06-07-2009

Procesory Intela produkowane w 32-nanometrowym procesie technologicznym

Czas 32 nanometrów

Pod koniec tego roku pojawią się w sklepach pierwsze 32-nanometrowe procesory Intela o kodowej nazwie Westmere. Mają one docelowo zastąpić wszystkie obecnie wytwarzane 45-nanometrowe modele układów tego producenta. Spróbujmy zatem odpowiedzieć na pytanie, czy szykuje się nam kolejna procesorowa rewolucja, czy też może nadchodzące zmiany są zmianami ewolucyjnymi.
 
Nieco więcej o układach Westmere usłyszeliśmy na początku lutego, kiedy to Intel po raz pierwszy oficjalnie zaprezentował działające próbki procesorów wytworzonych w nowej, 32-nanometrowej technologii produkcji.

Źródło: Intel

Na zdjęciu prezentowany jest jeden z pierwszych 32-nanometrowych procesorów Westmere. Na jednej procesorowej płytce drukowanej znajdą się dwa krzemowe układy. Pierwszy z nich to wielordzeniowe jądro procesora, drugi to moduł karty graficznej, kontrolera pamięci i zintegrowane z nimi elementy mostka północnego.

Koncepcja dwuukładowego procesora Westmere - Źródło: Intel

Intel na przygotowania do produkcji procesorów w nowej 32-nanometrowej technologii zamierza wydać ogromne pieniądze, nie licząc się praktycznie z panującym na świecie kryzysem. Wydane kwoty na inwestycje technologiczne należą bowiem do jednych z największych w dotychczasowej historii Intela. Jak ujawnił prezes i dyrektor generalny Intela Paul Otellini, aby przygotować zakłady półprzewodnikowe w samych tylko Stanach Zjednoczonych do przejścia na 32-nanometrową technologię produkcji układów scalonych w latach 2009-2010, Intel zainwestuje około 7 mld dolarów. Pod koniec tego okresu kwota ta może zostać zwiększona o kolejny miliard dolarów.

Źródło: Intel

Do produkcji w 32-nanometrowym procesie technologicznym, oprócz działającej już oregońskiej fabryki D1D mają zostać przygotowane trzy kolejne zakłady znajdujące się w Oregonie, Nowym Meksyku i Arizonie.

Te olbrzymie, nawet jak na warunki przemysłu półprzewodnikowego, inwestycje związane są przede wszystkim z wymianą sprzętu wykorzystywanego do litografii. Niełatwe jest też odpowiednie dostrojenie linii produkcyjnych do tej nowej, bardzo wymagającej technologii. Podczas wdrażania w oregońskiej fabryce D1D technologii 32-nanometrowej, inżynierowie z Intela po raz pierwszy zdecydowali się zastosować litografię immersyjną do wytwarzania kluczowych elementów procesora. Jak trudna jest to technologia może świadczyć fakt, że w konkurencyjnej, drezdeńskiej fabryce AMD, zdecydowano się ją wdrożyć już przy procesie 45 nm, ale, jak pamiętamy, opóźnienia z nią związane były znaczne i dopiero niedawno firmie AMD udało się rozpocząć masową produkcje układów w tej technologii.
 
Co ciekawe, na potrzeby nowych, 32-nanometrowych układów Westmere inżynierowie z Intela opracowali drugą, znacznie szybszą generacja tranzystorów CMOS o wysokiej stałej dielektrycznej wykorzystujących metalową bramkę. Zgodnie z obowiązującymi na świecie ekologicznymi trendami, obudowy nowych układów Westmere pozbawione mają być też ołowiu i produkowane będą bez wykorzystywania halogenków metali.

Westmere od środka
 
Procesory Westmere to tak naprawdę, patrząc tylko i wyłącznie na samą architekturę wewnętrzną, przeniesione do wymiaru 32 nm, 45-nanometrowe układy Nehalem, obecne na rynku od listopada zeszłego roku pod handlową nazwą Intel Core i7 (nazwa kodowa Nehalem – patrz: „Architektura procesorów: Intel Core i7”). Dla przypomnienia, obecne na rynku układy Core i7, są to układy z Nehalemowej podrodziny o kodowej nazwie Bloomfield. Należą do niej procesory Core i7 z serii 900, czyli Core i7 920, 940, 950 oraz Core i7 Extreme Edition 965 i 975. Według założeń producenta, układy Core i7 montowane w podstawce LGA1366 przeznaczone są przede wszystkim dla najmocniejszych komputerów biurkowych i jednoprocesorowych stacji roboczych. Te układy wyposażone są w 8 MB pamięci cache L3 typu Smart Cache oraz obsługują w sposób trzykanałowy pamięć DDR3 (maksymalnie 24 GB pamięci RAM). Kości z tej serii mają fizycznie po cztery rdzenie, z których każdy obsługuje technologię współbieżnej wielowątkowości HyperThreading – tyle w skrócie.

