Главная / Процессоры и память

Процессоры и память

27.07.2009 11:00 | TECHLABS Team

Новая микроархитектура Intel Core i7. Зачем и насколько новая?

Показать одной страницей Печать Написать письмо 0
Содержание:
Одной страницей
Заметили ошибку? Выделите фрагмент текста и нажмите CTRL+ENTER!
 
Как известно, осенью прошлого года компания Intel представила первые процессоры с новой микроархитектурой Core i7, являющейся развитием ранее существовавшей Core. Вместе с этим произошло и обновление всей платформы, о ряде изменений которой мы уже говорили в обзоре чипсета Intel X58 Express. Но заглянем в саму структуру новой архитектуры самих CPU. Какие изменения произошли там? Правда, прежде чем задаться этим вопросом, возникает еще один: " А что плохого было в "старой" Core?" Ведь так удачно дебютировавшие процессоры Core 2 в целом до сих пор сохраняли лидирующие позиции по производительности и если в чем и уступали решениям AMD, то разве что только в соотношении цена/производительность. Но не для снижения же цен была разработана новая микроархитектура. Так что, прежде чем приступать к изучению самой Core i7, взглянем, что именно так не устраивало Intel в самой Core, что потребовалось ее менять.
 
А ведь была еще и NetBurst
 
Тот, кто постоянно интересуется развитием IT-рынка, конечно, должен помнить, в каких условиях происходило рождение Core и появление первых процессоров Core 2 Duo. Существовавшая до этого микроархитектура NetBurst выглядела тупиковой еще задолго до вышеназванного момента, но Intel почему-то упорно пыталась продлить ей жизнь самыми очевидными и недальновидными способами - наращиванием объема кэш-памяти и увеличением тактовых частот. В результате мы получили целый ряд не самых быстрых по тем временам процессоров с просто жутким, особенно в соотношении с производительностью, уровнем тепловыделения. А тут еще и практически единственный конкурент - компания AMD - завалил рынок более дешевыми CPU Athlon 64/X2, превосходящими ряд моделей Pentium 4 как по производительности, так и по цене. По всей видимости, Intel ко всему этому оказалась не готовой, и в какой-то момент стало понятно, что для сохранения позиций на рынке компании требовалось уже революционное решение. Мы уже знаем, что таким решением стала микроархитектура Core. Причем, очевидно, что разработка ее производилась в крайне сжатые сроки, и вся эволюция NetBurst на этапе своего заката была лишь способом тянуть время, необходимое на разработку и производство Core 2 Duo.
 
Причем, если взглянуть на структуру Conroe - первого ядра Core 2 Duo, можно сделать предположение, что изначально Intel даже не ставила задачи разработать архитектуру, ориентированную на создание двухъядерных и тем более четырехъядерных процессоров. Если посмотреть на Core 2 Duo "свежим" взглядом, вполне можно сделать предположение: то, что нам пытались выдать за намеренно достигнутые преимущества новых CPU, например, наличие разделяемой кэш-памяти L2, на самом деле может являться следствием того, что Conroe "слеплено" из двух изначально одноядерных процессоров. И, действительно, в то время на рынке были гораздо более востребованы быстрые одноядерные процессоры, а реальная, а не маркетинговая потребность в двухъядерных значилась лишь в туманной перспективе.
 
В результате ставки Intel оказались верными. Получившиеся действительно быстрыми исполнительные ядра Core 2 Duo позволяли получать разительный отрыв от конкурирующих AMD Athlon X2 как в однопоточных приложениях, где преимуществом был еще и огромный по тем временам объем выделяемой кэш-памяти L2, так и при загрузке двух ядер сразу. И даже Core 2 Quad, которые упрощенно можно считать парой слепленных Core 2 Duo, оказались явно быстрей столь долго ожидаемых поклонниками "настоящих" четырехъядерных CPU AMD Phenom X4. И это несмотря на то, что способ, с помощью которого были получены Core 2 Quad, несет в себе ряд недостатков, не самым лучшим способом сказывающихся на производительности.
 
В общем-то, осознав хотя бы то, что архитектура Core изначально не была предназначена или, если это не так, уж точно не адаптирована для создания многоядерных процессоров, становится вполне понятно, зачем Intel потребовалось менять и без того быстрые CPU на что-то еще. Почивать на лаврах при таких обстоятельствах было не время, иначе вполне могла бы повториться ситуация, некогда наблюдавшаяся с NetBurst. Да, по абсолютной производительности с Core 2 Quad все еще не могут тягаться ни AMD Phenom X4, ни новоиспеченные AMD Phenom II X4, но архитектура последних теоретически готова для построения 8 и даже 16-ядерных процессоров, на что Core уже фактически не способна. А ведь тенденции рынка движутся именно в этом направлении. Например, в игровых консолях уже давно работают многоядерные CPU, в результате чего в некоторые портированные с приставок на PC игры на двухъядерниках играть уже не комфортно.
 
Ну и, наконец, вспомним еще один из главных козырей процессоров AMD - встроенный контроллер памяти, интегрированный во все CPU AMD еще с 2004 года. Аналогичное решение Intel было лишь делом времени, хотя здесь ее разработчики пошли немного дальше, но обо всем по порядку.
 
Основные особенности архитектуры Corei7
 
По всей видимости, при создании новой архитектуры главной задачей, ставящейся Intel перед разработчиками, было обеспечение максимальной масштабируемости, чтобы на ее основе можно было строить максимально возможное количество конфигураций процессоров. Обеспечить подобное можно было только путем применения модульного принципа построения ядра, что и было реализовано. Фактически основной модуль новой архитектуры - это одноядерный процессор с классической структурой, основными чертами которой являются наличие исполнительного ядра, кэш-памяти первого уровня, объем которой в данном случае равен 64 KB, и кэша L2 объемом 256 KB.
 
Intel Core i7
 
Соединив N таких блоков в одно целое и дополнив их другими, мы уже получим готовый N-ядерный процессор. На данном этапе, взглянув на структурную схему существующих процессоров Core i7, мы видим следующий набор модулей:
  • четыре исполнительных ядра с собственными L1 и L2 (Core);
  • разделяемую кэш-память третьего уровня (L3 Cache);
  • трехканальный контроллер памяти DDR3 (IMC);
  • контроллер шины для связи с чипсетом (QPI);
  • контроллер питания и генератор частот (Power & Clock).
Intel Core i7
 
При создании других процессоров количество модулей, их состав и даже характер могут вполне гибко варьироваться. Для производителя это одно из главных преимуществ новой архитектуры. Сами собой напрашиваются вариации количества ядер, но это лишь самый очевидный способ получения более дешевых или, напротив, дорогих процессоров. Например, уже доподлинно известно, что готовящиеся к выходу процессоры Core i5 и Core i3 будут оснащаться двухканальными контроллерами памяти и контроллером шины QPI с уменьшенной пропускной способностью.
 
С другой стороны, имеется возможность добавления в корпус процессора еще двух модулей - контроллера шины PCI Express и контроллера интегрированной графики. Еще, например, восьмиядерный процессор можно будет укомплектовать вторым контроллером оперативной памяти и вторым контроллером шины QPI (если контроллер PCI Express все же останется в составе чипсета, а количество линий сильно увеличится).
 
Однако основным потребителем достигнутой модульности является сама Intel, получившая в свое распоряжение архитектуру, позволяющую относительно легко получать процессоры различной производительности, функциональности и, соответственно, стоимости. Согласитесь, обычным пользователям все равно, как был построен новый процессор. Разве что только модульность позволит снизить затраты на разработку самих CPU. Мы же посмотрим на другие изменения, уже присутствующие в реально существующих процессорах, построенных по новой архитектуре.
 
