Historie a vývoj Intel Atom Pokročilé architektury počítačů Vypracoval: Bc. Jan Pinďák pin075
Úvod Za posledních 20 let výkon procesorů neuvěřitelně vzrostl. To co by počátkem 90. let 20. století nemožné, je dnes již realitou. A byla to právě vzrůstající náročnost aplikací a herního průmyslu, která tlačila na výrobce procesorů. Dnes je již běžné, mít v počítači 2-4 jádrových procesor, s frekvencí sahající k 3GHz. Jenomže se vzrůstajícím výkonem roste také spotřeba a ta se, díky mobilním zařízením, u kterých je výdrž baterie priorita, stala novým důležitým parametrem při vývoji procesorů. Jedním z takových procesorů je i Intel Atom, který sice nedobyl trh na poli výkonných procesorů, ale získal uznání z pohledu spotřeby a tak se hojně využívá v mobilních zařízeních. A právě o tomto procesoru je má práce. Zaměřil jsem se na historii, architekturu a budoucnost tohoto procesoru.
Intel Atom Intel Atom je název značky pro řadu ultra-nízko-napěťových x86 a x86-64 procesorů (resp. mikroprocesorů) od společnosti Intel, které jsou navrhnuty na 45 nm technologii CMOS a jsou používané hlavně v Netboocích, Nettopech a MID zařízeních. Atom Z série je uváděn pod kódovým jménem Silverthorne a Atom N série pod kódovým jménem Diamondville. Od června 2009, to jsou nejpoužívanější čipy dodávané do Netbooků na maloobchodním trhu. Historie Před oznámením Silverthorne, vnější zdroje spekulovali, že Atom by mohl konkurovat systémům od AMD Geode (system-on-a-chip). Tedy procesorům, které jsou používány například u projektu One Laptop per Child (americká nezisková organizace, která se snaží o rozšíření vzdělání i mezi nejchudší děti myšlenka, že každé dítě bude mít k dispozici nenákladný notebook) a i dalším cenově a výkonově citlivým aplikacím pro x86 procesory. Nicméně, Intel uvedl 15. října 2007, že byl vytvořen jiný nový mobilní procesor s kódovým označením Diamondville, pro OLPC-typy zařízení. "Atom" byl název, pod kterým měl být Silverthorne prodáván, zatímco podporovaný chipset s dřívějším kódovým označením Menlow byl nazván Centrino Atom. Intel Atom v původní tiskové zprávě pouze stručně komentoval "Diamondville" a naznačil, že by mohl být také nazván " Atom ". Tento fakt zesiloval spekulace, že Diamondville je jednoduše levnější verze Silverthoru s mírně vyšší spotřebou TDP a mírně nižší hodinovou rychlostí. Na jarním Intel Developer Forum (IDF) 2008 v Šanghaji, Intel oficiálně oznámil, že Silverthorne a Diamondville jsou založeny na stejné mikroarchitektuře. Silverthorne byl nazván Atom Z řady a Diamondville nazván Atom N řady. Nákladnější úsporné části Silverthornu se začali používat v Intel Mobile Internet Devices (MID), naproti tomu, Diamondville byl použit v levnějších desktopech a noteboocích. Bylo rovněž uvedeno několik vzorů Mini-ITX základních desek. Intel a Lenovo společně také oznámili Atomem poháněný MID s názvem IdeaPad U8. Použitelnost Procesory Atom jsou dostupné výrobcům systémů od roku 2008. Protože jsou realizovány, jako Northbridge a Southbridge, přímo na desku, Atom procesory nejsou k dispozici pro domácí uživatele nebo tvůrce systémů jako samostatné procesory, i když je možné je získat osazené na některých základních deskách ITX. Diamondville Atom je používán v HP Mini Series, aigo MID Asus N10, Lenovo IdeaPad S10, Acer Aspire One & Packard Bell "dot" (ZG5), poslední ASUS Eee PC systémech, Amtek Elego, Dell Inspiron Mini Series, Gigabyte M912, LG řady X, Samsung NC10, Sylvania g Netbook Meso, Toshiba NB řady (100, 200, 205), MSI Wind PC netbooky, RedFox Wizbook 1020i, Zenith Z-Book, řada počítačů Aleutia a Archos 10.
