Architektura Intel Nehalem

Transkript

1 VŠB-TUO FEI Architektura Intel Nehalem Pokročilé architektury PC Zdeněk Ryška (rys093)

2 Procesor Intel Core i7 kódovým jménem nazývaný Nehalem je první nativní čtyřjádrový procesor firmy Intel. Je součástí nového modelu Tic-Toc, dle kterého vydá Intel každé 2 roky novou architekturu. Změny v tomto případě nebyly pouze kosmetické. Architektura procesorů rodiny Nehalem je samozřejmě postavena na velmi úspěšné architektuře Intel Core přičemž byly odstraněny hlavní její nedostatky. Došlo k nahrazení FSB sběrnice, která byla bezesporu brzdou pro moderní procesory a hlavně při použití ve víceprocesorových systémech způsobovala značné omezení výkonu. FSB sběrnice byla nahrazena sběrnicí QPI (QuickPath inteface)u této technologie je komunikace vedena bodově (point-to-point) není tedy sdílená všemi zařízeními jako tomu bylo u FSB. Výkon QPI sběrnice je od 4,8 do GT/s na linku. Tento fakt se projeví hlavně v multiprocesorových systémech, kde bude efektivnější komunikace CPU a čipsetu. 2

3 Dále byl do čipu integrován i paměťový řadič, který zvýšil prostupnost a snížil latenci operačních pamětí. Intel Nehalem v zatím nejvyšší verzi i7 obsahuje 3-kanálový řadič pamětí typu DDR3. Díky tomuto řadiči dosahuje procesor Intel Nehalem až 4x vyšší propustnost oproti staršímu jádru Harpertown. Také platí, že přidáním procesorů u víceprocesorových systémů se zvyšuje úměrně i výkon paměťového systému. Bylo zapracováno i na modulárnosti čipu lze tedy velice snadno rozšířit přidáním dalších jader, zvětšit paměť cache případně doplnit integrovanou grafickou kartou přímo do pouzdra procesoru (GPU bude přidávána do procesorů řady i5 a i3). V dnešní době je velmi diskutovanou věcí spotřeba počítače jako celku a ní se velkou měrou podílí i CPU v dané sestavě obsažené. Intel proto do Nehalemů umístil speciální čip (PCU), který řídí úsporné funkce jako je podtaktování či úplné vypínání jader procesoru a také paměti cache. Z tohoto důvodu mají tyto procesory velmi nízkou spotřebu v idle režimu. V zatíženém stavu už spotřeba bohužel tak 3

4 nízká není a je Intelem nastavena TDP < 130W. Tato hodnota dle prvních testů značně klesne u nadcházejících procesorů vyrobených 32nm (kódové jméno Westmere) výrobním procesem. Se změnou architektury přišla i změna socketu socket LGA775 byl nahrazen socketem LGA1366 pro high-end procesory i7 a paticí LGA 1160 pro střední a nižší střední třídu core i5 a i3. Změny byly provedeny i na cache pamětech procesoru nyní má procesor L1 cache pro každé jádro 64kb dále obsahuje L2 cache do 256kb na jádro a poté sdílenou L3 cache pro všechna jádra. Pozměněn byl i Front-end, který slouží k získávání a dekódování instrukcí. Intel Nehalem stejně jako architektura Core zpracovává microops, což můžeme přirovnat k nejzákladnějším povelům, na které je každá x86 instrukce rozložena. Nehalem má stejně jako Core architektura 4 instrukční dekodéry (3 jednoduché a jeden komplexní). Fúzování Makroinstrukcí bylo představeno již s rodinou procesorů Intel Core 2 a stejně tak Loop Stream Detector. Nehalem podědil fúzování makroinstrukcí po Core 2 a dále jej rozšiřuje. Při zfúzování makroinstrukcí dojde na dekódování na microop, jako by se jednalo o jedinou instrukci tento postup přináší vyšší výkon a vyšší energetickou účinnost. Také přibylo fúzování i v 64bit režimu (Core 2 zvládá pouze 32bit). Dále byl vylepšen Loop Stream Detector (LSD), ten umožňuje odhalit cyklus v právě zpracovávaném kódu a zamezit opakovanému dekódování stejných instrukcí. LSD má tedy hlavní zásluhu na výkon v průběhu cyklu a vypíná části procesoru, které nejsou aktuálně potřeba. Tento postup má příznivý dopad i na spotřebu procesoru. 4