Исполнительное ядро (Core)
 
Если заняться анализом нововведений самого исполнительного ядра новой архитектуры Core i7, существенных отличий от использовавшегося в предшествующей Core найти не удастся. Изменения скорее носят характер доработок, нежели коренных переделок.
 
Intel Core i7
 
В частности, был доработан декодер инструкций, блок обработки циклов перенесен за декодер, блок предсказания переходов разделили на две части, каждая из которых занимается анализом разной глубины и, наконец, был добавлен новый набор инструкций SSE4.2. К слову, добавленные в набор SSE4.2 инструкции носят скорее прикладное, нежели общее назначение, то есть призваны ускорить работу операций, выполняемых определенными приложениями.
 
Интегрированный контроллер памяти (IMC)
 
Такого ответного хода в сторону конкурирующей компании AMD, как интеграция контроллера оперативной памяти в ядро процессора, от Intel ждали уже давно, и не разрабатывайся бы Core 2 Duo в столь сжатые сроки, возможно, мы увидели бы его уже в составе данных CPU. Довольно любопытно, что в составе Core i7 используется аж трехканальный контроллер памяти, причем работает он с современной DDR3 SDRAM, в то время как у AMD он всегда был двухканальным, а реализация поддержки DDR3 все время откладывалась и появилась лишь недавно. То есть здесь Intel обошла конкурента со свойственным ей размахом и очень солидным заделом на будущее. Впрочем, здесь ведь речь идет о топ-сегменте, где компания никогда не скупилась на усиленные решения. Более дешевые Core i5 и Core i3 будут оснащаться двухканальными контроллерами.
 
Максимальная частота модулей DDR3 поддерживаемых контроллерами ныне существующих процессоров Core i7 на ядре Nehalem для серверных модификаций составляет 1333 МГц, для десктопных - 1066 МГц. Это позволяет заявлять Intel о пропускной способности контроллера 32 GB/s, что получено путем простого умножения пропускной способности DDR3-1333 на количество каналов, то есть на 3. Естественно, с реальностью это коррелирует слабо, но о порядке заложенной производительности представление дает.
 
Блок управления энергопотреблением
 
Добавленный в процессоры с новой архитектурой модуль PCU (Power Control Unit), или блок управления энергопотреблением, по сути, является самостоятельным контроллером, позволяет динамически управлять частотой и напряжением питания каждого ядра в отдельности, анализируя для этого его температуру и энергопотребление. То есть на максимальную мощность могут включаться только те ядра, от которых в текущий момент требуется адекватная отдача, а остальные будут благополучно пребывать в состоянии пониженного энергопотребления.
 
Intel Core i7
 
Именно этот блок сделал возможным реализацию технологии Turbo Boost, о которой расскажем ниже.
 
Технология TurboBoost
 
Пожалуй, всего-то каких-нибудь лет пять назад, если бы кто-то сказал на каком-нибудь оверклокерском форуме, что Intel станет закладывать технологии разгона прямо в процессоры, его просто подняли бы на смех. Ведь раньше в этом плане компания была очень консервативна. Впрочем, та же AMD, первая выпустившая на рынок процессоры с "легализованным разгоном" (серия Black Edition), заключающимся в разблокированном в сторону увеличения множителем частоты, не так давно - во времена Athlon XP - чтобы сделать невозможным выполнение такой операции, пережигала соответствующие мостики лазером. И не важно, что требуемые связи относительно легко восстанавливались - главное, что они намеренно разрушались, что уж никак не являлось лояльностью к оверклокерам. Так что у всех производителей были времена, когда они воспринимали оверклокеров едва ли не как врагов собственного благосостояния. И только позже все они  поняли, что помимо того, что данный контингент формирует значительную часть народного мнения о производителе, сам он тоже является весьма активным потребителем.
 
Так в процессорах Core i7 появилась технология Turbo Boost, фактически заключающаяся в возможности динамического увеличения множителя частоты каждого из исполнительных ядер выше штатного значения. Однако не все так гладко.
 
