и новая шина с топологией точка-точка Quick Path Interconnects (QPI), позволяющая не только связывать процессор с чипсетом, но и несколько процессоров между собой напрямик. Все эти нововведения перекликаются со строением процессоров AMD, и это действительно так: о перспективности встраивания контроллера памяти в процессор и связывания процессоров между собой в многопроцессорных системах AMD догадалась несколько лет назад. Однако в роли догоняющего Intel выступает только в плане архитектурных улучшений: по удельной производительности процессоров она лидирует с момента выхода микроархитектуры Core. Вторым важным нововведением в Nehalem стал модульный дизайн процессора. Фактически, микроархитектура сама по себе включает лишь несколько «строительных блоков», из которых на этапе конечного проектирования и производства может быть собран итоговый процессор.

Этот набор строительных блоков включает в себя процессорное ядро с L2 кэшем, L3 кэш, контроллер шины QPI, контроллер памяти, графическое ядро и так далее.

Рис. 2. Модульный дизайн процессора

Необходимые «кубики» будут собираться в едином полупроводниковом кристалле и преподноситься в качестве решения для того или иного рыночного сегмента. Например, процессор Bloomfield, с которым мы встретимся в ближайшее время, включает в себя четыре ядра, L3 кэш, контроллер памяти и один контроллер шины QPI.

Рис. 3. Модульная структура процессора Bloomfield

Серверные же процессоры с той же архитектурой, которые будут представлены в начале следующего года, будут включать до восьми ядер, до четырёх контроллеров QPI для объединения в многопроцессорные системы, L3 кэш и контроллер памяти. Бюджетные же модели семейства Nehalem, запланированные к выходу на вторую половину следующего года, будут располагать двумя ядрами, контроллером памяти, встроенным графическим ядром и контроллером шины DMI, необходимым для прямой связи с южным мостом. Это – далеко не все возможные варианты, мы привели именно их лишь в качестве иллюстрации чрезвычайной гибкости строения Nehalem. Новые принципы дизайна платформ и процессоров – существенное, но не единственное нововведение, приходящее с внедрением новой микроархитектуры Intel. Многие изменения заложены и в главной составной части процессора – непосредственно в вычислительном ядре. Несмотря на то, что ядра процессоров Nehalem с точки зрения пользователя можно рассматривать лишь как улучшенный вариант микроархитектуры Core, в них реализовано много новых технологий и усовершенствований. Благодаря им процессоры Nehalem могут похвастать и увеличившейся «чистой» производительностью. Среди важных нововведений необходимо отметить появление технологии SMT (Simultaneous Multi-Threading) – аналога памятной технологии Hyper-Threading, позволяющей одновременно исполнять два вычислительных потока на одном ядре; добавление поддержки новых команд SSE4.2; повышение результативности механизма предсказания переходов; увеличение размера внутренних буферов; улучшение эффективности и скорости работы подсистемы кэш-памяти. Подводя итог сказанному, обобщим основные отличительные черты процессоров, принадлежащих к поколению Nehalem:

• Два, четыре или восемь ядер;

• Усовершенствованные по сравнению с Core вычислительные ядра;

• Технология SMT, позволяющая исполнять одновременно два вычислительных потока на одном ядре;

• Три уровня кэш-памяти: L1 кэш размером 64 кбайта на каждое ядро, L2 кэш размером 256 кбайт на каждое ядро, общий разделяемый L3 кэш размером до 24 Мбайт;

• Интегрированный контроллер памяти с поддержкой нескольких каналов DDR3 SDRAM;

• Монолитная конструкция – процессор состоит из одного полупроводникового кристалла;

• Технологический процесс с нормами производства 45 нм;

• Возможность интегрирования в процессор графического ядра;

• Новая шина QPI с топологией точка-точка для связи процессора с чипсетом и процессоров между собой;

• Модульная структура.

Теперь, после краткого знакомства с общей концепцией новой микроархитектуры, давайте уделим больше внимания особенностям отдельных узлов процессоров, её использующих.