Завтра начинается сегодня. Будущее современных процессоров

Последний год был богат на интересные события в области микропроцессоров. Производители представили массу новых решений. Часть новинок оправдала наши ожидания, а некоторые чипы, не будем греха таить, разочаровали. По какому же пути пойдет развитие процессоров, и чего нам следует ждать от потомков

современных чипов? Этим вопросом сегодня задается каждый, кому небезразлично будущее hi-tech -индустрии. Ответ можно получить, только разобравшись с ситуацией, творящейся сегодня на рынке процессоров. Intel теряет свои позицииВ начале этого года американская корпорация Intel порадовала нас представлением нового процессора Pentium 4 на ядре Prescott , который должен был открыть новую эру в развитии чипов. Его ядро было произведено с использованием норм техпроцесса 90 нанометров. По словам производителя, новый техпроцесс позволит не задумываться о частоте — возможностей ядра с лихвой хватит для работы на частоте до 5 ГГц. Впечатлял и размер кэш-памяти второго уровня — Intel увеличила его вдвое, до отметки 1 Мбайт. Частота системной шины возросла до 800 МГц еще в прошлом году, а это должно означать, что новинка представляет собой достаточно сбалансированное решение, в котором нет явно слабых мест, тормозящих общую производительность системы. Это относится к системам с двухканальной памятью DDR SDRAM PC3200 , в таких ПК системная шина и скорость работы памяти была равна 6,4 Гбайт/с. Как это было с основной массой прошлых процессоров, когда увеличение частоты не давало пропорционального прироста скорости, системная шина не успевала нагружать процессор данными и “разгружать” результаты работы с нужной скоростью. В чипах Prescott нашли свое применение 13 новых инструкций SSE3 (раннее название — Prescott New Instructions, PNI), призванных улучшить комплексные расчеты при обработке данных в играх и мультимедиа-приложениях. Эти инструкции не требовали специальной поддержки со стороны операционной системы

Intel 8088 — один из первых процессоров компании.
(хватало поддержки стандартных SSE/SSE2) и без труда работали с программным обеспечением, написанным ранее для процессоров Intel. Еще одним новшеством стал улучшенный режим управления питанием. Кроме того, в ядре Prescott усовершенствованы технология Hyper-Threading и микроархитектура NetBurst , составляющая основу всех Pentium 4. Теперь, казалось бы, производителям оставалось только пожинать плоды своих трудов — в новом чипе были учтены все недостатки предшественников. Пользователю оставалось только купить новый процессор, вставить его в сокет на достойной материнской плате, подкрепить систему видеокартой и парой планок оперативной памяти и в результате получить машину мечты, на которой любые игры будут летать, а вопрос охлаждения процессора и вовсе исчезнет. Мечты-мечты… Однако слабым местом нового процессора стало именно тепловыделение. Первые модели были такими горячими, что на них можно было буквально жарить яичницу. В новом Pentium 4 усовершенствовали архитектуру, и это должно было повысить производительность систем, основанных на Prescott. Однако инженеры Intel удлинили рабочий конвейер Prescott до 31 стадии, и производительность осталась на уровне предыдущего ядра. Зато это позволило и дальше вести погоню за мегагерцами.

