4431

41

команд, применена кэш-память с отслеживанием выполнения команд и добавлен блок быстрого исполнения команд, который работает на удвоенной частоте ядра (например, при тактовой частоте ядра 2,53 ГГц блок быстрого исполнения команд работает на частоте 5,1 ГГц, а это, в основном, арифметические и логические команды). Также были улучшены характеристики уже традиционных блоков и технологий, например, динамического исполнения команд, вычислений с плавающей запятой, обработки команд, используемых в мультимедийных приложениях, потоковых SIMD-расширений SSE2, а кэш-память 2 уровня получила более совершенную, систему передачи данных. Сама же кэш-память использует отдельную шину (архитектура с двумя независимыми шинами — D.J.B.), независимую от системной, что позволило увеличить пропускную способность каналов передачи данных.

Первым на свет появился процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,3 ГГц. Выполненный по 0,18-микронному технологическому процессу, этот процессор имел кэш L2 размером 256 Кбайт, поддерживал частоту системной шины 400 МГц, выпускался в корпусе (423 контакта) и был предназначен для установки в разъем Socket 423. Всего имелось две версии данного процессора: степпинг ВО и степпинг С1, которые различались напряжением питания ядра процессора и, как следствие, рассеиваемым теплом и максимальной температурой корпуса. В настоящее время данная модель уже не производится.

В 2000 г. был выпущен процессор Pentium 4 с ядром Northwood и тактовой частотой 2 ГГц, для которого применили технологию 0,13 с использованием медных соединений. Размер кэша второго уровня — 512 Кбайт. Затем были выпущены процессоры Pentium 4 с тактовыми частотами ядра 1,30, 1,40, 1,50,

1,60, 1,70, 1,80, 1,90, 2,20, 2,40, 2,50, 2,53, 2,60, 2,66, 2,80, 3,06, 3,40 и 3,60 ГГц. В

процессорах использована кэш-память 1 уровня с технологией отслеживания исполнения команд (Execution Trace Cache) объемом 32 Кбайт, кэш-память 2 уровня — 256 Кбайт (для процессоров 2 ГГц и ниже) или 512 Кбайт (с архитектурой Advance Transfer Cache при техпроцессе 0,13 мкм).Несмотря на такой спектр новинок, использованных в процессорах Pentium 4, его применение в персональных компьютерах вызывает ряд споров, которые, в основном, вызваны тем, что при сравнении Pentium III и Pentium 4 не наблюдается явного повышения производительности. Тут можно сказать следующее новая архитектура требует нового подхода к разработке программ и операционных систем. Соответственно, если на новом типе процессора пытаются запустить программное обеспечение, разработанное для предыдущего поколения

42

процессоров, то особого выигрыша чаще всего не получить, можно наблюдать иногда даже и падение производительности. А вот программы, оптимизированные для работы на процессоре Pentium 4, показывают неплохую производительность. Так что необходимо подождать, когда появится комплект программ для использования с новым процессором для Pentium 4 с тактовой частотой 1,7 ГГц, а с обычным ПО он работает так же, как Celeron 330 МГц. Для процессоров Pentium 4 был разработан сокет с 423 контактами (Socket 423). Затем кристаллы процессоров Pentium 4 стали устанавливать в новый малогабаритный корпус, для которого был разработан Socket 478 уменьшенных габаритов.

Первый процессор Intel Pentium 4 был представлен в январе 2000 г. Тактовая частота процессора (1400 МГц) почти в полтора раза на тот момент превосходила тактовую частоту Pentium III (850 МГц), но по уровню производительности на существующих приложениях эти процессоры различались незначительно. Впервые в истории вычислительной техники при смене поколений процессоров произошло не увеличение, а уменьшение количества инструкций, выполняемых за один такт. В маркетинговом плане этот шаг полностью себя оправдал, так как позволил достичь примерно в полтора раза более высоких тактовых частот при тех же технологических нормах и практически при той же производительности процессора. Однако вскоре процессоры Pentium 4 заняли свыше трех четвертей рынка, и под них стали оптимизировать программы, в результате чего пострадали Pentium III и Athlon. Одновременно программная индустрия откликнулась на расширение набора инструкций, примененное в Pentium 4, — SSE2.

Темпы повышения производительности процессоров оказались явно выше темпов увеличения частоты оперативной памяти, в связи с чем все большее значение стала приобретать кэш-память. Да и объем последней с каждым переходом на новую технологию удваивался. Но кэш-память работает на полной частоте процессора, поэтому, чем выше частота, тем быстрее кэш-память, а чем быстрее кэш-память, тем выше производительность.

Сегодня различие в скоростях работы процессора и памяти таково, что на результирующую скорость системы большее влияние оказывает именно скорость обмена с различными уровнями памяти, включая кэш, а не мощность самого процессорного ядра. Основной конкурент "Intel" — компания "AMD" придерживается на этот счет противоположного мнения

Если не считать небольших отклонений от генеральной линии, выпуск

43

каждого нового процессора всегда сопровождался введением очередного стандарта на процессорный разъем. Pentium ассоциируется в первую очередь с

Socket 7, Pentium II — со Slot-1, Pentium III — с FCPGA 370. Были, конечно, и

исключения, но, как правило, для одного процессора использовалось не более двух различных конструктивов. Pentium 4 начал свою историю в корпусе, имеющем 423 ножки, затем их количество увеличилось до 478. А недавно "Intel" вообще решила отказаться от ножек на процессоре. Точнее заменить их контактными площадками. Такое гнездо получило вначале название Socket Т, затем LGA775 по количеству контактов — 775. Таким образом, по количеству контактов 32-разрядные процессоры Intel обошли Athlon 64 компании "AMD" (754). Кстати, не исключено, что некоторый «запас» контактов предусмотрен "Intel" именно для плавного перехода на 64-разрядную архитектуру, уже запланированную в серверных моделях х86.

Впрочем, список новинок, приготовленных "Intel", далеко не исчерпан. Сразу после процессоров следует упомянуть и о новых наборах микросхем (НМС) Intel 82925 и Intel 82915. Эти микросхемы системной логики поддерживают два типа памяти — DDR и DDR2, а также шину PCI Express.

Конечно, перечисление всех моделей процессоров Intel Pentium 4 невозможно, так как их выпушено более 50. Различаются эти модели не только частотой, но и типом корпуса, технологическим процессом производства, напряжением питания ядра процессора, мощностью тепловыделения, максимальной температурой корпуса и степпингом. Прежде всего, отметим, что существует два типа корпусов процессоров Intel Pentium 4 — OOI 423-pin и FCPGA2 478-pin. Соответственно имеются и два типа разъемов под процессоры Intel Pentium 4 — Socket 423 и Socket 478. Эти разъемы несовместимы друг с другом, то есть в разъем Socket 423 не удастся установить процессор с типом корпуса OOI 423-pin. Процессоры с типом корпуса OOI 423-pin в настоящее время не производятся (как, впрочем, и материнские платы с разъемом Socket 423). Второй важной характеристикой процессора является его частота. Понятно, что чем выше тактовая частота, тем лучше. Отчасти это действительно так: тактовая частота процессора определяет его производительность, поскольку, чем выше частота, тем больше элементарных операций процессор способен совершать за единицу времени. Что касается диапазона тактовых частот процессора Intel Pentium 4, то он достаточно обширен — от 1,3 до 3,80 ГГц (См. таблицу 3.2).

44

Таблица 3.2

Последние модели процессоров Intel Pentium 4

Следующий важный момент — это поддерживаемая частота системной шины процессора, которая может быть равна 400, 533, 800 и даже 1066 МГц. Естественно, что преимущество следует отдавать процессору с частотой FSB 533 МГц и выше, ибо чем выше частота системной шины, тем выше пропускная способность (полоса пропускания) шины, связывающей процессор с северным мостом чипсета (по сути, со всеми остальными компонентами). Например, при частоте системной шины 400 МГц пропускная способность составляет 3,2 Гбайт/с, а при частоте 533 МГц — уже 4,2 Гбайт/с.

Немаловажной характеристикой процессора является технологический процесс производства. Для процессоров Intel Pentium 4, как видно из таблицы 3.2, это 0,18-микронный, 0,13-микронный или 0,9-микронный технологический процесс. Большинство современных процессоров выпускаются по 0,13микронному технологическому процессу, и предпочтение следует отдавать этим или 0,9-микронным процессорам. Хотя технология производства процессора не влияет напрямую на его производительность, косвенная закономерность всетаки имеется. Дело в том, что с технологическим процессом связана такая характеристика, как размер L2 кэша. Это и понятно, так как технологический процесс производства процессора определяет количество транзисторов в нем, а чем больше размер кэша, тем больше транзисторов должен иметь процессор. Для процессоров, выполненных по 0,18-микронной технологии, размер кэша составляет 256 Кбайт, а для процессоров, выполненных по 0,13-микронной технологии, — 512 Кбайт. А от размера кэша уже непосредственно зависит и производительность процессора.

45

Такие характеристики, как размер L2 кэша и технологический процесс производства, сказываются на классификации: процессор, выполненный по 0,13микронному технологическому процессу с кэшем L2 512 Кбайт, часто называют процессором на ядре Northwood, а процессор, выполненный по 0,18-микронному технологическому процессу с кэшем L2 256 Кбайт, — процессором на ядре

Willamette.

Процессоры Intel Pentium 4 с одной и той же тактовой частотой могут отличаться друг от друга степпингом. Различают как степпинг ядра процессора, так и степпинг самого процессора. Различные степпинги процессора могут иметь незначительные изменения (как правило, устраняются те или иные ошибки). Кроме того, степпингом определяется и питание ядра процессора, и тепловыделение, и максимальная температура процессора. Ядро процессора Intel Pentium 4 может иметь степпинг ВО, В2, С1, DO, DP и El. К примеру, если речь идет о процессорах на ядре Northwood, то для степпинга ВО напряжение питания составляет 1,5 В, а для степпинга С1 - - 1,525 В. Определить версию степпинга ядра процессора и самого процессора можно с помощью бесплатной утилиты CPU-Z.

Особое внимание хотелось бы уделить Intel Pentium 4 3.06 ГГц НТ. Кроме того, что этот процессор выполнен по 0,13-микронному технологическому процессу, имеет кэш L2 размером 512 Кбайт (ядро Northwood) и поддерживает системную шину с частотой 533 МГц, у него есть еще одно значительное отличие. Прежде всего, следует сказать, что при степпинге ядра С1 напряжение питания составляет 1,55 В, а не 1,525 В, как для всех остальных моделей с таким же степпингом. Тепловыделение этого процессора (81,8 Вт) тоже является рекордно высоким во всем модельном ряду. Впрочем, достоинство этого процессора, конечно же, не в напряжении и не в тепловыделении. Процессор Intel Pentium 4 3,06 ГГц НТ стал первым процессором в модельном ряду с поддержкой технологии Hyper-Threading (буквы НТ в названии процессора). Отметим, что указанная технология позволяет процессору работать в многопотоковом режиме, выполняя одновременно несколько различных задач. Достигается такой эффект благодаря наличию двух наборов программных регистров (правда, исполнительный конвейер используется всего один). В результате операционная система видит в компьютере не один, а два логических процессора со всеми вытекающими отсюда преимуществами. Использование технологии Hyper-Threading позволяет повысить производительность процессора в среднем на 15%, а это очень существенно. Ожидается, что в

46

дальнейшем компания "Intel" реализует поддержку технологии Hyper-Threading и в процессорах с меньшими тактовыми частотами.

Вслед за процессорами на ядре Northwood появились процессоры, известные под кодовым названием Prescott. Эти процессоры производятся уже по 90нанометровому технологическому процессу и имеют 100 млн транзисторов (в процессорах Northwood 55 млн транзисторов). Сам процессор имеет вдвое больший (по сравнению с процессорами Northwood) кэш размером 1 Мбайт и поддерживает системную шину с частотой 800 МГц. Кроме того, Prescott имеет ряд усовершенствований в микроархитектуре ядра Intel NetBurst, добавились 13 новых команд, а технология Hyper-Threading получила свое логическое продолжение (Enhanced Hyper-Threading). Для микропроцессора Prescott

предложен более новый и совершенный разъем на материнских платах LGA775 (Land Grid Array). Судя по числу 775, этот разъем имеет столько же контактов, но уже не в виде ножек, а в качестве контактных площадок. Такой вариант, вопервых, позволит увеличить производительность компьютера (775, а не 478 контактов, как у предыдущих); во-вторых, изменит (упростит) технологию сборки компьютера предлагая разъем типа Slot; в-третьих, позволяет обогнать своего ближайшего конкурента фирму AMD по количеству контактов микропроцессора (Athlon 64 имеет 754 контакта). Диапазон тактовых частот для микропроцессора Prescott в ближайшее время будет составлять приблизительно от 4 до 5 ГГц.

3.2. Компания AMD (Advanced Micro Device)

Компания AMD (Advanced Micro Device), основанная в 1969 году в Калифорнии, является одним из крупнейших производителей процессоров. До не столь давнего времени CPU AMD не пользовались особой популярностью, но в конце прошлого столетия AMD набрала вес, и теперь ее продукция представляет серьезную конкуренцию CPU от Intel во многом благодаря их более низкой стоимости. Мы не будем описывать все процессоры от AMD, а остановимся лишь на наиболее поздних разработках. К6 (CPU К6) (второе и третье поколения этих процессоров — К6-П и К6-III) был выпущен AMD как альтернатива популярным в свое время Pentium и Pentium II. В процессоре К6 AMD впервые использовала свою фирменную технологию 3DNow!. По сути, это еще один сопроцессор по типу ММХ, но умеющий выполнять 21 новую инструкцию.

47

Эти новые инструкции призваны, прежде всего, ускорить обработку данных, связанных с трехмерной графикой. Поэтому в набор инструкций 3DNow! включены команды, работающие с вещественночисленными аргументами одинарной точности. Как и ММХ, SDNow! использует те же регистры, что и сопроцессор; это связано с тем, что операционные системы должны сохранять и сбрасывать все регистры процессора при переключении задач.

CPU имеет встроенный 64 Kb L1 кэш (32 Kb для команд и 32 Kb двухпортового кэша с обратной записью для данных) и встроенный кэш второго уровня (L2) объемом 256 Kb. Поддерживается 100-мегагерцевая системная шина и порт AGP. Поставляется в 321-контактном керамическом корпусе (под Socket 7) может работать на частотах до 550 MHz. Процессоры К6 уже давно не производятся.

Athlon К7

Основные свойства архитектуры процессора седьмого поколения AMD Athlon, оптимизированная для работы с высокой тактовой частотой, суперконвейерная суперскалярная микроархитектура, предназначенная для выполнения 9 инструкций за один такт.

Включает в себя несколько параллельных декодеров х86-инструкций, три конвейера для выполнения вычислений с плавающей точкой, включая инструкции ММХ™ и 3DNow!™; три конвейера для целочисленных вычислений; три конвейера для генерации адресов; использовано усовершенствованное динамическое предсказание ветвлений.

Расширена технология 3DNow! — 21, уже применяемым инструкциям 3DNow! добавлено 19 новых инструкций, улучшающих расчеты с целочисленными данными, и 5 новых DSP-инструкций (для программных модемов, ADSL, Dolby Digital и МРЗ-кодеков).

Внушительных размеров системный кэш включает в себя кэш-память первого уровня объемом 128 Kb и работающий на половине частоты процессора кэш L2 в 512 Kb. Правда, так было в версиях процессора с частотой до 700 MHz, но в процессе штурма все новых десятков Гигагерц появились процессоры с делителем 2/5, а впоследствии и вовсе 1/3 (хотя такие процессоры AMD скоро заменила на усовершенствованные Athlon'ы, о которых немного ниже).

Частота шины 100 MHz, но за счет того, что передача данных может вестись на обоих фронтах сигнала, встречается информация о 200 MHz шине. Благодаря этому становится возможным использование DDR SDRAM, ставку на которую, очевидно, AMD сделала уже тогда.

48

CPU Athlon K7 выпускаются с интерфейсом Socket А для установки в используемый только процессорами фирмы AMD 462-контактный Socket'овый разъем. Правда, есть также версия и под Slot 1.

По производительности Athlon K7 аналогичен Pentium III, работающий с такой же или чуть меньшей частотой. Но, в отличие от Pentium, CPU от AMD стоит заметно дешевле.

Duron

Процессор AMD Duron разработан как облегченная модификация получившего признание процессора AMD Athlon и предназначен для создания компьютерных решений низшей и средней ценовых категорий. По занимаемому на рынке сегменту Duron аналогичен.

1п1еГовскому CPU класса Celeron. Построенный на основе К7 Athlon, Duron имеет ту же двунаправленную 100-мегагерцевую системную шину, 128килобайтный кэш первого уровня, поддержку того же набора инструкций.

Удешевление достигнуто только за счет внешнего кэша, который стал равен 64 Kb. Замечательно то, что, как и у Celeron, кэш-память работает на частоте ядра, что обеспечивает минимальное падение производительности по сравнению с Athlon. Появление Duron очень сильно пошатнуло позиции "Intel" в производстве бюджетных процессоров: АМD'юшный Duron в производительности обгоняет Celeron и не так далек от Pentium III, но при этом еще стоит дешевле — за разницу в цене между процессорами Celeron и Duron вполне можно, например, оснастить этот Duron качественным вентилятором. Выпускаются версии процессора с частотами от 600 MHz (в конце апреля 2001 г. максимум составлял 850 MHz). Все CPU Duron имеют форм-фактор Socket A (462).