Intel Core i7
 
По своей сути Turbo Boost можно воспринимать как серьезно доработанную технологию Intel EIST, присутствовавшую во всех процессорах Core 2 и научившуюся не только понижать штатную частоту в простое, но и, по возможности, повышать при нагрузке. Возможность эта присутствует всегда, пока не превышен максимальный TDP, установленный для данной конкретной модели. В итоге при максимальной нагрузке процессор Core i7 всегда работает на повышенной относительно номинала частоте. Сила тока, напряжение и мощность, потребляемые каждым ядром, контролируются встроенным PCU, который, зарегистрировав превышение потребляемой мощности, тут же понижает напряжение и частоту ядра до штатных значений, не позволяя процессору выйти из предусмотренного теплового пакета. Если это не удается, контроллер питания продолжит снижение напряжения и частоты до тех пор, пока не достигнет желаемого результата, что уже, по сути, является всерьез эволюционировавшей версией термотроттлинга. Правда, добиться этого можно лишь специально предназначенными программными средствами.
 
И вроде бы все хорошо, но выходит, что у современных процессоров Intel Core i7 теперь нет больше штатной тактовой частоты. Теперь каждое из ядер CPU функционирует на наиболее адекватных текущим условиям частотах, большую часть времени отличных от штатных. В свою очередь ограничение TDP процессора становится серьезным препятствием для оверклокеров. Ведь если раньше для успешного функционирования разогнанного CPU его нужно было всего лишь хорошо охлаждать, то теперь интегрированный в кристалл PCU просто не даст выйти за рамки дозволенного. Впрочем, данный вопрос – тема отдельной статьи.
 
Ну а по итогу получается, что на самом деле,Turbo Boost – это инструмент, позволяющий выжать из каждого процессора как можно больше, что в первую очередь необходимо самой Intel (а как же? Ведь процессоры Core i7 самые быстрые!). Блок PCU же в этом случае – отличный инструмент, не позволяющий CPU в его стремлении к высотам "опалить крылья".
 
Технология HyperThreading
 
Технология хорошо знакома еще со времен процессоров с архитектурой NetBurst, в Core она не использовалась, а теперь Intel снова пустила ее в дело. Если кто подзабыл, напомним: суть ее заключается в эмуляции двух логических исполнительных ядер на основе одного физического.
 
Intel Core i7
 
Теоретически это должно увеличивать производительность приложений, способных задействовать получившееся число потоков. В случае четырехъядерного CPU логических ядер, соответственно, получится 8. Интересно, как много приложений для настольных ПК могут использовать такое количество процессоров? То есть на сегодняшний день данная технология носит скорее маркетинговый (еще бы! 8 ядер в вашем домашнем ПК!), нежели практический характер.
 
Выводы
 
Подводя итоги нашего обзора новой процессорной архитектуры Core i7, в первую очередь стоит отметить, что в отличие от прошлой Core, основной причиной появления Core i7 является вовсе не обеспечение революционного скачка производительности. Ведь как на момент выхода Core i7, так и сейчас процессоры Intel Core 2 сохраняют солидный отрыв по производительности, и в этом плане битву за первенство AMD пока сильно проигрывает, поэтому Core i7 разрабатывалась скорее для боев будущих, нежели нынешних. Если некогда выброшенные на рынок процессоры Core 2 можно сравнить с оружием простым, но ударным, то теперешние Core i7 – оружие гибкое и скорее тактическое. Максимальная отдача от него будет получена в свое время, когда на рынке могут обозначиться новые или развиться существующие тренды, под которые новую архитектуру можно будет подстраивать с максимальной гибкостью и отдачей. К тому же модульная конструкция новых CPU позволяет легко производить доработку и модернизацию нуждающихся в этом блоков, не затрагивая остальные. Таким образом, повторимся: архитектура Core i7 скорее ориентирована на будущее, нежели на настоящее, и весь ее потенциал мы увидим не сейчас. Что ж, как говорится, поживем – увидим.
 

TechLab logo

Страница:

Меню раздела