Ядро Prescott не оправдало всех надежд Intel.
По прошествии нескольких месяцев Intel удалось решить проблемы, свойственные первым процессорам на ядре Prescott; так, в июне был выпущен новый степпинг процессора — D0 — с тепловыделением 89 Вт, вместо первоначальных 106 Вт. Чипы на базе 90-нм ядра сегодня успешно конкурируют с решениями от главного конкурента корпорации — компании Advanced Micro Devices (AMD). Но, как бы то ни было, после выхода новых Pentium 4 стало ясно, что нужно срочно что-то менять, иначе вместо увеличения производительности при повышении тактовой частоты будет расти только тепловыделение. Чипмейкеры почти каждые два года удваивают число транзисторов на процессорах, что неизбежно ведет к увеличению плотности размещения этих самых транзисторов. Без новых способов рассеивания тепла чип, работающий на тактовой частоте 5-6 ГГц, будет так нагреваться, что его победа в борьбе с отопительными приборами будет безоговорочной. Сели инженеры, подумали-подумали и признали, что дальнейшее развитие семейства Pentium 4 невозможно. Как результат — Intel прекратила работу над процессорами с кодовыми именами Tejas и Jayhawk , которые корпорация намеревалась выпустить в начале 2005 года. Первый должен был стать продолжением линейки семейства Pentium 4 на ядре, выполненном по нормам 65-нм техпроцесса, а второй — продолжением серии сегодняшних Xeon. В одном из интервью представители Intel объяснили отказ от развития Pentium 4 тем, что корпорация намерена сосредоточить внимание на многоядерных решениях. Несколько слов о технологии SOIТехнология, получившая название SOI ( Silicon-On-Insulator , “кремний на изоляторе”), представляет собой значительный шаг вперед в области производства микросхем. При классической технологии производства у кремния проявляется один серьезный недостаток, а именно — паразитные электрические цепи. SOI позволяет решить эту проблему и увеличить быстродействие процессора. Самым действенным способом решения проблемы является расположение отдельных транзисторов на малюсеньких островках кремния на изолирующей подложке. При использовании технологии SOI транзисторы на кристалле защищаются слоем изолятора, который уменьшает вредное влияние электрических эффектов, поглощающих энергию и мешающих дальнейшему повышению производительности. Помимо всего прочего, благодаря использованию SOI производителям удается значительно снизить энергопотребление чипа и, как следствие, тепловыделение процессоров — примерно на 15-20%.
У AMD все хорошо… На первый взглядВ стане компании AMD в последнее время дела идут очень даже неплохо. Уменьшение производственного процесса здесь, в отличие от Intel, не ставят в ряд первоочередных задач, так как это очень затратное дело. При этом чипам компании удается побеждать решения конкурентов во многих тестах даже при меньшей тактовой частоте. Основная масса процессоров компании обладает сегодня поддержкой 64-битного набора команд, при этом сердцем чипа является 130-нм ядро. AMD обратила свой взор на 64-битные расширения, так как у компании нет возможности вкладывать достаточное количество средств в развитие 32-разрядных технологий. Как ни странно, от этого компания только выиграла. И серверные, и стандартные процессоры с 64-битными расширениями изготавливаются на одних **

**
Athlon 64 FX показывает блестящие результаты в играх, но стоит дорого.
и тех же заводах с использованием одинаковых технологий, что, безусловно, очень удобно и выгодно для AMD. В то же время компания не собирается отказываться от “обычных” 32-разрядных чипов — их производство будет работать, пока есть спрос со стороны пользователей. В ближайшее время Athlon XP будет заменен бюджетным процессором Sempton. Сегодня среди настольных решений AMD правят бал процессоры с архитектурой AMD64 , первые модели которых появились, если мне не изменяет память, в сентябре прошлого года. Процессор Athlon 64 позиционируется на рынке в качестве главного конкурента Pentium 4. Он пришел на смену Athlon XP , который отживает свои последние дни. Не так давно в противовес чипу Pentium 4 Extreme Edition , показывающему феноменальную производительность в играх, компания AMD представила не менее экстремальные процессоры серии Athlon 64 FX. Как бы то ни было, от перехода на производство с использованием 90-нм техпроцесса AMD никуда не денется — наращивать тактовую частоту и кэш чипов на базе 130-нм ядра будет все тяжелее, а прирост производительности будет все меньше. Уменьшение ядра откроет новые просторы для дальнейшего технологического развития. Здесь стоит сказать, что дела с переходом на техпроцесс 90 нм у компании идут не очень гладко. Дополнительную головную боль инженерам приносит необходимость создавать процессоры по технологии SOI (о том, что кроется за этой аббревиатурой, вы можете прочитать в материале “Несколько слов о технологии SOI” ). Действительно, технология SOI довольно сложна в реализации, но она очень перспективна и дает целый ряд преимуществ. Одно ядро хорошо, а два — лучшеИз всего вышесказанного можно сделать один интересный вывод: ведущие игроки мирового рынка микропроцессоров подошли к пределу экстенсивного развития, которое заключается в наращивании рабочей тактовой частоты, увеличении кэша и количества транзисторов. Что же дальше? Теперь никуда не деться