5 Kompletně byla přepracována i predikce větvení a předvídání skoku. Obecně platí, že čím je vyšší přesnost predikce tím má daný procesor vyšší výkon i nižší spotřebu nemusí zahazovat spočítané výsledky a počítat odlišní instrukce. V Nehalemu tuto funkci obstarává L2 Branch Predictor. Procesory dnešní architektury jsou celkem často v IDLE režimu. Nehalemu se snaží držet výpočetní jednotky v činnosti, a proto jsou zde rozšířeny Load a Store Buffery a Reservation Station (ta dodává informace pro výpočetní část, ukládá a čte data a tak dále). Navýšen je dále paralelismus a zvětšen počet microops, které procesor zvládne. Dothan zvládl 64, Merom 96 a u Nehalemu došlo k dalšímu navýšení, na 128 microops. U procesorů rodiny Nehalem byla obnovena funkce známá z procesorů Intel Pentium 4, které měli od jádra Northwood funkci zvanou HyperTheading. Tato funkce umožňovala, že se jedno fyzické jádro procesory tvářilo jako 2 logické jednotky a bylo schopné zpracovat 2 instrukce naráz. Tato technologie se jmenuje SMT (Simultaneous Multi-Threading). Operační systém tedy v případě 4-jádrového procesoru detekuje procesor s 8mi jádry. Touto technologií by se měli využít nevyžité prostředky procesoru a navýšit výkon o cca 20-30%. Samozřejmě musí být provozovány aplikace určené pro vícejádrové procesory (například vícevláknové aplikace, dekódování videa...). V aplikacích neoptimalizovaných pro vícejádrové procesory navýšení výkonu nebude a je možný i mírný propad výkonu oproti procesoru s vypnutou technologií SMT. 5

6 Právě pro zvýšení výkonu u aplikací náročných na výkon jednoho jádra uvedl Intel s procesory Nehalem technologii TurboBoost, která přetaktuje jedno jádro procesoru v případě jeho silného zatížení a zároveň nízkého vytížení ostatních jader. To vše při zachování předepsaného TDP. Přetaktování u procesorů i7 probíhá ve 2 krocích -> nejdříve o 133MHz a poté o 266MHz u procesorů i5 jsou tyto hodnoty vyšší. V dnešní době je velmi oblíbená virtualizace. Proto byly značně upraveny SSE instrukce a aktuálně jsou ve verzi SSE 4.2. Zvýšení výkonu virtualizovaného stroje má být až o 40%. 6

7 Intel používá k výrobě procesorů Nehalem výrobní technologii 45nm s High-k a technologií kovových hradel. Tato technologie je stejná jako u procesorů Core 2 u posledního jádra (Perin). Jako novinka se představilo použití 9. vrstvy měděných mezispojů pro maximální snížení odporu. Dále použitá technologie Power Gate efektivně odděluje a vypíná jádra procesoru a tím snižuje spotřebu. První uvedené procesory jsou core i7 a to o taktech 2,66, 2,93, 3,2 TDP je u všech tří shodně na 130W. 7

8 Výkon procesorů Core i7: 8

9 9

10 Z přiložených grafů je jasně vidět, že ve výkonu se jedná o velmi výrazný skok. Procesor je bezkonkurenčně nejrychlejší na trhu a AMD bohužel ještě relativně dlouhou dobu nebude mít proti tomuto procesoru výkostně alespoň srovnatelnou alternativu. Zatím architekturu nehalem brzdí od masového rozšíření hlavně cena celé platformy, která je značně vysoká a to nejen z důvodu vysoké 10

11 ceny procesoru, ale i nutnosti pořídit si tři kusy kvalitních operačních pamětí DDR3 pro využití paměťového řadiče a také základní desky jsou pro tento procesor velmi nákladné. Cenově výhodná alternativa je v podobě procesorů i5, kde celá platforma vychází značně výhodněji 2kanálový řadič a levnější základní desky. Procesory i5 oproti i7 nemají zásadní omezení schází jim STM a pouze 2kanálový řadič DDR3 pamětí. Dle mého názoru se Intelu architektura Nehalem velmi povedla a hlavně zmíněná verze i5 je velmi sympatická v poměru cena výkon a také má nižší spotřebu. 11

12 Použité zdroje: