Новые информационные технологии. Часть 1. Основы и аппаратное обеспечение / gl2

нальные ПК и ноутбуки уже сейчас имеют близкий к этой цифре объем ОЗУ и потому применение в них Pentium II неперспективно.

1999 год: Процессор Pentium® II Xeon™

Этот процессор предназначался для мощных серверов. Он имел кэш второго уровня с размером в 512 KБ, 1 МБ и 2 МБ и мог работать с памятью до 64 Гбайт. Пожалуй, главное отличие этого процессора от других – возможность работы в многопроцессорных системах, насчитывающих до 4 микропроцессоров.

1999 год: Процессор Intel® Celeron®

Процессором Celeron Dixon Intel открыла себе дорогу на рынок дешевых ПК. Тактовая частота процессора поначалу составляла от 300 до 500 МГц. Следующий вариант Celeron имел уже более чем серьезные характеристики:

•количество транзисторов: 19 млн (0,25-мкм процесс);

•корпус с односторонним контактом (SEPP), 242 вывода;

•корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA), 370 выводов;

•частота шины: 66 МГц;

•разрядность шины: 64-битная системная шина;

•адресуемая память: 4 Гбайт;

•применение: недорогие ПК.

Первые образцы процессора имели только кэш первого уровня L1 с емкостью 32 Кбайт. Но затем был введен и кэш второго уровня L2 с емкостью 128 Кбайт. Дешевизне процессора способствовал его упрощенный корпус с защитой кристалла лаком. Ныне Celeron - это обобщающее название для целой серии удешевленных вариантов процессоров класса Pentium.

1999 год: Процессор Pentium® III

Продолжая совершенствовать процессоры шестого поколения, Intel выпустила в 1999 г. весьма мощный по тем временам процессор Pentium III (кстати, его фирменное обозначение – Pentium !!!). Он имел следующие характеристики:

•количество транзисторов: 9,5 млн (0,25-мкм процесс);

•кэш L2: 512 KБ (расположен в корпусе процессора, но не на его кристалле);

•тип корпуса: картридж SECC 2;

62

•частота системной шины: 100 MГц;

•разрядность шины: 64 бит;

•адресуемая память: 64 Гбайт;

•применение: бизнес- и потребительские ПК, одно- и двухпроцес-

сорные серверы и рабочие станции.

Корпус процессоров Pentium II и Pentium III типа SECC 2 позволил создать достаточно дешевые процессоры. Однако «кирпич» микропроцессора напрочь исключал его применение в портативных компьютерах. Поэтому в дальнейшем были созданы микропроцессоры

Pentium III в корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA) малого размера.

В мобильных Pentium III значительное внимание уделено обеспечению нормального теплового режима работы. Так, встроенный диодный датчик температуры измеряет температуру кристалла для управления тепловым режимом. Усовершенствованная технология Intel® SpeedStep™ обеспечивает автоматическое переключение процессора на большую или меньшую тактовую частоту ядра в зависимости от загрузки процессора. Технология QuickStart продлевает время работы от батарей, снижая энергозатраты в периоды бездействия пользователя. Спящий режим Deeper Sleep включается, когда компьютер не используется, снижая среднее энергопотребление и увеличивая время автономной работы

Выпускаются варианты процессора с пониженным и сверхнизким напряжением питания. Повышается производительность и увеличивается время автономной работы для тонких и легких ноутбуков. Применяются корпуса типа microFCPGA и microFCBGA. Специальные миниатюрные корпуса открывают возможность создания самых тонких и легких ноутбуков.

1999 год: Процессор Pentium® III Xeon™

В том же 1999 году Intel выпускает процессор для серверов и профессиональных ПК Pentium III Xeon. Он имеет 9,5 млн и 0,25-мкм процесс. Размер кэша L2 512 KB. Процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах (до 8 и более процессоров).

2000 год: процессор Pentium® 4

Начало третьего тысячелетия Intel отметила разработкой и производством нового мощного процессора для настольных ПК с расширенными аудио- и видео-возможностями и поддержкой высокоскоро-

63

стных телекоммуникаций. Им стал микропроцессор Pentium 4 (рис. 2.4).