Так выглядит ядро современных Pentium 4 на ядре Prescott.
— придется совершенствовать архитектуру и увеличивать количество ядер. Развитие технологий уже в самое ближайшее время позволит упаковать в процессор свыше миллиарда транзисторов, в результате чего процессор сможет выполнять задачи, которые зачастую ложились на плечи программного обеспечения: обработку сетевых протоколов, управление виртуальной памятью и многие другие. В ближайшие несколько месяцев нам с вами придется довольствоваться доработкой существующих чипов. В случае Intel речь идет о решениях на основе ядра Prescott — в самое ближайшее время на прилавках появятся процессоры с частотой системной шины, поднятой до 1066 МГц. Это стало возможным благодаря недавнему переходу на LGA 775. Скоростной шиной обзаведутся все будущие чипы линеек Pentium 4 и Pentium 4 Extreme Edition. К концу текущего года ядро Prescott получит поддержку защитной функции XD и энергосберегающей технологии AAC. Принцип действия последней пока еще держится в тайне, но он во многом будет напоминать работу Cool’n’Quiet в решениях AMD, когда в зависимости от нагрузки автоматически регулируется производительность процессора. Это помогает значительно снизить энергопотребление, а следовательно, температуру. AMD, прежде чем объединять ядра на одном кристалле, также попытается выжать все возможное из одноядерного варианта своих творений. На четвертый квартал намечено представление Athlon 64 с рейтингом производительности 4000+ и Athlon 64 FX-55 , которые обзаведутся ядром, выполненным с использованием 90-нм техпроцесса (наконец-то AMD догонит в этом отношении Intel).

Двуядерный процессор в версии от инженеров AMD.
Ориентировочно к концу следующего года мы с вами увидим первые двухядерные процессоры и от Intel, и от AMD. Руководство первой корпорации полагает, что разработка чипов с несколькими ядрами представляется гораздо более перспективным направлением развития, нежели внедрение поддержки 64-разрядного набора команд. Более того, представители Intel стремятся убедить общественность в том, что 64-разрядность будет востребована лишь в ограниченном круге задач, а переход на 64-битные приложения займет гораздо больше времени, нежели миграция на софт с поддержкой нескольких ядер. Потому первые двуядерные решения от Intel, скорее всего, не будут поддерживать 64-битный набор команд. AMD, в свою очередь, решила развивать технологию производства SOI и сделала ставку на многоядерные процессоры с 64-разрядными расширениями. То, что AMD решила не пренебрегать 64-битностью, на наш взгляд, очень правильно. Это подтолкнет Intel к внедрению аналогичной технологии. Первые многоядерные решения как Intel, так и AMD будут ориентированы на сектор серверных решений, однако особо расстраиваться по этому поводу не стоит — в 2006 году мы, в любом случае, увидим подобные чипы для персональных компьютеров. Логично предположить, что к концу следующего года AMD уже успеет наладить производство многоядерных процессоров с использованием 90-нм техпроцесса. В стане Intel уверены, что ко второй половине следующего года на заводах компании начнется выпуск чипов с использованием нового 0.065-мкм техпроцесса. От освоения более “мелкого” производственного процесса никуда не денется и AMD — уместить на одном кристалле два ядра, выполненных с использованием новых производственных норм, будет гораздо проще и дешевле, нежели пару 90-нм собратьев. Первым двуядерным чипом Intel станет процессор под кодовым именем Merom. Как мы уже отмечали чуть выше, ядра этого чипа будут произведены с использованием техпроцесса 0,065 мкм. С большой долей вероятности можно сказать, что эти ядра станут потомками сегодняшних Dothan , которые используют в мобильных компьютерах. Почему? Ответ прост: главным плюсом

