И вновь продолжается бой…

Большинство из нас уже привыкло к внезапным маркетинговым акциям, появлению новых продуктов, изменению роадмапов (roadmaps) с целью опережения соперников хотя бы с «бумажным» выпуском их новинок. Не для кого не секрет и извечное противостояние двух заклятых противников в процессорной сфере – AMD и Intel. Но у технологических гигантов видимо всегда найдется что-нибудь чем нас удивить. Вот и сейчас, к концу года, когда все о ближайшем будущем микросхем и процессоров казалось известным и очевидным, буквально за несколько недель сентября этого года стало с ног на голову. Ну а начнем мы с предисловия, чтобы стало наконец ясно, что же такого произошло за несколько сентябрьских дней этого года.

В конце апреля 2003 года, после многочисленных долгосрочных переносов компания AMD официально представила свой первый 64-разряний процессор. Это был серверный Opteron, ранее известный под кодовым названием Sledgehammer. Выпущен он был в 3 моделях: 240 (1,4 ГГц), 242 (1,6 ГГц) и 244 (1,8 ГГц), выполненные по х86-64 архитектуре. Этот процессор, открывший семейство К8, ознаменовал начало новой эры «чистых» 64-разряных вычислений. Он имеет встроенный 2-каналльный контроллер памяти DDR и способен адресовать до 256 Тбайт памяти. Серия 2хх предназначена для 2-процессорных серверов, позднее появились серии 4хх и 8хх, соответственно, для 4- и 8-процессорных конфигураций. Эта событие стало поистине революцией в технологиях вычислений. Хотя, в последнее время достаточно сложно определить, что же является революцией, а что наследственными эволюционными технологиями. Платформу AMD64 поддерживают все основные производители операционных систем, в том числе Microsoft, RedHat, SuSE, United Linux (компания, включающая SuSE, Conectiva, Caldera и TurboLinux), MandrakeSoft и Wasabi.

Несмотря на то, что ядро Hammer имеет сходство с ядром K7: там имеется много нововведений. Регистры расширены до 64 разрядов, что позволяет адресовать и работать одинаково эффективно как с 16-32-разрядными, так и с 64-раздынми командами. Конвейер удлинен, а вместе с ним улучшился и блок предсказания ветвлений, и увеличено окно планировщика. Появилась поддержка набора команд SSE2. Встроенный 144-разряный контроллер памяти DDR333 поддерживает ECC (контроль ошибок). Кэш второго уровня увеличен до 1 Мбайта. Вот так получился первый 64-битный процессор от AMD. Он вполне мог рассчитывать на удачу, если бы не его более чем скромные поставки и не некоторые ошибки, которые были найдены вскоре после его запуска. Впрочем, это не помешало новинке вскоре приобрести заслуженную популярность. По словам инженеров AMD, выпуск K8 был гораздо более успешным, чем выпуск K6, но не таким успешным, как K7. К этому времени у Intel уже имелся Itanium 2 – серверный процессор, выполненный по архитектуре IA-64. С ними тоже не все шло гладко: стоили они очень дорого, и в них также нашлись серьезные ошибки.

В такой ситуации Intel могла рассчитывать только на опережение конкурента с выпуском своих новинок. В серверной сфере готовились новый Itanium 2 на ядре Madison, а затем и на Deerfield и Xeon MP на ядре Gallatin. На рынке ПК начального уровня, безусловно, почти всегда, и сейчас в том числе позиции сильнее были у компании AMD. Она стало плавно свертывать производство линейки процессоров Duron, притом, что неожиданно недавно были выпущены последние модели этого семейства с частотами 1.4, 1.6 и 1.8 ГГц. В этом году конвейер по выпуску Duron все же остановится. Им на смену AMD выпустила процессор Athlon XP Thorton, основанный на ядре Barton, и по сути дела, являющийся его урезанным вариантом. Единственным отличием его от «отца» стал его урезанный до 256 Кбайт кэш второго уровня. Все остальные спецификации те же: частота системной шины 333-400 МГц, кэш L1 – 128 Кбайт, техпроцесс – 130 нм. Мы увидим эти процессоры с рейтингами 2000+, 2200+ и 2400+. Это решение представляется наиболее грамотным и рациональным на рынке дешевых CPU.

