64-разрядные процессоры

Философская ремарка

Время жизни микропроцессорной архитектуры современного настольного ПК — четыре, может быть, пять лет. Начав путь в качестве нового, инновационного решения, та или иная платформа успевает за это время сначала занять место в категории «высокопроизводительных», затем — mainstream-решений, со временем перейти в low-end и в конце концов войти в историю, уступив дорогу очередным, более современным разработкам. Разумеется, на протяжении этих нескольких лет архитектура развивается — увеличивается частота центрального процессора, пропускная способность шин, вводится поддержка дополнительных инструкций, периферийных стандартов. Все это позволяет продлить жизнь платформы, однако рано или поздно наступает момент, когда необходимо делать качественный переход на новые технологии. Так было и так будет — достаточно вспомнить недавнее прошлое, чтобы убедиться в этом самому.

Intel: от Pentium к Pentium 4 Extreme Edition

Вспомним — процессор Intel Pentium был выпущен в 1993 году, а уже в 1997 году его сменил Pentium II. За это время была вчетверо увеличена тактовая частота процессора, Pentium получил поддержку мультимедийных инструкций MMX, выросла пропускная способность системной шины. Платформа эволюционировала, однако в 1997 году, через 4 года после выпуска процессора Pentium, корпорация Intel совершила качественный переход на Pentium II, предварительно опробовав концепцию его архитектуры в серверном процессоре Pentium Pro. Прошло еще около 4 лет, и в 2000 году на смену Pentium II — Pentium III пришел новый процессор с новой микроархитектурой — Pentium 4, на основе которой сегодня выпускается практически полный спектр решений, начиная от low end-систем на Celeron и заканчивая многопроцессорными серверами на Xeon.

Хотя с момента анонса Pentium 4 минуло уже 3 года, архитектура Intel Pentium 4 еще отнюдь не исчерпала себя. Процессоры Pentium 4, что называется, на ходу, и Intel собирается и в дальнейшем агрессивно увеличивать их частоты. После внедрения технологических норм 90 нм компания планирует перевести настольные процессоры на новое ядро под кодовым названием Prescott, которое будет обладать увеличенным вдвое кэшем второго уровня и новыми мультимедийными инструкциями.

Появление первых Prescott’ов — дело ближайших нескольких месяцев. А пока Intel представила новый процессор Pentium 4 Extreme Edition 3.2 ГГц, ориентированный на экстремальных геймеров и энтузиастов. Intel Pentium 4 Extreme Edition, в отличие от обычной, не экстремальной версии, содержит дополнительные 2 Мб кэш-памяти третьего уровня. Глядя на характеристики этого процессора, внимательный читатель, конечно же, заметит, что Pentium 4 Extreme Edition поразительно похож на серверный Xeon… и, в общем-то, будет прав.

Немаловажно, что Pentium 4 Extreme Edition выпускается в формате Socket 478 и может быть использован в системных платах на основе чипсетов i865xx и i875P, поддерживающих системную шину 800 МГц Quad Pumped Bus. Таким образом, сохраняется совместимость с имеющимися материнскими платами и системами охлаждения. В большинстве случаев пользователь, которому необходима максимальная производительности на Intel’овской платформе, сможет попросту вынуть свой Pentium 4 и заменить его Pentium 4 Extreme Edition, обновив по ходу дела BIOS.

Pentium 4 Extreme Edition выпускается с использованием норм 0.13-мкм технологического процесса. Внешне он выглядит точно так же, как и любой другой Pentium 4, выполненный в формате Socket 478. Об его «экстремальности» свидетельствует лишь маркировка.

Таким образом, осенью 2003 года Intel представила совместимый с имеющейся инфраструктурой процессор, который задает верхнюю планку всей линейки настольных процессоров Intel. Применение же помещенной непосредственно на ядро трехуровневой системы кэш-памяти (встречавшейся до сих пор исключительно в серверных процессорах) привлекает к новинке особое внимание, давая основания ожидать значительного увеличения производительности в ряде приложений.

AMD: от Athlon к Athlon 64

Анализируя новейшую историю развития технологий AMD, можно без труда заметить похожие тенденции, с той лишь особенностью, что AMD именно сейчас совершает переход на новый технологический уровень, в то время как Intel развивает существующую платформу.

Долгое время эксплуатируя архитектуру K6, AMD к 1999 году выжала из нее «все соки», анонсировав в итоге принципиально новую архитектуру — K7, на основе которой и были созданы процессоры Athlon и Duron. В течение 4 лет, вплоть до сегодняшнего дня, платформа K7 неоднократно модернизировалась — рост тактовой частоты процессора сопровождался принципиальными изменениями устройства его кэш-памяти, увеличением частоты системной шины, внедрением поддержки памяти DDR. Однако к настоящему моменту и платформа K7 близка к закату — вряд ли AMD могла бы и в дальнейшем эффективно развивать ее, предлагая новые, конкурентоспособные продукты.

Конечно же, все подобные рассуждения о жизненном цикле платформ, если и являются для кого-то откровением, то явно не для инженеров компании, которая специализируется на разработке микропроцессоров. В AMD, безусловно, готовились к тому, что рано или поздно платформа K7 себя исчерпает. Достаточно сказать, что сведения о том, что инженеры этой компании ведут разработку архитектуры следующего поколения (K8), появились еще до выхода первых процессоров семейства K7. И пусть с некоторым опозданием, но AMD наконец объявила о начале поставок новых 64-разрядных процессоров Athlon 64, предназначенных для использования в настольных и мобильных ПК.

64-разрядное семейство K8

Впрочем, первыми процессорами AMD, основанными на 64-разрядной архитектуре, стали чипы под названием Opteron, официально анонсированные 22 апреля 2003 года, в день рождения вождя мирового пролетариата. AMD Opteron, ориентированные на применение в серверах и рабочих станциях, стали первыми 64-разрядными процессорами, способными выполнять не только инструкции AMD64, но и традиционные 32-разрядные инструкции x86, без использования каких бы то ни было специальных режимов эмуляции. Именно сохранение обратной совместимости, позволяющей говорить о возможности плавного перехода с 32- на 64-разрядное программное обеспечение, и является главным, но не единственным достоинством всех процессоров семейства K8.

У AMD было полгода, отделявшие выпуск серверных Opteron от официального анонса процессоров Athlon 64/Athlon FX, ориентированных на настольные ПК и ноутбуки. За это время компания провела своеобразную откатку технологий, усилив и углубив работу со сторонними разработчиками аппаратного программного обеспечения, наладив производственный процесс, и добилась приемлемо высоких тактовых частот. За это время AMD удалось не только окончательно уверить партнеров в серьезности собственных намерений, но и внушить компьютерной индустрии, что технология AMD64, предусматривающая выполнение как 64-, так и 32-разрядных приложений, не мираж, а вполне рациональная основа для построения различного рода систем.

Архитектура Athlon 64/Athlon FX

AMD говорит об Athlon 64 как о представителях нового поколения микропроцессоров. И, следует признать, имеет на то все основания. Действительно, по сравнению с Athlon XP, новые процессоры обладают целым рядом качественных нововведений.

Процессоры семейства Athlon 64 поддерживают новый набор 64-разрядных инструкций AMD64, наряду с 32-разрядными инструкциями x86. Это позволяет Athlon 64/Athlon 64 FX выполнять и современные 32-битные, и новые 64-битные приложения, на появление которых в ближайшем будущем так рассчитывает AMD.

Контроллер памяти DDR 400 интегрирован непосредственно в ядро процессора. До сих пор на настольных платформах и AMD, и Intel применяли схему, которая предусматривала размещение контроллера памяти в микросхеме северного моста чипсета. AMD перенесла контроллер на ядро, стараясь увеличить скорость обмена данными между процессором и системной памятью. Процессор Athlon 64 FX обладает двухканальным контроллером, в то время как «обычный» Athlon 64 — одноканальным.

Увеличение кэш-памяти второго уровня до 1 Мб дает возможность Athlon 64 и Athlon 64 FX демонстрировать большую производительность в широком круге приложений, в том числе архиваторах, играх, офисных пакетах. Эксклюзивная же структура кэш-памяти, примененная AMD впервые еще в процессорах Athlon/Duron, позволяет хранить лишь одну копию данных в кэшах первого и второго уровней, что увеличивает общий эффективный объем кэш-памяти до 1152 Кб.

Для связи с другими системными компонентами и, в первую очередь, с микросхемами набора системной логики, ответственными за работу с AGP и другими устройствами, применена универсальная шина HyperTransport. Контроллер HyperTransport интегрирован на ядро процессора. Следует отметить, что HyperTransport — универсальная шина, разработанная консорциумом, в который, помимо AMD, входят такие компании, как nVidia, Cisco, Sun, Apple. Подобная универсализация позволяет говорить о широкой поддержке HyperTransport всей компьютерной индустрией.

Поддержка SIMD-инструкций SSE2 — это, на первый взгляд, косметическое улучшение, может принести немалую пользу. Сегодня стараниями Intel большое число приложений поддерживают и активно используют данный набор инструкций. В этой связи способность Athlon 64 работать с SSE2 можно только приветствовать.

