Architektura Intel Atom Štěpán Sojka 5. prosince 2008 1 Úvod Hlavní rysem Atomu je podpora platformy x86, která umožňuje spouštět a běžně používat řadu let vyvíjené aplikace, na které jsou uživatelé zvyklí z PC a zaručuje bezproblémovou a plnohodnotnou komunikaci mezi mobilními zařízeními a počítači. Při vývoji Atomu byl důraz kladen především na to, aby nový procesor měl co nejnižší spotřebu energie a zároveň si zachoval výkon dostatečný k provozování jednoduchých kancelářských aplikací a prohížení internetu. Architektura Atom je určena především pro tři nové kategorie počítačů: netbooky levné a méně výkonné notebooky, např. Asus eee, nebo MSI Wind nettopy stolní obdoba netbooků, MIDs - Mobile Internet Devices, neboli mobilní internetová zařízení. 2 Technická data Atom se vyrábí 45nm výrobním procesem. Se svými rozměry 13mm x 14mm x 1.6mm je nejmenším procesorem, který firma Intel v současnosti vyrábí.na obrázku 1 jsou rozměry dobře patrné. Uvedená čísla jsou rozměry včetně pouzdra, na obrázku 1 je vidět, že rozměry samotného čipu jsou ještě o mnoho menší. Procesor obsahuje zhruba 47 milionů tranzistorů, což je srovnatelné s zhruba s Pentiem 4 (cca 42 milionů tranzistorů). Oproti dnešním procesorům je to výrazně méně, například procesor Core 2 Duo má přibližně 270 milionů tranzistorů. Zajímavé je, že přibližně 40% tranzistorů v Atomu zabírá 512KB L2 cache. Atom má 32 KB L1 instrukční a 24 KB L1 datové cache paměti.spotřeba energie se bohybuje mezi 0.65 W - 2.64 W, taktovací frekvence mezi 0.8-1.86 GHz. Konkrétní hodnoty se liší podle jednotlivých modelů procesoru. 3 Architektura procesoru Intel Atom je proudový procesor. To znamená, že zpracovává instrukce postupě jednu za druhou a není schopen měnit jejich pořadí. Tato architektura byla 1
Obrázek 1: Velikost procesoru Intel Atom naposled použita u prvních procesorů Intel Pentium, od nástupu Pentia Pro již procesory dokázaly měnit pořadí zpracovávaných instrukcí, například při výpadku paměti cache nebo při datových závislostech mezi instrukcemi. Obvody, které zajišt ují zpracovávání instrukcí mimo pořadí jsou však velmi náročné jak co do složitosti tak i co do spotřeby, proto se konstruktéři Atomu rozhodli pro proudové zpracování. 3.1 Funkční jednotky Atom dokáže zpracovávat dvě instrukce současně, jde tedy o superskalární procesor, větší procesory však zpracovávají většinou tři nebo čtyři instrukce současně. Tento procesor má relativně malý počet funkčních jednotek, jak se můžeme přesvědčit z jeho blokového schématu na obrázku 2. Dvě funkčí jednotky slouží pro práci s celými čísly, jedna funkční jednotka slouží navíc k provádění skoků, druhá funkční jednotka pak k bitovým posunůn čísel. Ani jedna z těchto jednotek však neprovádí násobení, násobení celých čísel se provádí na jedné z jednotek pro práci s čísly s pohyblivou řádovou čárkou. Pro práci s čísly s pohyblivou řádovou čárkou slouží opět dvě funkční jednotky, jedna jednodušší, která obsahuje pouze aritmeticko-logickou jednotku a sčítačku, a druhá komplexnější, která odsahuje artmeticko-logickou jednotku, jednotky pro násobení a dělení (jak čísel s plovoucí řádovou čárkou, tak celých čísel), a jednotku pro SIMD instrukce. Atom podporuje instrukce SSE3. Při použití těchto instrukcí je možné vykonávat jednu instrukci paralelně na 128 bitech dat. 3.2 Hyper Threading Kvůli okolnostem jako jsou například datové závislosti mezi instrukcemi není často možné provádět dvě instrukce ze stejného vlákna současně. Atom je proto 2
Obrázek 2: Blokové schéma 3
vybaven technologií Hyper Threading, která umožňuje procesoru zpracovávat současně instrukce ze dvou vláken. Každé vlákno má svou vlastní frontu instrukcí se šestnácti záznamy (viz obrázek 2). Pokud při vykonávání programu dojde například k výpadku paměti cache nebo se objeví datová závislost, procesor nemusí zastavovat linku a čekat až bude moci dále pokračovat, ale místo toho může vykonávat instrukce z druhého vlákna. Přepínání procesoru mezi vlákny (ukládání hodnot stavových registrů atd... ) je zde řešeno hardwarově a je tedy velice rychlé. 3.3 Zřetězení Zřetězení v procesoru Intel Atom dosahuje 16-ti úrovní. To je více než u většiny současných procesorů, například Core 2 Duo má 14 úrovní zřetězení. Zretězení v procesoru INtel Atom má větší hloubku z těchto důvodů: pomalejší přístup do paměti cache - pamět cache v atomu má relativně velkou latenci delší dekódování instrukcí použití technologie Hyper Threading si vyžádalo jednu úroveň zřetězení navíc Použití větší hloubky zřetězení umožnilo také použití větších taktovacích frekvencí. Protože jde o jednoduchý procesor, který vydává jen dvě instrukce v jednom taktu, bylo k dosažení potřebného výkonu třeba zvýšit právě taktovací frekvenci. 3.4 Atom a CISC instrukce Od dob Pentia Pro, tedy od první poloviny devadesátých let, se v procesorech firmy Intel CISC instrukce dekódovaly na menší a jednodušší instrukce, takzvané mikroinstrukce. Tyto se pak prováděly na RISC jádru v procesoru. S příchodem procesoru Intel Pentium M Intel začal některé mikroinstrukce spojovat do komplexnějších instrukcí, které jsou v procesoru zpracovávány atomicky. Tento přístup zvyšuje výkon procesoru tím, že procesor se jeví, jako by zpracovával více mikroinstrukcí najednou. V jádru šlo však stále o procesor typu RISC. V procesoru Intel Atom dokonce některé CISC instrukce nejsou dekódovány do mikroinstrukcí a procházejí procesorem jako jedna jediná instrukce. Jedná se hlavně o instrukce typu nahraj data z paměti - proved operaci, tedy instrukce, jejichž jednu nebo více částí tvoří operace s pamětí. Tento přístup je efektivní zvláště u Atomu, protože jde o proudový procesor. Pro Atom by totiž bylo zbytečné, kdyby měl ve frontě velké množství, byt jednoduchých, instrukcí, když stejně není schopen měnit jejich pořadí pro efektivnější zpracování. Spíše je výhodné, aby instrukcí bylo méně, třeba i složitějších. Na druhou stranu, pokud se zmýlí jednotka pro predikci skoků, bude to o něco horší. 4
Obrázek 3: Jednotlivé stupně zřetězení 3.5 Stavy napájení Intel Atom má šest stavů napájení, firma Intel je označuje jako C1 - C6. Jednotlivé stavy jsou rozlišeny na obrázku 4. Při nejúspornějším stavu, stavu C6, je vypnut hodinový signál, paměti cache jsou prázdné a prakticky celý procesor je odpojen od napájení, s vyjímkou malé paměti SRAM, která uchovává hodnoty stavových registrů procesoru a další hodnoty nezbytné pro obnovení činnosti. Probuzení procesoru ze stavu C6 trvá přibližně 100µs 5
Obrázek 4: Jednotlivé stavy napájení 6