На рынке настольных процессоров Intel не особенно суетилась, понимая, что мы входим в новый век 64-разрядных вычислений. На этом рынке позиции её Pentium 4 Northwood были достаточно сильны, а конкурирующий Athlon XP уже достиг своего технологического предела, в то время как такой запас был у ядра Northwood. Уже все ожидали, что Pentium 4 на ядре Prescott и Athlon XP на ядре Barton закроют эру 32-разрядных процессоров достаточно быстро. В связи с быстро нарастающей мощью Athlon 64, будущего 64-битного CPU для настольных компьютеров, компания Intel в очередной раз решила форсировать события, опередив AMD с выпуском новых настольных процессоров хотя бы на несколько дней. В связи с такими событиями было принято нестандартное решение в духе современной конвергенции, которая сближает не только мобильные и настольные технологии, но и серверную сферу с настольными технологиями. Несмотря на то, что ядро Northwood еще до конца не исчерпало всех своих ресурсов, оно уже не может соперничать с 64-разрядной новинкой от AMD. Итак, в сентябре на IDF Fall 2003 в Сан-Хосе Intel объявила новый процессор для настольных ПК под названием Pentium 4 Extreme Edition. Следом за этим, 23 сентября AMD представила свои настольные 64-разрядные процессоры. Вот о том, что нас ждет на рынке настольных процессор мы и поговорим в этой статье.

Athlon 64 и Athlon 64 FX

Как мы уже говорили, новые процессоры имеют очень много общего с архитектурой K7, но включают новые особенности поколения K8. Архитектура поколения К8 была названа AMD64 или х86-64, которая представляет собой переработку 32-разрядного ядра K7.

Прежде всего, переработка заключается в расширении архитектуры до 64 разрядов. Все регистры общего назначения (GPR) были увеличены до 64 бит, добавились еще 8 новых 64-разрядных GPR. Таким образом, сохранилась обратная совместимость с х86-кодом. Это позволило выполнять как 16/32-битные, так 64-битные приложения. Чтобы реализовать совместимость, CPU наделили возможностью работать в 2 режимах: наследственном (legacy) и длинном (long). В наследственном режиме К8 работает с 16- и 32-разрядными приложениями точно так же, как и Athlon XP, даже быстрее. Длинный режим требует наличия 64-разрядной операционной системы, совместимой с архитектурой AMD64 (x86-64). Этот режим позволяет задействовать все дополнительные 64-разряные регистры и адресовать 2⁶⁴ = 16 Тбайт оперативной памяти при использовании 40-разрядных физических адресов и 48-разрядных виртуальных адресов. Следовательно, снимаются все ограничения, налагаемые 32-битной ОС (максимально адресуется 4 Гбайта оперативной памяти). Зачем это нужно? Прежде всего, для серверов, базы данных и СУБД которых уже требуют больший объем оперативной памяти. Не за горами то время, когда и простые пользователи будут иметь более 4 Гбайт оперативной памяти, ведь большинство уже обзавелось 512 Мбайт DDR, а 64-битная ОС будет требовать гораздо больше.

Еще одно нововведение коснулось увеличения окна целочисленного планировщика команд – оно было увеличено с 18 до 24 входов. Это стало возможным благодаря улучшению блока предсказания ветвлений (его глобальный счетчик команд был увеличен в 4 раза) и позволило в конечном итоге удлинить конвейер, а значит, и повысить тактовую частоту. Целочисленный конвейер K8 стал 12-ступенчатым против 10-ступенчатого у К7.

Кэши К8 идентичны кэшам К7, но имеют значительно меньшие задержки и большую пропускную способность. И последнее: в К8 было увеличено число записей в буферах быстрого преобразования адресов (TLB). На уровне микрокода появилась поддержка набора команд SSE2.

В кристалл процессора интегрирован контроллер памяти DDR шириной 144 бита с поддержкой ECC (контроля ошибок), что значительно снижает задержки при  передаче данных между памятью и процессором. Это значение снижено со 170 до 35-40 нс. Контроллер памяти может иметь делитель частоты и работать на частотах 333 или 400 МГц. CPU соединяется с южным мостом, контроллером AGP и PCI-X через шину типа «точка-точка» HyperTransport с частотой 1600 МГц – старую и проверенную годами разработку AMD. Пропускная способность шины «процессор-память» составляет 6,4 Гб/с, а с южным мостом – 3,2 Гб/с. К сожалению, единственным минусом данной системы является разделяемая FSB, позволяющая подключаться к памяти любому процессору. Системная шина представляет собой 3 шины HyperTransport по 16 бит (в сумме 64 бита) для связи с соседними процессорами и памятью. Но ведь настольному Athlon 64 это не грозит – он используется в однопроцессорных системах. Кстати говоря, встроенный контроллер памяти упрощает разводку системных плат, и поэтому их стоимость не должна превышать $100. Грубо говоря, CPU Athlon 64/FX включил  в себя северный мост.

Кэш-память второго уровня увеличили в два раза, и теперь она составляет 1 Мбайт, что сумме с кэшем первого уровня исключающей (exclusive) архитектуры дает 1152 килобайта.

Если говорить о физическом исполнении самого процессора, то он выполняется по 0,13 мкм техпроцессу с использованием технологии SOI (Silicon on Insulator, «кремний на диэлектрике»). Благодаря этой технологии можно достичь больших тактовых частот и меньшего тепловыделения. Для упаковки используется старая керамическая упаковка – почему не органическая, как в Athlon XP – непонятно. Процессор имеет 940 выводов и устанавливается, соответственно, в Socket 940. Для усовершенствования тепловых и механических характеристик процессора теперь используется аналогичный интеловскому интегрированный распределитель тепла (heatspreader), который защищает кристалл процессора от сколов при установке кулера и более равномерно распределяет выделенный тепловой поток. Естественным образом снижается тепловая плотность и исключаются локальные очаги перегрева кристалла при неправильном нанесении термопасты. Добавлена возможность многоступенчатого выключения системы при перегреве. Существенно изменен подход к системе охлаждения. Так как теперь процессор внешне похож на Pentium 4, будут похожими и кулеры для него. Отличие заключается в обязательной удерживающей рамке на материнской плате вокруг сокета. Таким образом, повышается механическая надежность систем, нет давления на сокет и плата не подвергается избыточному упругому напряжению.

Представление

Итак, 23 сентября на выставке Computex’2003 компания AMD представила свои новые настольные и мобильные 64-разрядные процессоры Athlon 64, основанные на ядре ClawHammer. Они выпускаются в 3 модификациях: Athlon 64 FX, Athlon 64 и Mobile Athlon 64. Первенцами каждого семейства стали модели Athlon 64 FX-51, Athlon 64 3200+ и Mobile Athlon 3000+. Для high-end модели (FX) применяется новая двухзначная маркировка, похожая на трехзначную для Opteron. Видимо, компания решила уйти от привязки процессора к частоте, и решила больше не отображать рейтинг в высокопроизводительных моделях. Маркировка FX выбрана не случайно: это обозначает наличие неких спецэффектов. Неслучайно и число 51 – оно нечетное, для того чтобы отличит процессор от других серий. В последствии Athlon 64 FX будет маркироваться, начиная с 51 с шагом 2 для каждой последующей модели. Эти цифры каким-то образом отражают относительную производительность. Для Athlon 64 сохранен P-рейтинг, так как по производительности новый процессор сравним с Athlon XP. Вообще, рост производительности должен быть виден только в мультимедийных приложениях, требующих интенсивного обмена с памятью. Первые представленные CPU имели следующую частоту: Athlon 64 FX-51 — 2,2 ГГц, Athlon 64 3200+ —  2 ГГц, Mobile Athlon 3000+ — 1,8 ГГц. Частота работы системной шины (если ее теперь можно таковой считать) – 1600 МГц.