Также AMD пошла на увеличение длины вычислительного конвейера с 10 до 12 стадий, надеясь тем самым получить больше возможностей для наращивания тактовой частоты. Негативные явления, связанные с этим шагом, будут проявляться в тех случаях, когда блок предсказаний ветвлений неправильно определит ветку, по которой пойдет выполнение приложения. Однако AMD пытается нивелировать этот эффект за счет увеличения буфера цепочек команд, который используется для предсказания ветвлений и улучшения самого алгоритма предсказаний. Компания заявляет, что точность предсказания ветвлений процессорами K8 составляет 90–95%. Нам же остается верить приведенным оценкам.

В рамках данного материала мы не видим необходимости в проведении более детального анализа особенностей микроархитектуры K8. Однако позволим порекомендовать наиболее дотошным читателям ознакомиться с высшей степени подробным материалом, посвященным ядру K8, который опубликован на российском сайте iXBT (http://www.ixbt.com/cpu/amd-hammer-family.shtml).

Athlon 64 3200+ и Athlon FX-51

23 сентября 2003 года компания AMD представила два новых процессора — Athlon 64 3200+ и Athlon FX-51. На наш взгляд, дополнительных пояснений требует вопрос об отличиях этих моделей.

Athlon 64 оборудован одноканальным контроллером памяти DDR, а Athlon FX — двухканальным.

Athlon 64 работает с распространенной и довольно дешевой unbuffered-памятью, в то время как Athlon FX использует более дорогую «регистровую» (registered) память.

Athlon 64 выпускается в формате Socket 754, Athlon FX — Socket 940.

Остальные характеристики Athlon 64 и Athlon FX идентичны. Приведем итоговую таблицу. Если внимательно присмотреться к характеристиками Athlon FX, становится понятно, что этот процессор — не что иное, как «переименованный» Opteron 1хх. Разумеется, официально AMD считает Athlon FX и Opteron 1xx разными процессорами, однако на самом деле это лишь маркетинг. AMD, если так можно выразиться, «адаптировала» свой серверный процессор для использования в настольных системах, позиционируя его в качестве решения для экстремальных геймеров и продвинутых пользователей, которым нужна максимальная производительность. Ну а основной массе пользователей предлагается Athlon 64, считающийся mainstream-решением.

Наборы системной логики и платформы для Athlon 64/Athlon 64 FX

Теперь что касается системной логики для новых процессоров. Четыре основных производителя анонсировали свои чипсеты для новых платформ AMD — NVIDIA, VIA, SIS и Ali.

Довольно широкий ассортимент NVIDIA представлен целым рядом наборов логики. Так как новые процессоры AMD имеют встроенный контроллер памяти, компания решила совместить так называемые северный и южный мосты в одном чипе. На данный момент в наличии имеются следующие наборы:

nForce 3 250Gb представляет собой наиболее мощное и функциональное решение. Обеспечивается поддержка процессоров Socket 940 и Socket 754, интерфейса Serial ATA, RAID и Gigabit Ethernet;

nForce 3 250 лишен поддержки Socket 940, поэтому он может работать только с процессорами Athlon 64, обладающими одноканальным контроллером памяти. Также отсутствует Gigabit Ethernet;

nForce 3 Pro 150 может работать с процессорами обоих типов, но в нем нет поддержки интерфейса Serial ATA и RAID-контроллера (необходимо использовать внешние решения). Данный набор имеет ограниченную скорость передачи данных между чипсетом и процессором (шина Hyper Transport функционирует на частоте 600 МГц);

nForce 3 150 — наиболее облегченный чипсет для настольных систем. Лишен поддержки Socket 940. Шина Hyper Transport также функционирует на частоте 600 МГц;

nForce 3 Go 150 — это решение для мобильных систем. Наибольшим отличием от настольного nForce 3 150 является присутствие технологии энергосбережения PowerNow!;

nForce 3 Go 120 представляет собой решение для ультрапортативных компьютеров.

Ближе к концу года компания планирует анонсировать чипсет nForce 3 Pro 250, который будет поддерживать двухпроцессорные конфигурации, что автоматически определяет его сферу применения — область серверов начального уровня на базе процессоров Opteron.

В арсенале компании VIA пока только один чипсет для платформы К8 — К8Т800. VIA не стала делать облегченные варианты. Чипсет поддерживает работу с процессорами Socket 940 и Socket 754 и состоит из двух чипов. В качестве южного моста используется VT8237 (поддержка интерфейса Serial ATA, RAID). Процессор связан с северным мостом шиной Hyper Threading (800 МГц). Северный и южный мосты «общаются» между собой по шине 8Х V-Link (533 Мб/с).