Он имел 42 млн транзисторов и частоту системной шины 400 MГц. Поначалу выполнялся по технологии 0,18 микрон.

Рис. 2.4. Внешний вид микропроцессо-

ра Intel Pentium 4

Новые процессоры выполнены по технологии 0,13 мкм в 423-

контактном корпусе типа Plastic Pin Grid Array (PPGA). Intel отказа-

лась от применения громоздкого картриджа, использованного в процессорах типа Pentium II и первых Pentium III, и перешла к миниатюрному корпусу.

Для Pentium 4 использовалась торговая марка Pentium, в продвижение которой Intel вложила огромные средства. Логотип нового процессора имеет вид, представленный на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Логотип нового микропроцессора

Pentium 4

В новом процессоре рекордно большое число транзисторов – 42 миллиона (есть варианты и с 55 миллионами). Это позволило реализовать ряд новых идей в микроархитектуре микропроцессоров. Все они (конвейер

удвоенной длины, скоростная системная шина, новые команды поддержки Интернета и др.) направлены на увеличение производительности нового процессора. Переход к технологии 0,13 мкм позволил увеличить частоту работы процессора до 3,05 ГГц к концу 2002 года.

Новый процессор имеет микроархитектуру с названием NetBurst. В ней используется гиперконвейерная Hyper Pipelined технология. Число этапов конвейера удвоено и теперь достигает 20. Это существенно повышает производительность процессора Intel Pentium 4 и обеспечивает резервы роста его тактовой частоты. Увы, но пока есть немного программ, которые способны реально использовать такой многостадийный конвейер.

Другое достижение - это ядро быстрого выполнения. Rapid Execution Engine. Его блоки арифметической логики работают на удвоен-

64

ной, по сравнению с ядром процессора, тактовой частоте. Это позволяет процессору выполнять некоторые инструкции за половину такта. Целочисленные операции выполняются с удвоенной скоростью. До 400-МГц (втрое) повышена частота системной шины. Cкорость передачи данных между процессором Pentium 4 (первые варианты) и контроллером памяти достигает 3,2 Гбит/c.

Впроцессоре реализована сверхскоростная кэш-память первого уровня L1 с отслеживанием выполнения - Execution Trace Cache. В этой кэш-памяти первого уровня сохраняются декодированные команды (примерно 12 000 микрокоманд). Благодаря этому в цикле исполнения команд устраняются задержки, связанные с декодированием. Данная технология в значительной мере повышает быстродействие кэш-памяти команд и повышает эффективность использования кэша. Емкость кэша первого уровня в Pentium 4 равна 8 Кбайт, т. е. уменьшена вдвое по сравнению с процессором Pentium III. Однако время доступа сокращено более чем вдвое - до 1,41 нс.

Кэш-память процессора организована в виде 128-байтных линий

с64-байтным доступом (процессоры предыдущих поколений имели 32-байтные линии). Общая емкость кэш-памяти второго уровня L2 Advanced Transfer Cache объемом 256 КБ обеспечивает передачу данных со скоростью 48 Гбит/с, которая увеличивается пропорционально тактовой частоте ядра.

Усовершенствование системы динамического исполнения (Advanced Dynamic Execution) обеспечивает совершенный блок спекулятивных вычислений, который дает быструю загрузку вычислительных блоков. Процессор содержит также улучшенные схемы предсказания ветвлений, позволяющие ему выполнять программы в нужной последовательности и снижающие потери времени, связанные с ошибочным выбором последовательности вычислений. Роль подобных потерь оказывается более значительной при увеличении длины конвейера.

Потоковые SIMD- 2 расширения (SSE2) дополняют ранее реализованные технологии MMX™ и SSE 144 новыми инструкциями. В их числе 128-разрядные целочисленные инструкции и 128-разрядные инструкции для вычислений с плавающей точкой. Эти новые SIMDинструкции позволяют существенно ускорить работу самых различных приложений.

Всреднем процессор Pentium 4 обеспечивает более высокую производительность, чем процессоры предшествующего поколения, на 59% для кодирования видеопотоков, 38% для визуализации трех-

65

мерных поверхностей и фигур, 30% для исполнения программных модулей на языке Java, широко применяемом в Интернете.

На представлении процессора Pentium 4 была показана синтезированная компьютером девушка Ева, поведение и привлекательность которой зависели от отношения к ней пользователя. В другом видеофильме моделировалось поведение множества объектов в виртуальной комнате. Объекты вели себя в соответствии с законами оптики, механики и земного тяготения. Например, при снятии имитации земного тяготения все объекты начинали плавать в воздухе, как это имеет место в кабине космического корабля, и падали вниз при включении имитации тяготения.

2001 год : Процессор Intel® Itanium™

Процессор Intel® Itanium™ - это новый мощный 64-разрядный процессор Intel. В его основе лежит новая архитектура EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - параллельная обработка команд с яв-

ным параллелизмом). Этот процессор рассчитан на применение в мощных профессиональных компьютерах и серверах с высокой производительностью.

2002 год: Мобильный процессор Pentium 4M

Первые Pentium 4 потребляли мощность до 50 Вт и не имели особых перспектив применения в мобильных ПК – ноутбуках. Но 4 марта 2002 года корпорация Intel объявила о выпуске микропроцессора Intel® Pentium® 4M для мобильных ПК. Заодно было выпущено новое семейство чипсетов для них Intel® 845.

Новый процессор имеет развитые средства управления энергопотреблением, продлевающие время работы компьютера от батарей. Среди них;

•технология Enhanced Intel® SpeedStepTM, обеспечивающая автоматическое переключение между режимом максимальной производительности и режимом экономии энергии в зависимости от интенсивности загрузки процессора;

•режим ожидания Deeper Sleep, в котором процессор работает при напряжении всего 1 В, а потребляемая мощность падает до 0,2 Вт и ниже (при этом данные приложений сохраняются);

•усовершенствованная технология Intel Mobile Voltage Positioning (IMVP).

66

IMVP III - это технология регулирования напряжения, динамически изменяющая напряжение питания процессора в зависимости от его загрузки, снижая тем самым расчетную интенсивность тепловыделения.

2002 г.: Новые процессоры Celeron

Следующий тип мобильного процессора Celeron – Coppermine 128 K - создавался уже на основе нового микропроцессора Pentium III (Coppermine). Этот процессор в дополнение к командам мультимедиа расширения MMX поддерживал уже и серию команд SSE. Частота системной шины была повышена до 100 МГц. Типичная емкость кэшпамяти в 128 Кбайт у некоторых моделей возросла до 256 МГц.

Были выпущены микропроцессоры Celeron пониженным напряжением питания на частоты 733, 650 МГц (0,13 микрон), 600, 500 МГц и даже со сверхнизким напряжением питания на частоты 667, 650 МГц (0,13 микрон), 600 и 500 МГц. Процессоры могут работать с наборами микросхем (чипсетами) Intel®: 440ZX, 440MX, 815EM , 830MP, 830M и 830MG.Они имеют технологию QuickStart, которая продлевает работу от батарей.

В сентябре 2002 г. Intel объявила о выпуске нового поколения процессоров Celeron с рабочей частотой 2 ГГц. Частота системной шины повышена до 400 МГц. Процессоры изготавливаются по технологии 0,13 мкм и стоят около 100 $.

2002 г.: Микропроцессоры Pentium 4 с технологией HyperThreading и частотой 3,06 ГГц

Гонка за повышением производительности процессоров класса Pentium 4 привела к появлению в конце 2002 года новейших Pentium 4 с частотой 3,06 ГГц и с очередной новинкой из области технологий - Hyper-Threading. Суть ее заключается в «прогонке» нескольких потоков команд, программ и приложений через один процессор одновременно – пока, правда, применена «прогонка» только двух разных программ. Эту технологию поддерживает новейшая операционная систе-

ма Windows XP.

2003 г.: Технология Intel Centrino

12 марта 2003 г. Intel объявляет о новой революционной технологии для создания мобильных ПК - Centrino. В нее входит новейший экономичный процессор Pentium M, чипсет 855 и сетевая продукция Intel Pro для беспроводной связи стандарта Wi-Fi 802.11. Процессор

67

Pentium M содержит 77 миллионов транзисторов, работает с напряжениями 0,85-1,5 В и имеет частоты от 0,9 до 1,6 ГГц, объем кэш-памяти второго уровня - 2 Мбайт. Процессор создан «с нуля» и имеет множество оригинальных архитектурных решений. В их числе совершенная система динамического управления потребляемой мощностью, усовершенствованные методы прогноза команд, метод наслоения (одновременного выполнения) микроопераций и др. Средняя потребляемая мощность процессора снижена до 1 Вт при сохранении высокой производительности. Эта технология ориентирована на создание сверхтонких и легких мобильных компьютеров - ноутбуков.

2.1.4.Сравнение новых микропроцессоров класса Pentium

Оданных трех последних поколений микропроцессоров Intel позволяет судить приведенная ниже таблица.

Это сравнение позволяет еще раз сделать вывод о том, что процессор Pentium II стал бесперспективным. Его выпуск уже прекращен, тогда как выпуск Pentium III продолжается. Нишу Pentium II заняли более мощные и вполне современные микропроцессоры Celeron новых поколений.

2.2. Микропроцессоры других фирм

Кроме Intel микропроцессоры для ПК выпускают и другие фирмы. Полезно оценить и их возможности.

68

2.2.1. Процессоры фирмы Advanced Micro Device

Конкурентами процессорам Pentium стали RISC-

микропроцессоры K5 фирмы AMD (Advanced Micro Device). Процес-

соры рассчитаны под тот же разъем (Socket 7, 321 контакт), что и микропроцессоры Pentium, и на то же напряжение питания. По набору битовых команд они полностью совместимы с Pentium. С 1994 по первый квартал 1997 год фирма AMD выпустила и продала свыше 40 миллионов процессоров AMD-K5, что сделало ее второй по объему выпуска процессоров компанией в мире (первое место устойчиво удерживает Intel).

Новейший процессор AMD-K6-MMX увидел свет в конце 1996 года. Он имел следующие особенности:

•производительность, соперничающую с Pentium Pro,

•совместимость с операционными системами Windows 95/NT и другими,

•суперскалярную архитектуру, обеспечивающую выполнение разом до 6 команд,

•64-Кбайтный кэш - по 32 Кбайта на данные и команды,

•высокопроизводительный математический сопроцессор,

•поддержку технологии MMX,

•установку в самый распространенный разъем Socket 7 (для

Pentium),

•керамический корпус с матрицей выводов CPGA,

•8,8 млн. транзисторов на кристалле, выполнен по технологии с разрешением 0,35 мкм.

Сердцем процессора является централизованный планировщик.

Он содержит необходимую логику выполнения команд, изменения последовательности данных, переименования регистров, выдачи или отзыва RISC-инструкций и спекулятивного (с изменением последовательности) выполнения команд. Планировщик может просматривать окно, содержащее до 12 инструкций и за один такт выдавать до шести и отзывать до четырех RISC-инструкций. Процессор имеет 7 исполнительных блоков, ориентированных на быстрое выполнение операций с плавающей точкой и инструкций технологии MMX.

Процессор седьмого поколения корпорации AMD K7 (Athlon) - один из самых мощных процессоров своего времени. Он имеет самый большой кэш с объемом 128 Кбайт (по 64 Кбайта на инструкции и данные). Кэш второго уровня с объемом 512 Кбайт работает на частоте 1/2 или 2/5 от частоты процессора. Системная шина EV-6 имела

69

частоту 200 МГц с перспективой ее удвоения. Был выпущен ряд вариантов этого мощного процессора с частотами от 0,5 до 1 ГГц и даже выше. Внешне процессор напоминал Pentium III, но имел иное расположение контактов.