Wróćmy jednak do budowy nowych układów Westmere. Przyglądając się bliżej ich architekturze widać, że została ona, co prawda nieznacznie, ale zmodyfikowana – i nie chodzi tu wyłącznie o zmiany związane z optymalizacją dotychczasowych bloków wykonawczych, zmniejszeniem zużycia energii oraz poprawą szybkości działania, tak jak się to czyni przy każdym kolejnym steppingu i zmianie technologii wytwarzania. Podstawową różnicą dotyczącą rdzenia jest bowiem wprowadzenie w układach Westmere siedmiu nowych instrukcji związanych z przyspieszeniem działania algorytmów szyfrujących i odszyfrowujących dane. Jedna zwiększa szybkość mnożenia 64-bitowych liczb binarnych, w którym nie uwzględnia się przeniesień. Pozostałych sześć instrukcji to zaś specjalizowane rozkazy przyspieszające proces szyfrowania i deszyfrowania danych algorytmem AES (Advanced Encryption Standard).
 
Wszystkie nowe rozkazy są wektorowym rozszerzeniem zestawu instrukcji SSE4 o nazwie AVX (Advanced Vector Extensions), które Intel opracował 2008 roku. Pełna implementacja AVX obejmuje wprowadzenie 16. nowych 256-bitowych rejestrów (zamiast 128-bitowych), 19 rozkazów 256-bitowych, 12 czteroargumentowych instrukcji akumulujących wyniki mnożenia wektorów liczb zmiennoprzecinkowych, dodanie specjalizowanych sześciu instrukcji wspomagających szyfrowanie AES, możliwość wykonywania części rozkazów SSE (działających na wektorach liczb zmiennoprzecinkowych) na 256-bitowych rejestrach oraz rozszerzone kodowanie rozkazów, dzięki czemu można realizować rozkazy SSE w wariancie trzyargumentowym lub czteroargumentowym, z możliwością wskazania docelowego rejestru, a nie jak dotychczas dwuargumentowym z nadpisywaniem jednego argumentu.
 
Tych siedem nowych w Westmerze instrukcji jest jak gdyby forpocztą nadchodzących zmian, gdyż pełna implementacja sprzętowa opisywanego powyżej rozszerzenia AVX zapowiadana jest dopiero na 2010 rok. Wektorowe instrukcje AVX pojawią się dopiero, według obecnych planów Intela, w układach o kodowej nazwie Sandy Bridge. Procesory te zastąpią w przyszłości opisywane Westmere’y. Warto jednak, aby programiści zaczęli z nich korzystać jak najszybciej. Przykładem wykorzystania nowych zaimplementowanych w Westmerze rozszerzeń instrukcji SSE może być miedzy innymi możliwość pełnego, sprzętowego szyfrowania „w locie” zawartości całego dysku twardego, czy transmisji danych w sieciach P2P.

Procesorowe plany Intela na najbliższe lata. Źródło: Intel

Multu-Chip Module
 
Architektura Westmere’a, podobnie jak architektura Nehelema jest architekturą modułową. Pozwala ona na dodawanie i odejmowanie poszczególnych elementów funkcjonalnych układów w ramach dwóch grup core i uncore. Pierwsza obejmuje poszczególne rdzenie procesora oraz zintegrowane z nimi moduły pomocnicze. W sekcji uncore znajdują się pozostałe elementy funkcjonalne procesora, w tym kontroler pamięci i pamięć cache L3.

Modułowa koncepcja budowy procesorów. Źródło: Intel

W wypadku Westmere’a mocno przeprojektowali otoczenie układu. Dzięki temu można było fizycznie rozdzielić części core i uncore. Pierwsza z nich wykonana będzie w technologii 32 nm, pozostała cześć procesora będzie produkowana na oddzielnej płytce krzemowej w dotychczas wykorzystywanym procesie 45 nm. Całość, jako dwa niezależne elementy krzemowe montowane będą na jednej procesorowej płytce PCB – patrz: pierwsze dwa zdjęcia. Taki podwójny moduł procesora nosi nazwę obudowy MCM – Multi-Chip Module. Technologia MCM daje większą elastyczność w produkcji procesorów. Różne wersje rdzeni produkowanych w technologii 32 nm łatwo będzie łączyć z różnymi blokami uncore, np. te same jadra mogą być wykorzystane do produkcji zarówno procesorów z wbudowaną karta graficzną jak i bez niej. Bez trudu można też wykorzystać je do produkcji jednostek centralnych z różną pojemnością pamięci cache L3, jak i dwu jak i trójkanałowymi kontrolerami pamięci DDR3, a nawet, jeśli zajdzie taka potrzeba, DDR2.
 
Jak przewiduje Intel, procesory Westmere będą wyposażone w pamięć podręczną cache L3 o wielkości 4 MB. Jest to mniej niż w wypadku kości Nehelem, które wyposażone są w 8 MB pamięć cache L3. Pamięć ta, podobnie jak w poprzedniku korzysta z technologii Smart Cache, która pozwala procesorom na przechowywanie w niej danych w taki sposób, że każdy z rdzeni wielordzeniowego układu może wykorzystać dla siebie bez ograniczeń pełną pojemność pamięci L3 (podczas braku aktywności pozostałych rdzeni), bez konieczności przepisywania zawartości stron do dedykowanej pamięci cache L2. Teraz jednak technologia ta ma być znacznie bardziej wydajna. Ulepszono w niej przede wszystkim mechanizmy zarządzające spójnością danych oraz poprawiono algorytmy przewidywania, które odpowiedzialne są za pobieranie z wyprzedzeniem z pamięci RAM potrzebnych za chwilę rdzeniom procesora danych niezbędnych do dalszych obliczeń.
 
Intel podkreśla też lepszą implementację technologii Turbo Boost, znanej wcześniej pod nazwą Turbo Mode. Przypomnijmy, że jest to technika dynamiczne zarządzająca zasilaniem i zegarem taktującym Westmere’a. Za pomocą funkcji Turbo Boost procesor może się sam się przetaktować zachowując przy tym założoną przez projektantów wartość współczynnika TDP. Każdy z rdzeni może być bowiem niezależnie spowalniany lub wyłączany, a prędkość zegarów taktujących pozostałe rdzenie jest w tym czasie podniesiona o kilka do kilkunastu procent. Zabieg ten pozwala zwiększyć wydajność przetwarzanych na nich zadań, a cały procesor, dzięki zatrzymaniu lub spowolnieniu jednego lub kilku rdzeni zachowuje zaś bilans cieplny liczony jako całość dla krzemowego obwodu. W stosunku do Nehalema zwiększono liczbę stanów wyłączania i przetaktowywania rdzeni.
 
Grafika w rdzeniu procesora
 
Najistotniejszą nowością wprowadzoną w układach Westmere, w stosunku do Nehalema jest zintegrowanie w procesorze układu graficznego. Jak już wspomniałem znajdzie się on w 45-nanometrowym module uncore wraz z kontrolerem pamięci i graficznym kontrolerem szyny PCI Express, który umożliwi podłączenie zewnętrznej karty graficznej.

Dwuukładowe rozwiązanie chipsetów dla platformy Westmere. Źródło: Intel

Patrząc pod katem architektury systemowej, w rozwiązaniu platformy systemowej ze zintegrowaną grafiką, przeniesiony zatem został moduł graficzny z chipsetu płyty głównej wprost do układu procesora. Dzięki temu łatwiej będzie unowocześnić komputer biurowy zmieniając tylko samą jednostkę centralną przy okazji unowocześniając układ graficzny, jeśli w nowym modelu procesora znajdzie się nowszy akcelerator 3D.
 
O samym układzie graficznym wiadomo na razie tyle, że wywodzić się one będą wprost z obecnie wykorzystywanego w chipsecie Intela G45 modułu graficznych X4500HD. Jak można przeczytać w różnych nieoficjalnych źródłach (Intel ani nie potwierdza ani nie zaprzecza tym informacjom), akcelerator pod względem sprzętowym będzie zgodny z bibliotekami OpenGL 2.0 i Microsoft DirectX 10.1 oraz modelem cieniowania Shader Model 4.1. Nieoficjalnie mówi się też o obsłudze bibliotek DX 11 i OpenGL 3.0.
 