Компания SIS представила чипсет SIS755, серийное производство которого уже налажено. Данное решение представляет собой двухчиповый вариант логики. Южный мост (SIS 964) обеспечивает поддержку 2 портов Serial ATA с возможностью организации RAID-массива. Мосты между собой связаны шиной MuTIOL 1G (пропускная способность 1 Гб/с). Очевидно, что основным потребителем данного продукта станет компания ECS, которая традиционно поглощает львиную часть чипсетов, выпускаемых SIS на своих ограниченных производственных мощностях.

Помимо дискретного чипсета, SIS анонсировала вариант с интегрированным видео — SIS 760. Применено видеоядро Ultra 256 (поддержка DirectX 8.1). Бюджетные офисные машинки на Athlon 64 мы еще довольно долгое время не увидим, поэтому данное решение сделано, скорее, на перспективу.

Примечательно, что находившаяся некоторое время в «летаргическом сне» (по крайней мере, на рынке системной логики) компания ALi также представила свое решение для процессоров семейства К8 — M1687. Одним из его основных недостатков является не очень большая функциональность южного моста. А в целом вполне достойное решение. Вот только неизвестно, как скоро в этом можно будет убедиться воочию. Объемы их производства малы.

Безусловно, тема системной логики заслуживает много большего внимания, поэтому более детальный анализ еще будет проведен в дальнейшем.

Тестовые конфигурации

Платформа на Athlon 64 FX-51 была представлена референсной системой ( рис. 1 ), имевшей следующую конфигурацию.

Процессор: AMD Athlon 64 FX-51

Системная плата: ASUS SK8N на чипсете nForce 3 Pro 150

Память: 1 Гб ECC (2х512 Мб) DDR400 Legacy Electronics, CL=2.5

Графический адаптер: Leadtek WinFast A350 Ultra TDH (FX 5900 Ultra) 256 Мб

Дисковая система: 2 HDD Western Digital WD360 36 Гб 10000 об/мин SATA (Raptor) и WD400 40 Гб (7200 об/мин)

Накопители: Sony DW-U1DA (DVDRW), Sony DDU1612 16X (DVD-ROM), Sony MPF920-Z (1.44 FDD)

Все это было аккуратно упаковано в очень стильный алюминиевый корпус CoolerMaster TAC-T01 с БП Antec 430 Вт.

Платформа BRAVO64 ( рис. 2 ) на процессоре Athlon 64 3200+ имела следующую конфигурацию.

Процессор: AMD Athlon 64 3200+

Системная плата: AOpen AK86-L (чипсет VIA K8T800)

Память: 1 Гб DDR400 Sansung, CL=2.5

Графический адаптер: AOpen FX5900 128 Мб

Дисковая система: 2 HDD Maxtor MAXLine SATA 80 Гб (7200 об/мин), объединенные в RAID-массив уровня 0

Накопители: AOpen DVD+RW DVRW-4410, 1.44 FDD.

Комплектующие были собраны в корпусе AOpen H500B

Платформа на базе процессора Athlon XP 3200+ имела следующую конфигурацию.

Процессор: AMD Athlon XP 3200+

Системная плата: Soltek SL-75FRN2-L (чипсет nForce 2 Ultra 400)

Память: 1 Гб DDR400 Sansung, CL=2.5

Графический адаптер: Sapphire Radeon 9800 Pro

Дисковая система: Western Digital WD400 40 Гб (7200 об/мин, 8 Мб).

Платформа на базе процессоров Intel имела следующую конфигурацию.

Процессоры: Intel Pentium 4 3.2 ГГц, Intel Pentium 4 3.2 ГГц Extreme Edtion

Системная плата: Intel D875PBZ на чипсете i875P

Память: 1 Гб DDR400 Hynix, CL=2.5

Графический адаптер: Sapphire Radeon 9800 Pro

Дисковая система: 2 HDD Western Digital WD2000 (200 Гб), объединенные в RAID-массив уровня 0.

Чтобы поставить все платформы в относительно равные условия, во время тестирования на всех системах использовался жесткий диск Western Digital WD400 40 Гб (7200 об/мин, 8 Мб) и видеокарта Sapphire Radeon 9800 Pro. В роли операционной системы выступала Windows XP Profession SP1, драйверы видеокарты ATI Catalyst 3.8, а также последние версии драйверов для соответствующих наборов логики.