Architektura Procesory Intel Atom zpracovávají instrukce IN-ORDER (v pořadí) postupně jednu za druhou a není schopen měnit jejich pořadí. Tento způsob byl naposled využit u prvních procesorů Intel Pentium. Novější Pentia již využívali zpracování OUT-ORDER (mimo pořadí), které dovoluje měnit pořadí zpracovávaných instrukcí, například při výpadku paměti cache nebo při datových závislostech mezi instrukcemi. Důvodem proč konstruktéři Atomu sáhli právě po tomto způsobu zpracování instrukcí, je fakt, že způsob OUT-ORDER, je mnohem složitější a náročnější. Procesory Atom jsou tím pádem konstrukčně jednodušší a také spotřeba je díky tomu daleko nižší. Jen pro srovnání: Procesor Atom má pouhých 47 miliónu tranzistorů, přičemž procesory řady Core 2 Duo mají přibližně 270 miliónu. Atom vychází z návrhu Core architektury, ale je přizpůsobený pro co nejmenší spotřebu, díky které padlo za oběť druhé jádro a některé instrukční sady např. SSE 4.1. K dispozici jsou tyto instrukční sady: MMX, SSE, SSE2, SSE3 aj SSSE3. Některé modely umí virtualizaci a XD bit. Díky 45 nm výrobnímu procesu a technologii Enhanced Intel Speed Step (EIST - dynamická změna taktu procesoru) nepřesáhne spotřeba 2 W, výrobní technologie dimenzuje TDP na výkon 4W. Obrázek 1 - Procesor Intel Atom Hyper Threading Zpracování instrukcí IN-ORDER sebou nese několik nedostatků, které byly zmíněny výše. Jedná se například o datové závislosti mezi instrukcemi. Proto není často možné provádět dvě instrukce ze stejného vlákna současně. Proto Atom obsahuje technologií Hyper Threading, která umožňuje procesoru zpracovávat současně instrukce ze dvou vláken. Každé vlákno má svou vlastní frontu instrukcí se šestnácti záznamy. 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. Safe Instruction Recognition Jedním z největších nedostatků zpracování instrukcí IN-ORDER (v pořadí), je čekání na vykonání instrukcí v pohyblivé čárce s vysokou latencí. Tento problém se pokouší řešit technologie Safe Instruction Recognition (SIR). Pokud Atom vykonává instrukci v pohyblivé čárce s dlouhou latencí následovanou instrukcí v pevné čárce s krátkou latencí, obyčejně vykonávání dalších instrukcí pozastaví po dobu vykonání první instrukce. SIR algoritmus kontroluje datovou závislost dvou následujících instrukcí (např. C = A + B následované D = C + F). Pokud se mezi těmito instrukcemi nenachází datová závislost, Atom umožní zpracování mladší instrukce s kratší latencí před delší instrukcí v pohyblivé čárce. Série Atom Z 2. března 2008 Intel představil nové jedno-jádrové procesory (Silverthorne) využívané v ultramobilních zařízeních. Procesor obsahuje 47 milionů tranzistorů na ploše 25mm 2. Atom procesory Z500 výkonem odpovídá jeho předchůdci procesoru Intel A110, ale měl by jej výkonově překonat v běhu aplikací, které mohou využít i SSE3 simultánní multithreading. Běží na frekvencích od 0,8 do 2,0 GHz a jejich TDP se pohybuje od 0,65 do 2,4W, přičemž může spotřeba spadnout až na 0,01W při nečinnosti. Je vybaven 16 stupňovou piperine s 32 KB cache pamětí pro instrukce L1 a 24 KB pro data, jednotkami pro zpracování celých čísel a čísel s pohyblivou čárkou. Série Atom N Kódové označení Diamondville. Je využíván v Netboocích, kde se nejčastěji využívá levná Mini-ITX základní deska (Little Falls). Typ N270 má spotřebu 2,5 W a je využíván v netboocích, typ N230 má spotřebu 4W a je určen pro nettopy. Všechny běží na frekvenci 1,6 GHz a rychlost FSB je 533 MHz. Typ N280 má frekvenci o něco vyšší, tedy 1,66 GHz. Série Atom 300 Představen 22. září 2008. Jedná se o dvou-jádrový procesor. Typ 330 byl použit i v desktopech. Běží na frekvenci 1,6 GHz a frekvence FSB je 533 MHz. Procesor má spotřebu 8 W. Procesory této řady podporují i 64 bitové instrukce. V průběhu roku 2009, Nvidia použila Atom 300 a jejich grafickou kartu GeForce 9400M na mini-itx desce pro jejich platformu Ion.
Porovnání procesorů řady Z a N. Srovnání výkonu bylo provedeno v programu Super Pi a bylo provedeno hned několik testů. Z testu vyšel o něco lépe procesor Z530, který dosahuje o minimálně čtvrtinu lepší výkon než N270. Obrázek 2 - srovnání Z530 vs. N270 Přehled všech procesorů Intel Atom, které v současnosti Intel nabízí. Obrázek 3 - přehled procesorů Atom
Výkon Zde je vidět srovnání procesoru Intel Atom (N270) s procesory Core 2 Duo. Z grafu je patrné, že procesor ani zdaleka nedosahuje výkonu dvou-jádrových procesorů. Budoucnost Příští generace procesorů Atom ponese kódové označení "Pineview", která využívá architektura "Lincroft" (system-on-chip) a je používán v "Pine Trail" platformě. Plánované uvedení bude 21. prosince 2009 a k dispozici bude 4. ledna. Bude se využívat v netbook / nettop systémech a bude se jednat o architekturu system-on-chip (SOC) s integrovanou jedno-kanálovou DDR2 pamětí a integrovaným grafickým jádrem. Bude poskytovat hyper-threading, a bude vyrobeno na 45 nm, nebo 32 nm výrobního procesu. Nová architektura system-on-chip bude využívat polovičního výkonu oproti starší platformě Menlow. Snížení celkové spotřeby energie a velikosti předurčuje platformu k využití více pro smartphony a další mobilní internetové zařízení (notebook, nettop). Intel CEO Paul Otellini uvedl, že spolu s dalším novinkami, Atom (konkrétně Silverthorne) sníží jeho výrobní proces na 32 nm v roce 2010. To by znamenalo, že Atom bude první čip od Intelu, který by přešel na výrobní proces 32 nm. Platforma příští generace pro netbooky, kterou označuje Intel Atom jako Pine Trail, využívá procesor Atom s kódovým označením "Pineview" a chipset s kódovým označením "Tiger Point". Grafická karta a řadič paměti se přesunou do procesoru, který bude spárován s čipsetem Tiger Point.