Новый Athlon

Как уже упоминалось, слабым местом в процессоре Athlon на ядре К7 был медленный L2 кэш. Каждый новый процессор приносил все меньший прирост производительности, работающего на частоте всего 300-333 MHz. Кроме того, с появлением Pentium III с внешней частотой 133 MHz и активного использования оперативной памяти SDRAM, на ней работающей, 100-мегагерцевая шина существующего Athlon стала казаться архаизмом. В новой версии процессора Athlon на ядре Thunderbird перечисленные недостатки были устранены. Так же как Intel в Pentium III второго поколения уменьшила в два раза кэш и во столько же повысила его скорость, так и в новом AMD Athlon кэш-память стала работать на полной частоте ядра, хотя ее объем и сократился до 256 Kb. И, продолжая

49

сравнивать с Pentium III, мы также видим повышение внешней частоты процессора до 133 MHz (напомним, что результирующая частота больше в два раза, то есть 266 MHz), затем частота ядра CPU Athlon достигла 1.3 GHz.

Для работающего на такой скорости процессора недостаточно пропускной способности SDRAM, поэтому AMD рекомендует использовать со своими процессорами память DDR SDRAM (см. выше) и соответствующие чипсеты (как правило, AMD ориентируется на чипсеты от VIA, так как собственным производством предпочитает не заниматься). Сама AMD позиционирует свое решение как альтернативу Pentium IV + Rambus. Впрочем, пока рано говорить о том, появится ли DDR-память на платформе от Intel или нет, но то, что касается процессора, сомнений точно не вызывает. Когда иссякнет потенциал Athlon Thunderbird, должен появиться процессор следующего поколения на ядре К8.

Следует учесть тот немаловажный факт, что AMD-ым процессором сильно мешает их слабая поддержка со стороны программного обеспечения. Так как по понятным причинам использовать в своих изделиях Intel'oвские инструкции SSE фирма не может, пришлось, как уже говорилось выше, развивать собственную технологию 3DNow!. Понятно, что выигрыш от ее использования будет заметен лишь в том случае, если только приложение будет специально скомпилировано под набор инструкций 3DNow!.

Но исторически сложилось так, что большинство программ, часто ввиду того, что набор 3DNow! оказался более сложным для реализации его программистами, пишутся под SSE. Вот и получилось так, что серьезные программы, оптимизированные под процессоры AMD, можно пересчитать по пальцам, а это, естественно, ничего хорошего в случае использования этих процессоров не сулит. Но надо отдать должное, что игнорирование 3DNow! не сильно сказывается на производительности, а иногда отличие вообще практически незаметно. Наоборот, производительность Athlon и Duron в целом не хуже производительности аналогичных CPU от Intel, но главное, пожалуй, даже не в этом. А в том, что при своей шустрости кристаллы от AMD имеют существенно меньшую цену, и, следовательно, объективный показатель цена/производительность у них значительно лучше.

Пора наконец признать, что "Intel" окончательно утратила мировую монополию на производство как недорогих CPU, так и микропроцессоров высшего класса.

В заключение можно привести так называемый закон Мура (Moore's Law), предложенный еще в 1965 году Гордоном Муром, одним из основателей фирмы

50

"Intel", на основе анализа развития компьютерных технологий: мощность CPU (емкость HDD, количество памяти) удваивается каждые полтора года при сохранении стоимости.

AMD: Athlon XP

Процессоры компании AMD имеют не менее богатую историю, чем процессоры Intel, и разнообразия здесь тоже более чем достаточно. В настоящее время выпускаются процессоры AMD Athlon XP. Процессоры семейства Athlon XP отличаются друг от друга тактовыми частотами, а также могут иметь разный размер кэша L2, выполняться по разному технологическое процессу, поддерживать разные системные шины и разное напряжение питания ядра. Поэтому, говоря о процессорах AMD Athlon XP, выделяют четыре основных типа ядра процессора PALOMINO, Thoroughbred, Thoroughbred-B и Barton.

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 Ihunderbird). 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 ХР с ядром Thoroughbred-B — несколько улучшенный вариант процессоров Athlon ХР 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.