2.2.2. Процессоры PowerPC

Выдающимся событием в компьютерной индустрии обещал стать альянс трех фирм (Apple, IBM и Motorola) в создании нового поколения микропроцессоров класса PowerPC, которые должны были «врезать по мозгам» явно зарвавшейся фирме Intel. Первым стал 32разрядный упрощенный процессор PowerPC 601, который и впрямь временно обскакал первые модели Pentium по производительности. Однако повышение тактовых частот Pentium с 60 до 200 МГц быстро свело достоинства этого процессора на нет.

Вслед за PowerPC 601, уже нашедшим применение в ПК, были выпущены процессоры 602 и 603 (последний с пониженной потребляемой мощностью). Они за один цикл выполняют две и три команды соответственно. Затем появился PowerPC 604. А в 1995 г. стал доступен новейший 64-разрядный микропроцессор PowerPC 620. Последний имеет кэш-память первого уровня с емкостью 64 Кбайт. Процессор изготовляется по технологии с разрешением 0,5 мкм.

Естественно, что и старшая модель PowerPC 620 совместима с предшествующими моделями по программному обеспечению. Хотя PowerPC 620 превосходит по производительности Pentium Pro, он используется только в довольно дорогих ПК, которые трудно отнести к офисным или домашним ПК. В Intel-совместимых компьютерах класса IBM PC процессоры данного класса не применяются.

2.2.3. Микропроцессоры фирм Digital и Cyrix

Разумеется, микропроцессоры выпускаются и рядом других фирм. Из мощных и высокопроизводительных микропроцессоров надо отметить микропроцессоры Alpha фирмы Digital класса RISC. Но эти приборы не предназначены для массовых ПК и широкого распространения в России не получили. В то же время компьютеры на этих процессорах широко используются в киноиндустрии для создания спецэффектов.

Совсем иную нишу – дешевых ПК – заняли процессоры фирмы Cyrix – M1, M-II, M-II+, M3 и др. Однако у нас эти процессоры мало известны и применяются очень редко. Их нишу заняли процессоры

Celeron корпорации Intel.

70

2.2.4. Процессоры с малым потреблением электроэнергии

Позиции AMD на рынке ноутбуков заметно окрепли после создания мобильных процессоров Athlon XP и Duron. Процессор Athlon XP с частотой до 1,6 ГГц и оригинальной архитектурой QuantiSpeed™. Выпускается по новейшей 0,13-микронной технологии. Выполнен в корпусе под разъем Soket A и оптимизирован под операционную систему Windows XP. Процессор использует технологию AMD Power Now для обеспечения минимума потребляемой электроэнергии.

Мобильный процессор AMD Duron предназначен для дешевых ноутбуков. Тем не менее, имея тактовые частоты 0,95, 1, 1,1 и 1,2 ГГц, он способен реализовать высокую скорость выполнения подавляющего большинства программ.. Он также оптимизирован под операционную систему Windows XP и использует технологию электросбереже-

ния AMD Power Now.

Новый 64-разрядный процессор класса x86-64 процессор AMD Opteron™ основан на процессорном ядре AMD 8-го поколения. Он предназначен для запуска существующих 32-разрядных приложений с непревзойденной производительностью и обеспечения клиентам плавного перехода к 64-разрядной технологии.

Около 5% рынка микропроцессоров в настоящее время занимают процессоры молодой компании Transmeta - Crusoe. Эти процессоры имеют минимальные размеры и тепловыделение при полноценной вычислительной мощности. Это достигается благодаря применению гибкой системы энергосбережения, позволяющей не просто «усыплять» процессор при длительных паузах в работе, но и регулировать его мощность в зависимости от выполняемых операций. Они широко применяются в сверхкомпактных ноутбуках. В настоящее время наиболее мощная серийная версия поставляется с частотой 700 МГц, и ожидается ее повышение до 1 ГГц.

2.3. Микропроцесоры для карманных компьютеров

2.3.1. Особенности выбора процессоров для карманных компьютеров

До появления платформы карманных компьютеров Pocket PC в выборе микропроцессоров для КПК царил полный произвол. Нередко основным критерием является вовсе на производительность процес-

71