Здесь растят кристаллы, из которых получаются наши процессоры.
чипов на основе таких ядер перед теми же Prescott является более “легкая” архитектура, а также отсутствие длинного конвейера. Такие процессоры обладают достойной производительностью и невысоким энергопотреблением. О переводе Prescott на двуядерное исполнение говорить не приходится, такие процессоры будут чрезмерно сильно греться. Объем кэш-памяти процессоров Merom составит 4 Мбайта , а энергопотребление версии для ПК составит примерно 90 Вт. Несмотря на заявленную поддержку 64-разрядных расширений, чип, по сути, останется 32-разрядным. Стоит заметить, что корпорация Intel не собирается отказываться от уже полюбившихся технологий LaGrande , Vanderpool и HyperTreading (информацию о технологиях можно найти в заметке “Технологии, которые выбирает процессорный гигант” ). Представители AMD, в свою очередь, утверждают, что компания полностью завершила дизайн двуядерного серверного процессора Opteron , который должен появиться на прилавках в конце следующего года. Версия подобного чипа для персональных компьютеров должна появиться в начале 2006 года. Многоядерные процессоры будут построены на основе архитектуры AMD64, которую компания сейчас широко использует в процессорах. Удивляться этому не стоит — производители говорили о поддержке двух ядер этой платформой уже в первые дни после ее появления. К сожалению, каких-либо данных о характеристиках и стоимости таких процессоров нет. Но, собрав крохи информации, можно сказать, что тепловыделение подобных решений составит чуть больше 100 Вт. Этот факт подтверждает наши предположения о том, что в основе первых двуядерных чипов будет лежать 90-нм техпроцесс. С переходом на 0,065-мкм производство тепловыделение понизится. Сразу стоит оговориться, что с появлением двуядерной архитектуры процессоры могут довольно ощутимо потерять в рабочей тактовой частоте. Это в какой-то степени объясняет отсутствие роста энергопотребления и тепловыделения. Кстати говоря, его уровень не должен создать проблем с охлаждением — переход на жидкостные технологии охлаждения вновь откладывается на неопределенный срок. Технологии, которые выбирает процессорный гигант В последнее время Intel начала уделять повышенное внимание разработке различных технологий, призванных улучшить производительность процессора и защитить информацию пользователя. Сеть уже долгое время буквально кипит, обсуждая технологии Hyper-Threading , LaGrande и Vanderpool. По поводу назначения первой, думаю, особо расписывать не стоит — процессоры с поддержкой HT продаются уже не один месяц. Для тех, кто на протяжении всего последнего года находился в состоянии летаргического сна, поясним: Hyper-Threading — это название технологии одновременной многопоточности. Идея технологии заключается в том, что один физический процессор представляется операционной системе как два логических. В результате ОС направляет потоки данных на один физический процессор, как на два. Каждый логический процессор использует свой собственный набор регистров. Инструкции выборки/декодирования выполняются поочередно, а обычные команды — параллельно. Использование HT, теоретически , дает прирост производительности в отдельных приложениях до 30%. Многие считают технологию бесполезной, но это, стоит заметить, довольно спорный вопрос, заслуживающий отдельной статьи. Технология LaGrande представляет собой, по словам многих специалистов, целую идеологию компьютерной безопасности и аппаратной защиты. Проще говоря, технология призвана освободить голову пользователя от мыслей о безопасности/сохранности его информации на компьютере. Для практической реализации LaGrande необходима принципиально новая операционная система и аппаратная платформа (процессор, чипсет и т.п.) Первыми ОС с поддержкой этой технологии должны стать Windows Longhorn и новые версии Linux. Не менее интересной является технология Vanderpool , которая позволяет разделять аппаратные ресурсы компьютера для выполнения ими совершенно разных задач. Суть Vanderpool заключается в том, что компьютерная система превращается в набор независимых частей, эксплуатирующих совместные ресурсы. Как это будет воплощаться в реальность с технической точки зрения, пока еще не совсем понятно, но должна получиться полезная фишка!
ЗаключениеВот, пожалуй, и все, что касается ближайшего будущего процессоров. Интерес производителей к многоядерным чипам выглядит вполне логично. С каждым новым поколением производственного процесса уменьшаются размеры ядра, а из этого вытекает ряд плюсов, позволяющих, например, реализовать несколько ядер на одном кристалле. Хотелось бы заметить, что хоронить сегодняшние процессоры пока рано — они еще найдут свое применение в многопроцессорных системах. Двухпроцессорные конфигурации уже давно присутствуют на рынке, но их стоимость очень высока. К моменту появления многоядерных чипов такие решения, скорее всего, упадут в цене и станут более доступными. Об отдаленных перспективах говорить пока еще сложно, но ясно одно — размеры ядра будут уменьшаться с каждой парой лет, архитектура x86 будет и дальше развиваться. Внутри наших домашних системников будет трудиться пара-другая многоядерных процессоров с поддержкой 64-разрядных приложений, но мы все равно будем подумывать об апгрейде после ознакомления с минимальными системными требованиями очередной хитовой игры.