Możliwości generowania grafiki trójwymiarowej bez problemu powinny wystarczyć do tego, aby uruchomili się interfejs graficzny Windows 7. Powinno też dać się zagrać w większość starszych gier lub nowych tytułów, ale przy wyłączeniu części efektów i zmniejszeniu rozdzielczości ekranu. Konstruując nowy moduł graficzny inżynierowie Intela duży nacisk położyli na sprzętowe dekodowanie materiałów wysokiej rozdzielczości HD. Dekodowane mają być pliki wideo w formatach AVC, VC1 i MPEG-2/4.
 
Wersje układu
 
Według oficjalnych, dostępnych na dzień dzisiejszy informacji, na rynek trafią trzy serie 32-nanometrowych układów z rodziny Westmere. Będą to układy Gulftown, Clarkdale i Arrandale. W 2010 roku wejdą do sprzedaży bazujące na Gulftownie układy serwerowe.

Pierwsze zdjęcia układów Hevendale (45 nm) i Clarkdale (32 nm) z wbudowaną grafiką i współpracujące z podstawką LGA 1156.

Układy Gulftown przeznaczone są do budowy wydajnych desktopów i wydajnych, jednoprocesorowych stacji roboczych. Zastąpią one obecnie produkowane układy Core i7 z rodziny Bloomfield (architektura Nehalem) korzystające z podstawki LGA 1366. Układy Gulftown pozbawione będą zintegrowanego modułu grafiki i sprzedawane będą w wersji sześciordzeniowej.
 
Najbardziej interesujące są układy o kodowej nazwie Clarkdale. Są to dwurdzeniowe kości przeznaczone do typowych biurowo-domowych komputerów. Co ciekawe będą one przeznaczone do montażu w nowej podstawce LGA 1156 obsługującej procesory o handlowej nazwie Intel Core i5 i Core i3, o których to głośno już od jakiegoś czasu – o czym za chwilę. Pod tą podstawkę przygotowywany były do niedawna widoczny na zdjęciu powyżej jeszcze 45-nanometrowy (architektura Nehalem), zawierający również układ graficzny Havendale, z którego to procesora Intel ostatecznie zrezygnował, zastępując go od razu Clarkdale’m.

Procesory Intela w 2009 roku. Źródło: Intel

Podstawową architektoniczną różnicą, oprócz innej podstawki i mniejszej liczby rdzeni, miedzy Gulftownem a Clarkdale’m jest obecność w tym ostatnim modułu graficznego oraz dwu-, a nie trójkanałowego kontroler pamięci DDR3. Wszystkie układy Westmere korzystają, oczywiście z technologii HyperThreading, co podwaja widoczną w systemie operacyjnym liczbę rdzeni i jednocześnie przetwarzanych wątków. Ostatnią kością z rodziny Westmere jest mobilny, dwurdzeniowy Arrandale stanowiący część mobilnej platformy Calpella.

Roadmapa procesorów Intela. Źródło: Intel

Jeśli chodzi o procesory serwerowe, to będą one zgodne z obecnie wykorzystywaną architekturą Tylersburg-EP (Nehalem-EP). Umożliwi to łatwą, co jest bardzo istotne z punktu widzenia firm, nie wymagającą nakładów finansowych zmianę używanego serwera (wystarczy upgrade BIOS-u) migrację do nowej platformy. Dopiero w 2010 roku pojawi się nowa serwerowa platforma, dla najbardziej zaawansowanych maszyn – Boxboro-EX – korzystająca wciąż na szczęście ze złącza LGA 1366.

Roadmapa procesorów serwerowych Intela. Źródło: Intel

Porównanie procesorów o architekturze Nehalem i Westmere (źródło: Intel)

C – liczba rdzeni procesora
T – liczba obsługiwanych wątków programowych
iGFX – zintegrowany moduł graficzny

Z kolei chińska strona www.inpai.com.cn (http://www.inpai.com.cn/doc/hard/99368.htm) uściśliła kilka dni temu informacje dotyczące nowego nazewnictwa procesorów Intela. Według Inpai, platforma Core i3 będzie bazowała przede wszystkim na podstawce LGA 775. Gulftown otrzyma zaś nową nazwę Core i9. Szczegóły podane przez chiński serwis zobaczyć możecie w powyższej tabeli.

Nowe platformy,...
 
Wraz z nowymi procesorami, pod koniec roku zadebiutują też nowe chipsety, oznaczane w tej chwili przez Intela chipsetami z serii Intel 5, a do niedawna ukrywające się pod kodową nazwą Ibex Peak. Intel zamierza produkować układy z rodziny Ibex Peak w trzech wariantach dla procesorów ze zintegrowanymi modułami graficznymi. Są to odpowiednio układy oznaczone jako Q57, H57, H55 i będą współpracowały ze złączem LGA 1156. W sprzedaży znajdzie się również nowy układ z rodziny Ibex Peak, P57 i P55 ale przeznaczony, podobnie jak X58 do współpracy z podstawką LGA 1366.

Architektura chipsetu Ibex Peak (Intel 5). Źródło: Intel

Jak już wcześniej wspomniałem z chipsetu Ibex Peak znika jeden z układów, który pełni dotąd funkcję mostka północnego. Jego zadania przejmuje bowiem w całości moduł znajdujący się w sekcji uncore w procesorach Westmere.
 
...oznaczenia...
 
Wraz z pojawieniem się nowych chipsetów na rynku (już prawdopodobnie we wrześniu) pojawi się też nowa rodzina procesorów oznaczona symbolem Intel Core i5. Pierwszym przedstawicielem nowej serii układów, będzie jeszcze 45-nanometrowy Lynnfield, nazywany też Nehalemem dla mas, gdyż przeznaczony jest do komputerów domowych. To jego na początku 2009 roku ma zastąpić/uzupełnić Clarkdale, który być może będzie oznaczany też symbolem Core i3 – o czym za chwilę.
 
Procesory Core i5 w stosunku do Core i7 mają się różnić nie tylko podstawką (odpowiednio LGA 1156 i LGA 1366), ale przede wszystkim maja być wyposażone w dwa kanały pamięci, które mogą obsłużyć moduły DDR3 o maksymalnej pojemności 16 GB. Płyty z chipsetami z rodziny Ibex Peak przeznaczonymi dla tych procesorów mogą współpracować co najwyżej z dwoma gniazdami PCI Express x8 lub jednym złączem PCI Express x16.
 
Nie unikniemy jednak bałaganu. Według niepotwierdzonych informacji Intel najszybsze i najlepiej wyposażone czterordzeniowe wersje Lynnfielda, zamierza również oznaczać jako Core i7, zaś procesory o ograniczonej funkcjonalności będą sprzedawane jako Core i5. Mało tego czterordzeniowy 45-nanometrowy Clarksfield, przeznaczony dla notebooków ma być również zaliczony do serii Core i7.
 
Jeśli chodzi zaś o dwurdzeniowe 32-nanometrowe układy Clarkdale’a i Arrandale’a, będą prawdopodobnie zaliczone do rodziny Core i3, która ma nie tyle zastąpić, co uzupełnić linię produktową Core i5, czyli Lynnfielda i Clarksfielda.
 
...i klasyfikacja
 
Nowy system nazewnictwa powiązany ma być w przyszłości bardzo mocno z wprowadzanym od jakiegoś czasu systemem ocen od jednej do pięciu gwiazdek. Z systemem gwiazdkowych ocen zapoznać się można już dziś pod adresem – http://www.intel.com/consumer/rating.htm.

Gwiazdkowy system oceny funkcjonalności i mocy obliczeniowej procesorów Intela.

Przyszły system nazewnictwa ma więc zawierać więcej informacji o funkcjonalności układów i względnej wydajności niż o taktowaniu i wewnętrznej konstrukcji. Może się więc szybko okazać, że oznaczenia te będą bardzo mylące dla osób podejmujących decyzje o kupnie danego modelu na podstawie danych technicznych, takich jak liczba rdzeni, pamięć cache, czy częstotliwość taktowania. Niemniej większość osób może być jednak bardziej zainteresowana, co potwierdzają niestety badania, nie tyle parametrami technicznymi jednostki centralnej, ale jedynie ogólną charakterystyką sprawności procesora, w czym ma pomóc wzorowany na wykorzystywanym w hotelarstwie system gwiazdkowy. Signum temporis, ale mnie ten pomysł się jednak zupełnie nie podoba.
 
Na zakończenie dodam tylko, że inżynierowie z Intela już dziś intensywnie pracują nad kolejną generacją, tym razem 22 nanometrowych układów. Mają one pojawić się w 2011-2012 roku. Może już za pół roku będziemy zatem mogli napisać cos więcej na temat układów o kodowych nazwach Ivy Bridge i Haswell.

Autor: Marcin Bieńkowski

Komentarze (33)

___________________________
Więcej artykułów